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科學家首次造出理論中的金屬材料
科學家首次造出理論中的金屬材料科學家首次造出理論中的金屬材料
這些特性讓熱量可在 θ-TaN 晶格中以罕見的低阻尼狀態傳輸，接近“晶格對熱運動透明”的理論極限。
以金屬之軀，達到金剛石級別的導熱性能
需要注意的是，θ-TaN 只打破了金屬材料維持壹百多年的導熱率紀錄，還有導熱性能更好的非金屬材料，比如金剛石（俗稱鑽石）。
天然金剛石的導熱率可達 1,500~2,200 W/m·K，超純合成金剛石可達 3,000 W/m·K。目前，工業上已在探索用化學氣相沉積（CVD）金剛石薄膜作為熱擴散層，直接鍵合至邏輯計算芯片的背面，用於台積電 CoWoS 等 2.5D/3D 先進封裝。
圖 | 單晶 CVD 金剛石薄膜（來源：WikiPedia）
但金剛石有叁個顯著短板：生長速度慢、能耗高，制造成本居高不下；再者，金剛石是電絕緣體，加入電氣路徑時需要多壹道工藝；最後，作為已知最硬的材料，對金剛石進行切割、拋光、打孔都極其困難，與硅工藝的兼容性偏弱。
面對這些劣勢，θ-TaN 的金屬屬性，及其與現有芯片封裝工藝天然親和，讓它有望成為比金剛石更優的選擇。
首先，氮化鉭薄膜本身就是集成電路制造中常用的擴散阻擋層材料，目前的銅互連工藝廣泛使用氮化鉭作為襯墊。θ-TaN 如果能以薄膜形式沉積，就能無縫銜接現有產線，無需引入額外工藝。
此外，它既能充當芯片背面的熱擴散層，也可以作為熱界面材料（TIM）的高導熱填料，甚至有可能在高功率射頻器件和電力電子模塊中，成為兼具導電與導熱功能的壹體化互連層，光這壹點，就是絕緣的金剛石做不到的。
不過，團隊也指出，受限於產能和制備難度，θ-TaN 短期內不太可能替代銅、鋁等塊狀散熱器材料，更現實的應用形態是被置於芯片和散熱器之間，充當高導熱中間層，功能類似上文提到的 CVD 金剛石薄膜。而且，TaN 的 θ 相在常溫常壓下是亞穩相，未來要進入產業，還需評估其長期熱穩定性。
造出 θ-TaN 之後，這項研究更重要的意義或許在於，團隊進壹步釋放了金屬材料的導熱潛力。論文顯示，除了 θ-TaN 之外，氮化鎢、磷化鉬等過渡金屬化合物的電子-聲子耦合也偏低。這為行業和學界提了個醒，或許可以對這些物質進行系統性地合成和測量，篩出更多具備高導熱性質的金屬材料。
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以金屬之軀，達到金剛石級別的導熱性能
需要注意的是，θ-TaN 只打破了金屬材料維持壹百多年的導熱率紀錄，還有導熱性能更好的非金屬材料，比如金剛石（俗稱鑽石）。
天然金剛石的導熱率可達 1,500~2,200 W/m·K，超純合成金剛石可達 3,000 W/m·K。目前，工業上已在探索用化學氣相沉積（CVD）金剛石薄膜作為熱擴散層，直接鍵合至邏輯計算芯片的背面，用於台積電 CoWoS 等 2.5D/3D 先進封裝。
圖 | 單晶 CVD 金剛石薄膜（來源：WikiPedia）
但金剛石有叁個顯著短板：生長速度慢、能耗高，制造成本居高不下；再者，金剛石是電絕緣體，加入電氣路徑時需要多壹道工藝；最後，作為已知最硬的材料，對金剛石進行切割、拋光、打孔都極其困難，與硅工藝的兼容性偏弱。
面對這些劣勢，θ-TaN 的金屬屬性，及其與現有芯片封裝工藝天然親和，讓它有望成為比金剛石更優的選擇。
首先，氮化鉭薄膜本身就是集成電路制造中常用的擴散阻擋層材料，目前的銅互連工藝廣泛使用氮化鉭作為襯墊。θ-TaN 如果能以薄膜形式沉積，就能無縫銜接現有產線，無需引入額外工藝。
此外，它既能充當芯片背面的熱擴散層，也可以作為熱界面材料（TIM）的高導熱填料，甚至有可能在高功率射頻器件和電力電子模塊中，成為兼具導電與導熱功能的壹體化互連層，光這壹點，就是絕緣的金剛石做不到的。
不過，團隊也指出，受限於產能和制備難度，θ-TaN 短期內不太可能替代銅、鋁等塊狀散熱器材料，更現實的應用形態是被置於芯片和散熱器之間，充當高導熱中間層，功能類似上文提到的 CVD 金剛石薄膜。而且，TaN 的 θ 相在常溫常壓下是亞穩相，未來要進入產業，還需評估其長期熱穩定性。
造出 θ-TaN 之後，這項研究更重要的意義或許在於，團隊進壹步釋放了金屬材料的導熱潛力。論文顯示，除了 θ-TaN 之外，氮化鎢、磷化鉬等過渡金屬化合物的電子-聲子耦合也偏低。這為行業和學界提了個醒，或許可以對這些物質進行系統性地合成和測量，篩出更多具備高導熱性質的金屬材料。
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