3分钟，带你吃透西电石墨烯散热技术是如何怎么实现反超欧美的

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石墨烯缓冲层如同一位出色的“翻译官”，让散热“王者”金刚石与未来芯片材料氧化镓成功对话，为电子世界的“高烧不退”带来一剂降温良方。

手机卡顿、电脑死机、电动车续航缩水……这些日常生活中令人烦恼的问题，很多时候都源于芯片在高速运转时“高烧不退”。

西安电子科技大学的科研人员正试图解决这一困扰行业数十年的“心脏病”。

技术破局

西安电子科技大学郝跃院士团队的教授张进成和宁静，在解决芯片散热难题上实现了重要突破。他们巧妙地引入了石墨烯作为“翻译官”，让被称为下一代高功率电子器件“明星材料”的氧化镓与“导热王者”金刚石成功“牵手”。

（该论文入选Science Advances封面论文之一）

这项成果刚刚发表在《自然-通讯》期刊上，引起了业界广泛关注。

氧化镓被誉为高功率电子器件的“明星材料”，能够承受超高电压且成本较低，在电动汽车、轨道交通、5G/6G基站和航空航天等领域有着广泛应用前景。但这种材料有一个致命缺点：散热能力只有硅材料的五分之一，工作时极易“发烧”，导致器件损坏、性能下降。

研究团队最初想到了导热性能极好的金刚石，这是自然界中的“导热王者”。然而，单晶金刚石尺寸小、价格昂贵，难以大规模使用。

当他们转向成本更低的多晶金刚石时，遇到了新问题：在多晶上生长氧化镓薄膜时，材料会出现“晶向紊乱”，产生裂缝和应力，散热效果大打折扣。

创新方案

团队最终引入石墨烯作为中间缓冲层，它就像一位出色的“翻译官”，缓解了两种材料之间的“沟通障碍”。

这种创新设计屏蔽了多晶衬底的粗糙影响，使氧化镓薄膜能够平整高质量地生长在多晶金刚石上。

通过“氧-晶格协同调控”技术，即精细控制氧气和原子排列，团队实现了高质量氧化镓薄膜的稳定外延，从而使材料不再“乱长”，热应力也大幅降低。

实验结果显示，这种设计不仅解决了材料生长问题，还带来了惊人的散热效果。氧化镓与金刚石之间的热阻仅为2.82平方米·开尔文/吉瓦，这一数值仅为传统技术的十分之一左右。

学术竞争

世界顶尖科研机构和科技公司也在竞相攻克这一难题。斯坦福大学研究团队研发出低温多晶钻石薄膜芯片散热技术，成功在400°C的温度下，针对半导体器件生长出多晶钻石涂层。

这项技术能够将钻石整合到芯片内部，距离晶体管仅数纳米之遥，有望重新定义跨行业的热管理策略。

与此同时，北京大学高鹏教授团队利用一种基于声子输运可视化的电子显微技术，首次实现了亚纳米尺度的热流“可视化”。

（图1 声子输运可视化的显微技术。a. 实验设计示意图；b. AlN/SiC界面附近的等温线分布图（彩色线条）和温度梯度方向（黑色箭头）。比例尺：200nm）

该技术通过对界面模式参与的非弹性声子输运动力学过程的深入解析，为芯片界面工程设计与先进热管理材料研发提供了关键理论依据。其作用相当于在微观尺度构建了一个可精准调控的实验平台，为破解芯片散热这一制约半导体产业发展的世纪难题，开辟了全新路径，注入了突破性的解决思路。

商业领域，微软公司宣布开发出微流体冷却技术，通过细如发丝的微小通道直接将冷却液输送到芯片内部。实验数据显示，该技术能将芯片最高温升降低65%，散热效率比现有散热板高出三倍。

产业布局

半导体产业龙头台积电正全面拥抱12英寸碳化硅单晶基板，并逐步退出氮化镓业务。碳化硅以优异热导率受到青睐，可达约500W/mK，远高于常见陶瓷基板如氧化铝或蓝宝石。

尽管钻石与石墨烯拥有更高热导率，但其高昂成本与制程规模化困难，使其难以成为主流。液态金属、导电凝胶与微流体冷却等替代方案虽有潜力，但在集成性与量产成本上亦存挑战。

相较之下，碳化硅以“性能、机械强度与可量产性兼具”的特点，展现出最具实际性的折中方案。

台积电在12英寸晶圆制造上的深厚经验，使其有别于其他竞争者。

多线并进

西电在芯片散热领域的研究并非孤例。广研院段宝岩院士团队在高功率嵌入式散热领域取得突破性进展，将微通道直接集成于发热电子器件内部，从结构上消除了传统冷板散热路径中的关键界面热阻。

这项技术使总热阻降低至0.01 K/W，在热负荷240W，进口流量10mL/s下，相较于常规嵌入式结构，最大温度降低了21%。

同时，西电材料院彭彪林教授团队在薄膜电卡制冷领域取得重要突破。基于电卡效应的固态热管理技术，因其微型化、响应快速等优势，被视为芯片级散热的重要候选方案。

团队提出的“对称性匹配缺陷偶极态调控”新思路，使薄膜在不同温区呈现截然相反的电卡响应，为发展硅基兼容的高效固态制冷技术提供了新途径。

世界各实验室的科学家正从不同角度切入，寻找让芯片“冷静”的方法。西电团队研究成果发表后，已有多家企业主动寻求合作，团队正全力推进技术产业化。

在成都的实验室里，宁静教授和她的同事们仍在不断测试新材料和新技术，她们的目标是让这一突破性散热技术能够真正走出实验室，应用到电动汽车、数据中心和5G基站中。

如今，芯片产业正面临一场静悄悄的革命，那些为芯片“退烧”的技术，正逐渐从实验室走向生产线。

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