通过材料和界面工程推进热管理技术及可靠性提升
基于宽禁带和超宽禁带半导体的高功率电子设备可以达到超过10Kw/cm2的功率密度，比数字电子设备高出数百倍，带来了显著的热管理难题。功率半导体和芯片推动了从个人设备、数据中心到能源技术、车辆和互联网基础设施等应用的发展。然而，高效的散热仍然是一个关键挑战，直接影响其性能、可靠性和寿命。
解决这一问题需要先进的材料和界面工程，以及对材料物理、化学、传输动力学及各种电子、热和机械性能的全面理解。尽管在热管理解决方案方面取得了进展，但声子、电子及其与材料晶格、缺陷、边界和界面的相互作用之间的复杂互动仍带来持续的挑战。
图1 热点功率已从1970年代的不到10 W/cm²激增至2030年的近1 MW/cm²
热积累会形成热点，降低可靠性和性能。研究表明，温度每升高10 K，设备寿命就会减少∼50%。因此，要解决热的问题，材料及外延端主要是从两方面来着手解决：（1）超高效热导率的材料以增强散热效果；（2）减少热边界阻力；
在封装和模组方面，可以改善芯片与散热器之间的热机械接触以及创新动态热管理，探索未来芯片技术中热传输和设计的新原理。
要实现宽带隙和超宽带隙器件的性能极限，例如氮化镓（GaN）系统，需要将热阻降低80%。传统冷却技术包括风扇、散热片、热管和微流体，已得到广泛应用。但是，主要挑战仍然存在于近接合区域，如图2所示，在该区域产生大部分焦耳热。热阻源于组成材料的导热率和异质层界面处的热边界阻力（TBR）。前者促使研究朝着高导热材料的集成方向发展。后者则涉及多种因素，如近界面缺陷、表面粗糙度以及声子相干性的破坏。
图2.电子产品的热管理设计，包括(a)器件或封装级别的散热器、热扩散器、热界面材料和其他的优化以及(b)晶体管近接合区域的热边界电阻和冷却基板。
1. 新型高导热材料传统上，金刚石、立方氮化硼、石墨、石墨烯和纳米管被用于探索高热导率。然而，高昂的成本、缓慢的生长速率、生长过程中产生的额外晶粒和相以及制造难题限制了它们的应用。石墨、石墨烯和纳米管的实际应用因固有的各向异性或环境散射引起的退化而受到限制。
最近发现的磷化硼（BP）、砷化硼（BAs）具有较高的热导率，是新型的高导热材料，同时二维材料在热管理领域也引起了关注。如石墨烯、二硫化钼、六方形式的h-BN、h-BP、h-BAs和h-BSb，预测的热导率范围从约160到1045 W/mK，如图3所示。
图3.三元材料与二维材料中高热导率材料的探索。(a)BNC2、BPC2和BAsC2的三种不同相态的温度依赖性热导率，与金刚石、BAs、BN和BP相比。(b)二维BN、BP、BAs和BSb的热导率预测，与石墨烯、硅烯和锗烯相比。
2. 热边界电阻工程热边界电阻（TBR）显著影响功率耗散率，进而影响设备性能、可靠性和寿命。TBR通常存在于异质界面处，具有内在和外在两个方面的影响，外在因素包括界面处的接触不完全、缺陷或无序。内在则源于材料之间的声子谱不匹配，导致声子传播的不连续性，从而在界面上形成温度不连续性，构成TBR（如图4所示）。
图4.接口热传输和热边界电阻（TBR）(a) TBR，由界面处的温度不连续性确定，可能源于声子散射、接触不完全和界面无序。(b)典型高导热材料及半导体行业中常用材料的德拜温度。
减少TBR的方法有：通过声子能带结构工程减少TBR，影响TBR的关键因素是声子态密度的重叠。估算TBR的一个有用的经验法则是比较材料的德拜温度，这提供了声子能量的限制。通常，德拜温度差异越大，TBR越高。
高导热材料与低TBR材料的集成至关重要，但极具挑战性。材料层和界面的热阻主要决定了热瓶颈。有效的热管理还依赖于减少多个设备层及其接口之间的热阻，开发增强热耦合的热界面是解决这一挑战的关键。
对于器件的可靠性而言，热管理尤为重要。散热作为现代电子学中最具挑战性的技术问题之一，我们要知道这个热包括哪些部分，以及从哪里过来的，知道了这些基础后，还要深刻理解热传输的机制与机理，我们时刻都在关注器件的性能以及可靠性，因为我们要做的是靠谱的产品以及经得住市场考验的产品。
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