芯片过热问题正成为性能提升的核心瓶颈。无论是个人笔记本电脑、服务器机房，还是全球各地的数据中心，散热管理都面临日益严峻的挑战——尤其随着芯片集成度不断提高、功耗持续增加，这一问题愈发突出。
要突破性能瓶颈，就必须在微观尺度上深入理解热量在芯片中的传导方式。然而，现有的热流测量方法大多难以有效应对现代电子设备普遍采用的多层堆叠结构。
麻省理工学院（MIT）的研究人员近日展示了一种全新的热传导研究方法：将能穿透多个材料层的X射线与用于加热的激光脉冲相结合，实现了对多层材料内部热量流动的精准测量。研究团队利用这一技术，对一种在晶体管和柔性电子器件领域极具潜力的材料器件展开了热传导研究。
该方法精度极高，能够量化器件中单个微米级缺陷的影响。研究人员发现，在存在缺陷的位置，材料的导热能力下降了整整四倍；此外，该缺陷还导致热量扩散出现明显的方向性差异——热量在某一方向的传导效率显著高于其他方向。
研究团队认为，这一方法有望帮助科研人员深入理解器件中的过热机制，并协助企业开发出功率密度更高的电子产品，覆盖AI应用、可穿戴设备及清洁能源系统等多个领域。
"芯片开发者需要能够有效管理热量的器件，"MIT核科学与工程系副教授、该研究的共同通讯作者李明达表示，"我认为过热问题已经成为器件性能提升的真正瓶颈。传统诊断技术无法深入到微米乃至纳米尺度，而我们最终希望能够更进一步，研究热量载体、找出导致器件失效的根本原因，从而避免局部热点的产生并设计出性能更优的器件。这项研究正是朝这个方向迈出的重要一步。"
热量追踪的技术突破
提升计算机和电子设备性能，通常意味着在更小的空间内集成更多晶体管。然而，晶体管间距越小，器件工作时产生的热量就越集中，对散热的要求也随之大幅提升。
这一问题在日常生活中最直观的体现，就是笔记本电脑的过热现象。而在数据中心层面，散热则需要消耗大量的能源。
因此，研发高功率密度电子器件的核心，在于寻找导热性能更优越的材料。
目前，研究人员已采用多种方法对材料中的热流进行测量和建模，但这些方法在研究实际器件架构时均存在明显局限。例如，常用的光学热测量方法——时域热反射法（TDTR）——由于依赖光学信号，无法分辨不同材料层中的热传导情况。"真实器件往往有五层甚至更多层结构，而该技术只能提供整体信号，很难观察到被埋在表面以下的各层中发生的热传输过程，"研究团队成员金在焕（Jeehwan Kim）解释道。此外，红外热像仪等其他手段也因帧率不足，难以捕捉微小尺度下的快速热变化。
为突破上述限制，研究人员引入了一种新兴分析技术：向材料发射电子脉冲和超快X射线，并测量材料的能量变化。
"近年来，研究人员研发出了目前世界上亮度最高的X射线光源，"团队成员阮清（Thanh Nguyen）介绍道，"这使得X射线束可以聚焦到极高的空间分辨率。同时，还可以用激光加热样品，X射线在扫描过程中实时呈现热量在空间中的扩散情况。"
具体而言，激光驱动的电子脉冲可以在原子尺度上捕捉材料应变的变化，而X射线能够穿透多个材料层，两者的测量结果相结合，便能清晰呈现材料的热传导图像。
"利用以往的测量手段，在实际器件中无法分辨各层的热传导差异，只能测量整体平均值，"团队成员付楚良（Chuliang Fu）说，"而X射线衍射可以清晰地显示热量如何跨越界面传播。"
研究团队将这一技术应用于一种由氮化镓薄层叠加在硅衬底上构成的测试器件。氮化镓因其优异的导热潜力而备受关注，但已有研究表明，加工过程中产生的微小缺陷会显著降低其热传导性能。
实验结果显示，在器件上一处褶皱缺陷处，热耗散能力下降了四倍；跨材料界面的热耗散也下降了25%，热流受阻程度远超预期。
"在建模热耗散时，人们通常假设材料是完美晶体，不含缺陷，"李明达说，"但这类大褶皱缺陷在二维材料中非常普遍。以前没有人知道这些褶皱究竟会阻隔多少热量传导。而现在，我们可以用这项技术直接观测到这一现象。"
推动芯片设计迈向新阶段
李明达表示，一家半导体行业领先的联合研究机构已主动联系，希望合作将这一测量技术应用于不同类型的芯片研究。他相信该技术能够适用于各类材料和器件。
"我们现在可以向器件通入电流，同时用X射线照射，在极小的尺度上实时观察热量的扩散过程，"金在焕表示，"这正是业界长期以来迫切希望实现的目标。"
李明达指出，这一方法将为研究人员提供全新的数据支撑，进而优化电子系统的热设计。
"这将有助于推动电子系统热设计的整体提升，"金在焕说，"即便是同类材料，器件的几何形状和材料的排列方式也千差万别。通过直接的实验测量，我们能够了解这些差异如何影响热流传导，为器件设计提供可靠依据。"
本研究得到了美国能源部、美国国家科学基金会以及MIT工程学院杰出能源效率奖学金的部分资助。
Q&A
Q1：麻省理工学院的新热流测量技术是如何工作的？
A：该技术将超快X射线与激光脉冲相结合，通过向材料发射电子脉冲和X射线来测量材料的能量变化。激光负责加热样品，X射线则实时扫描热量在空间中的扩散情况。由于X射线可以穿透多个材料层，并结合原子尺度的应变变化数据，研究人员能够精准分辨不同层之间的热传导差异，克服了传统光学方法只能测量整体平均值的局限。
Q2：氮化镓器件中的褶皱缺陷对导热性能有多大影响？
A：研究结果显示，氮化镓器件上的褶皱缺陷会导致该处材料的热耗散能力下降四倍，跨材料界面的热耗散也降低了约25%，热流受阻程度远超研究人员的预期。此前由于缺乏足够精密的测量手段，这类缺陷对导热性能的具体影响一直无法被量化，新技术首次实现了对单个微米级缺陷热效应的直接观测。
Q3：这项新技术对芯片和电子产品行业有哪些实际意义？
A：这项技术能够帮助芯片开发者在极小尺度上精准定位热量传导的瓶颈与缺陷，从而优化器件的热设计，避免局部热点的产生。目前已有半导体行业联合研究机构表达合作意向。研究人员认为，该技术未来可应用于AI设备、可穿戴设备及清洁能源系统等高功率密度电子产品的开发，有望推动计算性能持续提升。
