美发现新型材料可能带来芯片材料散热的革命

半导体设计中最大的挑战之一就是寻求如何将余热从结构上散发到设计的散热区域。这个问题似乎并不值得多说，在讨论CPU和系统冷却时，一般就是指寻求更有效的方法将热量从散热器盖和模具顶部散发出去。但是，如何将热量高效传导到散热器盖等散热部位也是一个十分关键的问题。美国海军研究实验室（US Naval Research Laboratory）与波士顿大学的研究者们合作发现了一种新的十分高效的导热方法，其秘密就是——立方砷化硼材料（Cubic boron arsenide）。

根据该课题组的研究，在常温下砷化硼（BAs）材料的热导率达2000 Wm-1K-1以上，这一导热率基本与目前已知导热性最好材料金刚石或者石墨相当，但金刚石或石墨均难以加工或集成到产品中，大规模合成、应用金刚石及石墨都是十分困难的，这一先天不足限制了它们实际应用的能力，而砷化硼则容易处理得多。

砷化硼等热的传导是靠组成晶体晶格的原子的振动来完成的，物理学家把这种振动称为热能量子（声子）。常规的金属导热的原因在于电子的振动，由于电子是带有电荷的，因此在常温下金属的导热率和导电率相关。金属铜和铝的导热性能良好，因此其导电性能也相当不错，相比而言，铁和铅的导电导热性就差得多了。

这项研究目前还是理论上的，是基于已知的砷化硼结构建模计算的结果。砷化硼晶格结构特点、该材料所属的III-V族半导体材料的特性，预示着可能将其用于太阳能电池单元以及辐射硬化电路板。与金刚石等材料相比，砷化硼还有一个优势是，有关III-V族半导体制造技术的研究已经在进行了。砷化硼材料还能够扩展到砷化硼镓(BGaAs)，不过这种材料的导热率要略低一些。

如果研究者们的预测被证实有效的话，那么这种材料无疑将会有广泛的应用。砷化镓材料在处理基底问题时比较棘手，这也是为什么硅材料仍然是工业标准的原因之一，但多家制造商预计在未来数年，III-V族半导体材料可能成为重要的材料，因为目前的互补金属氧化物半导体（CMOS）材料的大规模升级变得十分困难。如果能将余热有效散发出去、降低对散热的要求，对于提高芯片的性能是十分有利的，硼化物材料如能在实际应用中解决散热问题，那很可能会带来相关产业的革命。

硼化物与石墨烯材料相结合的研究近年来也逐渐受到重视。如图1所示，石墨烯和氮化硼组织可以并排“生长”，石墨烯形成纳米级的电路，电路间通过氮化硼隔开。如果能够达到工业化应用的程度，这类材料将使人们更加重视硼化物材料。

图1 砷化硼与石墨烯形成的纳米电路板模型示意图

 （中国船舶工业综合技术经济研究院 丁宏）