AI芯片散熱迎來新希望？科學家首次造出理論中的金屬材料，導熱率是銅的3倍

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

今年年初，加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）薩繆利工程學院的胡永杰教授團隊在《科學》（Science）發文，他們造出一種曾經只存在于理論中的金屬材料：θ 相氮化鉭（θ-TaN）單晶。實驗發現，該材料的室溫導熱率可達 1,100 W/m·K 左右，接近銅的三倍。

（來源：Science）

θ-TaN 的 70 年發現之旅

1950 年代，德國化學家布勞爾（Brauer）等人在高溫高壓條件下發現，TaN 存在一種 θ 相。近年來，學界預測，θ-TaN 具備遠超常規金屬的本征導熱率，潛在值接近金剛石和砷化硼。但此前有關 θ-TaN 的研究都停留在理論層面，高質量 θ-TaN 晶體始終未被造出，其導熱性能也無從驗證。

障礙主要在合成端。穩定 θ 相需要在數千攝氏度環境下對材料施加數吉帕（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）等多種競爭晶相，過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，其導熱率會遠低于理論值水平。

為解決這一難題，胡永杰團隊與日本東北大學（Tohoku University）多學科先進材料研究所的孝廣（Takahiro Yamada）等人合作，采用了一種名為助熔劑輔助復分解反應的技術：以金屬鈉同時充當還原劑和助熔劑，繞開傳統高壓合成路線，在富氮環境下直接將氧化鉭轉化為氮化鉭單晶。

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。團隊進一步通過拉曼光譜、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）等表征手段確認了樣品的結構完整性，證實其特征與先前預測高度吻合。

成功造出單晶后，團隊終于有了驗證 θ-TaN 導熱率的機會。測量結果顯示，在室溫條件下，θ-TaN 沿 a 軸方向（六方晶格底面內）的導熱率約為 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 導熱性能的各向異性。而跨整個晶體掃描的空間分布測量顯示，同一方向上導熱率在樣品各處保持一致，這表明測得的高導熱率來自晶格本征行為，不是偶然現象。

θ-TaN 的優越導熱性能與其特殊的晶體結構密切相關。

在微觀層面，固體材料的導熱由兩類載體承擔：一是自由電子的定向流動，二是晶格原子的集體振動。后者在量子力學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、銀等常規金屬中，熱傳導主要由自由電子承擔，但電子與聲子的相互作用反而會消耗上述兩條通道的輸運能力；再者，其內部活躍的聲子-聲子散射會進一步削弱導熱。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，同時把兩條散射通道都堵上了。

此外，鉭元素的一個自然屬性又提供了第三重加成。聲子在晶格中傳播時，如果遇到質量不一致的原子，也會發生散射，影響導熱。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 99.988%，原子質量差異導致的散射在 θ-TaN 上天然被削弱。

這些特性讓熱量可在 θ-TaN 晶格中以罕見的低阻尼狀態傳輸，接近“晶格對熱運動透明”的理論極限。

以金屬之軀，達到金剛石級別的導熱性能

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

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

圖 | 單晶 CVD 金剛石薄膜（來源：WikiPedia）

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

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

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，就能無縫銜接現有產線，無需引入額外工藝。

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

不過，團隊也指出，受限于產能和制備難度，θ-TaN 短期內不太可能替代銅、鋁等塊狀散熱器材料，更現實的應用形態是被置于芯片和散熱器之間，充當高導熱中間層，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相，未來要進入產業，還需評估其長期熱穩定性。

造出 θ-TaN 之后，這項研究更重要的意義或許在于，團隊進一步釋放了金屬材料的導熱潛力。論文顯示，除了 θ-TaN 之外，氮化鎢、磷化鉬等過渡金屬化合物的電子-聲子耦合也偏低。這為行業和學界提了個醒，或許可以對這些物質進行系統性地合成和測量，篩出更多具備高導熱性質的金屬材料。

參考內容：

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

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成