AI芯片散熱迎來(lái)新希望？科學(xué)家首次造出理論中的金屬材料，導(dǎo)熱率是銅的3倍

AI 的發(fā)展正在不斷推高全球?qū)λ懔Φ男枨螅S著以英偉達(dá)（NVIDIA）為代表的高端 AI 加速器功耗快速攀升，數(shù)據(jù)中心的機(jī)架功率密度將被推至 300 千瓦級(jí)別。

巨大能耗之下，散熱成為不容忽視的關(guān)鍵問(wèn)題：芯片消耗的電能幾乎全部以熱的形式耗散出來(lái)。而在目前的芯片熱傳導(dǎo)路徑中，銅是散熱擴(kuò)散層、熱管、蒸汽腔和封裝基板的主力材料，導(dǎo)熱率約為 400 瓦每米每開(kāi)爾文（W/m·K）。一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，這就是金屬導(dǎo)熱的真實(shí)性能上限。

今年年初，加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）薩繆利工程學(xué)院的胡永杰教授團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》（Science）發(fā)文，他們?cè)斐鲆环N曾經(jīng)只存在于理論中的金屬材料：θ 相氮化鉭（θ-TaN）單晶。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該材料的室溫導(dǎo)熱率可達(dá) 1,100 W/m·K 左右，接近銅的三倍。

（來(lái)源：Science）

θ-TaN 的 70 年發(fā)現(xiàn)之旅

1950 年代，德國(guó)化學(xué)家布勞爾（Brauer）等人在高溫高壓條件下發(fā)現(xiàn)，TaN 存在一種 θ 相。近年來(lái)，學(xué)界預(yù)測(cè)，θ-TaN 具備遠(yuǎn)超常規(guī)金屬的本征導(dǎo)熱率，潛在值接近金剛石和砷化硼。但此前有關(guān) θ-TaN 的研究都停留在理論層面，高質(zhì)量 θ-TaN 晶體始終未被造出，其導(dǎo)熱性能也無(wú)從驗(yàn)證。

障礙主要在合成端。穩(wěn)定 θ 相需要在數(shù)千攝氏度環(huán)境下對(duì)材料施加數(shù)吉帕（GPa）壓力，加之氮化鉭體系中存在立方（δ-TaN）、六方（ε-TaN）、四方（t-TaN）等多種競(jìng)爭(zhēng)晶相，過(guò)往合成的樣品幾乎都是含有晶界、缺陷與混相的多晶粉末。

而且，此前的理論分析也指出，如果 θ-TaN 晶體存在缺陷或雜質(zhì)，其導(dǎo)熱率會(huì)遠(yuǎn)低于理論值水平。

為解決這一難題，胡永杰團(tuán)隊(duì)與日本東北大學(xué)（Tohoku University）多學(xué)科先進(jìn)材料研究所的孝廣（Takahiro Yamada）等人合作，采用了一種名為助熔劑輔助復(fù)分解反應(yīng)的技術(shù)：以金屬鈉同時(shí)充當(dāng)還原劑和助熔劑，繞開(kāi)傳統(tǒng)高壓合成路線，在富氮環(huán)境下直接將氧化鉭轉(zhuǎn)化為氮化鉭單晶。

最終得到的 θ-TaN 單晶尺寸在 10 到 100 微米之間，表面光潔、單一晶相。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)拉曼光譜、單晶 X 射線衍射（S-XRD）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、電子能量損失譜（EELS）等表征手段確認(rèn)了樣品的結(jié)構(gòu)完整性，證實(shí)其特征與先前預(yù)測(cè)高度吻合。

成功造出單晶后，團(tuán)隊(duì)終于有了驗(yàn)證 θ-TaN 導(dǎo)熱率的機(jī)會(huì)。測(cè)量結(jié)果顯示，在室溫條件下，θ-TaN 沿 a 軸方向（六方晶格底面內(nèi)）的導(dǎo)熱率約為 1105 W/m·K，沿 c 軸方向（垂直于底面）約為 928 W/m·K，反映出 θ-TaN 導(dǎo)熱性能的各向異性。而跨整個(gè)晶體掃描的空間分布測(cè)量顯示，同一方向上導(dǎo)熱率在樣品各處保持一致，這表明測(cè)得的高導(dǎo)熱率來(lái)自晶格本征行為，不是偶然現(xiàn)象。

θ-TaN 的優(yōu)越導(dǎo)熱性能與其特殊的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

在微觀層面，固體材料的導(dǎo)熱由兩類載體承擔(dān)：一是自由電子的定向流動(dòng)，二是晶格原子的集體振動(dòng)。后者在量子力學(xué)框架下被定義為聲子（phonon），類比電子傳遞電流，聲子則在晶體里傳遞熱量。

在銅、鋁、銀等常規(guī)金屬中，熱傳導(dǎo)主要由自由電子承擔(dān)，但電子與聲子的相互作用反而會(huì)消耗上述兩條通道的輸運(yùn)能力；再者，其內(nèi)部活躍的聲子-聲子散射會(huì)進(jìn)一步削弱導(dǎo)熱。但 θ-TaN 的特殊之處在于，其聲子-聲子的相互作用極弱，電子也幾乎不與聲子交換能量，同時(shí)把兩條散射通道都堵上了。

此外，鉭元素的一個(gè)自然屬性又提供了第三重加成。聲子在晶格中傳播時(shí)，如果遇到質(zhì)量不一致的原子，也會(huì)發(fā)生散射，影響導(dǎo)熱。但鉭幾乎是單一同位素元素，天然鉭中 1?1Ta 同位素的豐度高達(dá) 99.988%，原子質(zhì)量差異導(dǎo)致的散射在 θ-TaN 上天然被削弱。

這些特性讓熱量可在 θ-TaN 晶格中以罕見(jiàn)的低阻尼狀態(tài)傳輸，接近“晶格對(duì)熱運(yùn)動(dòng)透明”的理論極限。

以金屬之軀，達(dá)到金剛石級(jí)別的導(dǎo)熱性能

需要注意的是，θ-TaN 只打破了金屬材料維持一百多年的導(dǎo)熱率紀(jì)錄，還有導(dǎo)熱性能更好的非金屬材料，比如金剛石（俗稱鉆石）。

天然金剛石的導(dǎo)熱率可達(dá) 1,500~2,200 W/m·K，超純合成金剛石可達(dá) 3,000 W/m·K。目前，工業(yè)上已在探索用化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石薄膜作為熱擴(kuò)散層，直接鍵合至邏輯計(jì)算芯片的背面，用于臺(tái)積電 CoWoS 等 2.5D/3D 先進(jìn)封裝。

圖 | 單晶 CVD 金剛石薄膜（來(lái)源：WikiPedia）

但金剛石有三個(gè)顯著短板：生長(zhǎng)速度慢、能耗高，制造成本居高不下；再者，金剛石是電絕緣體，加入電氣路徑時(shí)需要多一道工藝；最后，作為已知最硬的材料，對(duì)金剛石進(jìn)行切割、拋光、打孔都極其困難，與硅工藝的兼容性偏弱。

面對(duì)這些劣勢(shì)，θ-TaN 的金屬屬性，及其與現(xiàn)有芯片封裝工藝天然親和，讓它有望成為比金剛石更優(yōu)的選擇。

首先，氮化鉭薄膜本身就是集成電路制造中常用的擴(kuò)散阻擋層材料，目前的銅互連工藝廣泛使用氮化鉭作為襯墊。θ-TaN 如果能以薄膜形式沉積，就能無(wú)縫銜接現(xiàn)有產(chǎn)線，無(wú)需引入額外工藝。

此外，它既能充當(dāng)芯片背面的熱擴(kuò)散層，也可以作為熱界面材料（TIM）的高導(dǎo)熱填料，甚至有可能在高功率射頻器件和電力電子模塊中，成為兼具導(dǎo)電與導(dǎo)熱功能的一體化互連層，光這一點(diǎn)，就是絕緣的金剛石做不到的。

不過(guò)，團(tuán)隊(duì)也指出，受限于產(chǎn)能和制備難度，θ-TaN 短期內(nèi)不太可能替代銅、鋁等塊狀散熱器材料，更現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用形態(tài)是被置于芯片和散熱器之間，充當(dāng)高導(dǎo)熱中間層，功能類似上文提到的 CVD 金剛石薄膜。而且，TaN 的 θ 相在常溫常壓下是亞穩(wěn)相，未來(lái)要進(jìn)入產(chǎn)業(yè)，還需評(píng)估其長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性。

造出 θ-TaN 之后，這項(xiàng)研究更重要的意義或許在于，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步釋放了金屬材料的導(dǎo)熱潛力。論文顯示，除了 θ-TaN 之外，氮化鎢、磷化鉬等過(guò)渡金屬化合物的電子-聲子耦合也偏低。這為行業(yè)和學(xué)界提了個(gè)醒，或許可以對(duì)這些物質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)性地合成和測(cè)量，篩出更多具備高導(dǎo)熱性質(zhì)的金屬材料。

參考內(nèi)容：

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.aeb1142

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成