项目来了丨科学家为芯片量身定制了保护衣，散热降温so easy

到了国庆，只想躺平撸剧玩游戏。

但是！才看了一会儿剧，手机就烫手，只能转战电脑。

但是！玩了一会儿电脑，散热口就烫手。

想了一下，还是躺平吧。

就像你跑步会出汗，处理器的芯片在高速运转中产生的热量迅速积累、增加。芯片也像我们一样，需要一个舒适的温度，让它保持“战斗力”。

在中科院深圳先进技术研究院里，由美国工程院院士、中国工程院外籍院士汪正平院士和孙蓉研究员领导的电子封装材料创新科研团队就在研究怎么给芯片降温。他们用特殊材料封装芯片，让芯片更快散热。

△ 图片来自：Dicovery纪录片《生产线上》

芯片制造过程=用乐高盖房子

你印象中的芯片，大概是这样的？

△  ARM芯片，图片来自网络

其实，芯片并不是你所直观看见的，表面包裹着黑色衣服的样子，剥去这层外衣才是它真正面貌。

△ 图片来自：Dicovery纪录片《生产线上》

它很小，并不是一个一个地生产出来的，而是从硅晶圆圆盘上切割下来的。

△ 视频来自：Dicovery纪录片《生产线上》

回想一下小时候玩乐高积木，每一块乐高表面都有突出来的圆形，通过它，我们可以把两块乐高连接在一起。如果将一颗芯片放大来看，它看似平滑的表面上，其实堆叠了许多高高低低、相互交错的元件。这些元件就像搭乐高一样被连接起来。它们通过晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，搭建出这一块芯片的集成电路。

△ 芯片上的集成电路动画模拟，它们就有如乐高层层叠叠。视频来自：台积电

为了保护这又小又薄的芯片，免得它受到灰尘污染和被刮花，我们还得给它穿上一层保护衣。最重要的是，这层保护衣是它在电子世界的通行证，使得它可以与其他电子器件连接，发挥作用。

△ 图片来自网络

 封 装 

为芯片量身定制一件保护衣的过程，在工业上称为“封装”。一方面，封装可以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成的电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。

不过，封装的作用不仅仅是保护脆弱的芯片免受环境的干扰和使用带来的损伤，更重要的作用体现在数据交换上。

你看，芯片周围布满了整齐的、密密麻麻的“脚”。

△ 图片中金属色的部分是引脚，图片来自网络

这些接线叫作“引脚”，它们是这块芯片的接口。引脚通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接，芯片便可以通过外部引脚间接地与电路板连接以起到数据交换的作用。

经过了这些步骤，我们看到的芯片才是“披着外衣”的。

△  芯片被安装在基底上，顶部还有一层“盖板”，这就是我们经常使用的芯片的构造。图片由中科院深圳先进院提供。

芯片房要有通风透气的屋顶

目前，全球领先的芯片制造商已进入10纳米（相当于头发丝的万分之一）量产时代。10纳米制程，就是在芯片中线宽最小可以做到10纳米尺寸，就可以在芯片中塞入更多电晶体，让它运算效率更高、功耗更低。

华为下月发布的Mate 10手机，将搭载台积电10纳米工艺的芯片麒麟970。这块芯片在约1平方厘米的面积内集成了55亿个晶体管。

△  华为技术有限公司高级副总裁余承东在微博晒出麒麟970的相关参数

各大企业都在围绕缩小工艺制程“绞尽脑汁”。不过，随着制造芯片的工艺一步步提高，芯片的面积一点点缩小，电子元器件和逻辑电路的体积也跟着成千万倍地缩小，而工作频率急剧增加，此时电子设备所产生的热量迅速积累和增加，工作环境温度也向高温方向迅速变化。

为了让芯片发挥更好的性能，封装的难度也进一步提高。其中一个挑战就是散热。

2000 年左右，当晶体管尺寸缩减到 90 纳米时，芯片开始出现过热的状况。过热带来的不仅仅是使用体验上的不适，随之而来的还有电子产品寿命减损、使用安全等问题。

△ 图片来自网络

针对散热的问题，现在基本的解决办法有：降低运算速度，电脑开得程序越少，它升温的速度就越慢；分核，比如我们现在常说的多核处理器，让一个工作组分成若干小组，分工协作，避免热量骤升。

此外，科学家们开始在封装材质上下功夫——研发散热的材料，并且应用到封装中。这也是先进材料中心导热小组研究团队的研究重点。

△ 图片来自网络

从材质上说，电子器件的封装分为陶瓷封装、金属封装和塑料封装等。

20 世纪 60 年代，陶瓷、金属和玻璃封装被广泛应用。20 世纪 70年代中期，传统聚合物基板材料逐渐替代原来的陶瓷和金属封装，到20世纪90年代，随着电子器件朝轻便化、薄型化、小型化、多功能化等方向发展，陶瓷封装逐渐被淘汰，塑料封装目前已经成为电气器件封装的主要形式。先进材料中心的曾小亮博士介绍，目前，塑料封装的比率大概在85%左右。

塑料具有优良的介电性能、加工性能、较好的耐热性和尺寸稳定性。但塑料也存在热传导差、散热差的问题，如何提高塑料的导热系数被认为是解决塑料导热性不够好的关键。

由美国工程院院士、中国工程院外籍院士汪正平院士和孙蓉研究员领导的电子封装材料创新科研团队，10年来围绕塑料导热性差的问题，开展了一系列研究。团队创造性地设计了一种氮化硼-纳米银复合材料，并把它加入到塑料中，可以显著提高塑料的导热系数，让散热效果更好。

△ 氮化硼纳米片层成功负载纳米银颗粒，图片来自中科院深圳先进院。

往塑料中加入氮化硼-纳米银复合材料就像捏橡皮泥，让不同的物质通过一系列化学反应实现融合，从而变成一种新型的无机填料，能够使塑料的导热系数提高一倍（复合材料的导热系数从原来的1.5 w/mK，提高到3.05 W/mK），芯片产生的热量能更快散发出去。

△橘色的是纳米银，可以在原来的塑料材质中起到桥梁链接的作用，形成适用性较强的3D导热网络，图片来自中科院深圳先进院。

据Thomson ESI（汤姆森基本科学指标数据库）最新统计显示，先进材料中心导热小组研究团队围绕塑料封装中的聚合物热界面材料的一项研究成果入选高被引论文（SCI引用前1%）。

目前，先进电子封装材料创新科研团队围绕散热材料进行的研究已形成30件专利、30多篇SCI论文，并有望在下一代电子器件散热中获得广泛应用，解决电子器件由于过热而导致的“死机”，甚至“爆炸”等问题。该团队相关的热界面材料、埋入式封装材料、底部填充材料、临时键和胶、TSV绝缘材料、电子级球形二氧硅、导电银浆、纳米银线等多种研究成果，在光电、储能、可穿戴、传感器等行业都有非常广阔的应用前景。

如果您对上述项目感兴趣，欢迎留言与我们联系，或致电0755-86392046冯老师。如果您想把自己研究团队的成果在我们的微信平台上进行展示，欢迎投稿至[e-mail]。

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读创记者 李旖露 

编辑/月儿

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