美国麻省理工学院开发超快X射线测热方法 可观察芯片多层结构热传递

美国麻省理工学院研究人员开发出一种观察热量在多层材料中传递的新方法，可用于精确测量计算机芯片等电子器件内部的热流变化。相关研究成果已发表于《自然通讯》。

随着计算机芯片尺寸不断缩小、功率密度持续提高，器件过热正成为限制性能提升的重要因素。传统热流测量方法在面对真实电子器件的多层结构时存在局限，例如常用的时域热反射法难以区分不同材料层中的热传输情况，红外成像等方法也难以在微小尺度上捕捉快速变化。

为解决这一问题，研究团队将激光脉冲与超快X射线相结合：激光用于加热样品，X射线则穿透多个材料层并进行扫描，通过衍射等信号记录热量扩散过程中材料内部的变化。研究人员表示，这种方法能够在极小尺度上观察热流分布，有助于直接分析界面和缺陷对散热的影响。

团队将该技术应用于一种由硅基底和氮化镓层组成的测试器件。氮化镓因具备较好的导热潜力，被认为适用于晶体管和柔性电子器件等领域。实验发现，器件中的微米级褶皱缺陷会显著削弱局部散热能力：缺陷处导热能力降低约四倍，材料整体散热能力下降约25%。研究还显示，该类缺陷会导致热量扩散出现方向性差异，使热流更倾向于沿特定方向传播。

研究人员认为，这一发现说明，在模拟电子器件散热时，仅采用“理想无缺陷晶体”模型可能不足以反映真实情况。通过直接观察微小缺陷对热流的影响，相关方法可为芯片热设计、器件结构优化以及高功率密度电子产品研发提供实验依据。

研究团队表示，该测量技术未来有望扩展至更多材料和器件体系，用于分析人工智能计算、可穿戴设备、清洁能源系统等应用中的电子器件散热问题。该工作得到美国能源部、美国国家科学基金会以及麻省理工学院工程学院相关项目的部分资助。