新型材料可以冷却高功率设备

新基材可能比最先进的材料更有效-高功率密度应用中的艺术热管理材料。

热管理已迅速成为电气工程师面临的最重要问题之一。随着电子设备功率密度的增加，它们产生的热能也随之增加。高性能需要能够吸收和散发热量的材料，以防止损坏敏感电子元件并确保它们有效运行。

通常，具有高功率密度的电子产品制造商使用金刚石或碳化硅等基板来管理晶体管等半导体产生的热量。现在，研究人员发现了一种新材料，可以更有效地从热点吸收热量。在实践中，这种材料可以帮助电子制造商确保设备性能和能源效率的显着改进。它可以确保更快、更便宜的电子设备的持续发展。

更好的热管理对电力电子行业意味着什么

通过将晶体管几何尺寸缩小到纳米级，制造商可以提供具有高晶体管密度的芯片，以提高性能但也会产生大量热量。如果没有某种热管理系统，这些计算机芯片就会过热、变慢并且变得不可靠。随着时间的推移，热应力也会损坏它们，导致过早失效。

电子行业观察人士建议，行业应为摩尔定律的终结做好准备 – 晶体管数量每两年翻一番的趋势。这主要是因为热管理给电子工程师带来的挑战越来越大。

性能远优于尖端材料的热基板可以确保电子行业跟上理论摩尔定律的增长——继续我们过去几十年所期望的处理能力增长。

砷化硼成为半导体的潜在热基板

2018 年，加州大学洛杉矶分校 (UCLA) 和欧文材料研究所的研究人员在胡永杰副教授的带领下，在他们的实验室中开发了无缺陷的砷化硼 (BA)。他们的研究结果表明，它在吸热和散热方面比传统半导体材料更有效。

现在，研究团队通过将 BA 直接集成到尖端的高功率氮化镓 (GaN) 基高电子迁移率晶体管 (HEMT) 中，首次展示了 BA 的实际有效性。该团队的研究结果于 2021 年 6 月发表在 Nature Electronics 上，展示了这些基板如何在高功率密度应用中比最先进的热管理材料更有效。

比金刚石或碳化硅更有效

为了评估具有 BAs 的 GaN HEMT 的热管理性能，研究团队将这些结构与具有两种常规热衬底，金刚石和碳化硅 (SiC) 的 GaN HEMT 进行了比较。

在每毫米 15 瓦的功率密度下，带有砷化硼衬底的 GaN HEMT 的最大热量从室温上升到 188 F。带有金刚石锯的 GaN HEMT 上升到 278 F，而带有碳化硅的 HEMT底物均生长至 332 F 左右。

据该团队称，结果表明，使用 BAs 衬底的设备比使用传统衬底的设备能够承受更高的工作功率。研究人员将 BAs 基板的性能改进归因于该材料的高导热性和低热边界电阻。材料的电阻越低，它就越容易吸热和散热——有助于提高热管理能力。

BA 的热导率可高达每米开尔文 1,300 瓦特 (W/(m·K))，而金刚石的导热系数约为 2,300 W/(m·K)。导热系数越高越好，但极低的热边界电阻意味着该材料可以在冷却半导体方面提供更好的性能。

根据吕冰博士的说法，尽管 BA 含有砷，但当砷与砷化硼等化合物结合时，它会变得稳定且无毒。 Lv 是德克萨斯大学达拉斯分校的物理学教授和研究员，他还探索了砷化硼在热管理方面的潜力，并领导了最早合成纯度足以用作基材的砷化硼的研究小组之一。

因此，在高性能电子产品中，BA 被认为与碳化硅或金刚石一样安全。此外，BAs 的合成和加工成本也相对较低，因此制造成本不应成为该材料采用的障碍。

即便如此，还需要更多的研究。在工程师开始使用 BA 这样的新型材料之前，他们必须充分了解材料的电子特性并确保它们的性能符合规范。尽管如此，如果研究继续证明该材料的有效性，砷化硼可能会在不久的将来对电子产品产生重大影响。