晶片過熱問題正成為性能提升的核心瓶頸。無論是個人筆記本電腦、伺服器機房，還是全球各地的數據中心，散熱管理都面臨日益嚴峻的挑戰——尤其隨著晶片集成度不斷提高、功耗持續增加，這一問題愈發突出。
要突破性能瓶頸，就必須在微觀尺度上深入理解熱量在晶片中的傳導方式。然而，現有的熱流測量方法大多難以有效應對現代電子設備普遍採用的多層堆疊結構。
麻省理工學院（MIT）的研究人員近日展示了一種全新的熱傳導研究方法：將能穿透多個材料層的X射線與用於加熱的雷射脈衝相結合，實現了對多層材料內部熱量流動的精準測量。研究團隊利用這一技術，對一種在電晶體和柔性電子器件領域極具潛力的材料器件展開了熱傳導研究。
該方法精度極高，能夠量化器件中單個微米級缺陷的影響。研究人員發現，在存在缺陷的位置，材料的導熱能力下降了整整四倍；此外，該缺陷還導致熱量擴散出現明顯的方向性差異——熱量在某一方向的傳導效率顯著高於其他方向。
研究團隊認為，這一方法有望幫助科研人員深入理解器件中的過熱機制，並協助企業開發出功率密度更高的電子產品，覆蓋AI應用、可穿戴設備及清潔能源系統等多個領域。
"晶片開發者需要能夠有效管理熱量的器件，"MIT核科學與工程系副教授、該研究的共同通訊作者李明達表示，"我認為過熱問題已經成為器件性能提升的真正瓶頸。傳統診斷技術無法深入到微米乃至納米尺度，而我們最終希望能夠更進一步，研究熱量載體、找出導致器件失效的根本原因，從而避免局部熱點的產生並設計出性能更優的器件。這項研究正是朝這個方向邁出的重要一步。"
熱量追蹤的技術突破
提升電腦和電子設備性能，通常意味著在更小的空間內集成更多電晶體。然而，電晶體間距越小，器件工作時產生的熱量就越集中，對散熱的要求也隨之大幅提升。
這一問題在日常生活中最直觀的體現，就是筆記本電腦的過熱現象。而在數據中心層面，散熱則需要消耗大量的能源。
因此，研發高功率密度電子器件的核心，在於尋找導熱性能更優越的材料。
目前，研究人員已採用多種方法對材料中的熱流進行測量和建模，但這些方法在研究實際器件架構時均存在明顯局限。例如，常用的光學熱測量方法——時域熱反射法
（TDTR）——由於依賴光學信號，無法分辨不同材料層中的熱傳導情況。"真實器件往往有五層甚至更多層結構，而該技術只能提供整體信號，很難觀察到被埋在表面以下的各層中發生的熱傳輸過程，"研究團隊成員金在煥（Jeehwan Kim）解釋道。此外，紅外熱像儀等其他手段也因幀率不足，難以捕捉微小尺度下的快速熱變化。
為突破上述限制，研究人員引入了一種新興分析技術：向材料發射電子脈衝和超快X射線，並測量材料的能量變化。
"近年來，研究人員研發出了目前世界上亮度最高的X射線光源，"團隊成員阮清（Thanh Nguyen）介紹道，"這使得X射線束可以聚焦到極高的空間解析度。同時，還可以用雷射加熱樣品，X射線在掃描過程中實時呈現熱量在空間中的擴散情況。"
具體而言，雷射碟機動的電子脈衝可以在原子尺度上捕捉材料應變的變化，而X射線能夠穿透多個材料層，兩者的測量結果相結合，便能清晰呈現材料的熱傳導圖像。
"利用以往的測量手段，在實際器件中無法分辨各層的熱傳導差異，只能測量整體平均值，"團隊成員付楚良（Chuliang Fu）說，"而X射線衍射可以清晰地顯示熱量如何跨越界面傳播。"
研究團隊將這一技術應用於一種由氮化鎵薄層疊加在矽襯底上構成的測試器件。氮化鎵因其優異的導熱潛力而備受關注，但已有研究表明，加工過程中產生的微小缺陷會顯著降低其熱傳導性能。
實驗結果顯示，在器件上一處褶皺缺陷處，熱耗散能力下降了四倍；跨材料界面的熱耗散也下降了25%，熱流受阻程度遠超預期。
"在建模熱耗散時，人們通常假設材料是完美晶體，不含缺陷，"李明達說，"但這類大褶皺缺陷在二維材料中非常普遍。以前沒有人知道這些褶皺究竟會阻隔多少熱量傳導。而現在，我們可以用這項技術直接觀測到這一現象。"
推動晶片設計邁向新階段
李明達表示，一家半導體行業領先的聯合研究機構已主動聯繫，希望合作將這一測量技術應用於不同類型的晶片研究。他相信該技術能夠適用於各類材料和器件。
"我們現在可以向器件通入電流，同時用X射線照射，在極小的尺度上實時觀察熱量的擴散過程，"金在煥表示，"這正是業界長期以來迫切希望實現的目標。"
李明達指出，這一方法將為研究人員提供全新的數據支撐，進而優化電子系統的熱設計。
"這將有助於推動電子系統熱設計的整體提升，"金在煥說，"即便是同類材料，器件的幾何形狀和材料的排列方式也千差萬別。通過直接的實驗測量，我們能夠了解這些差異如何影響熱流傳導，為器件設計提供可靠依據。"
本研究得到了美國能源部、美國國家科學基金會以及MIT工程學院傑出能源效率獎學金的部分資助。
Q&A
Q1：麻省理工學院的新熱流測量技術是如何工作的？
A：該技術將超快X射線與雷射脈衝相結合，通過向材料發射電子脈衝和X射線來測量材料的能量變化。雷射負責加熱樣品，X射線則實時掃描熱量在空間中的擴散情況。由於X射線可以穿透多個材料層，並結合原子尺度的應變變化數據，研究人員能夠精準分辨不同層之間的熱傳導差異，克服了傳統光學方法只能測量整體平均值的局限。
Q2：氮化鎵器件中的褶皺缺陷對導熱性能有多大影響？
A：研究結果顯示，氮化鎵器件上的褶皺缺陷會導致該處材料的熱耗散能力下降四倍，跨材料界面的熱耗散也降低了約25%，熱流受阻程度遠超研究人員的預期。此前由於缺乏足夠精密的測量手段，這類缺陷對導熱性能的具體影響一直無法被量化，新技術首次實現了對單個微米級缺陷熱效應的直接觀測。
Q3：這項新技術對晶片和電子產品行業有哪些實際意義？
A：這項技術能夠幫助晶片開發者在極小尺度上精準定位熱量傳導的瓶頸與缺陷，從而優化器件的熱設計，避免局部熱點的產生。目前已有半導體行業聯合研究機構表達合作意向。研究人員認為，該技術未來可應用於AI設備、可穿戴設備及清潔能源系統等高功率密度電子產品的開發，有望推動計算性能持續提升。
