随着大算力芯片、激光通讯芯片等大功率芯片的快速发展，超高局部热流密度导致芯片热点问题愈加突出，封装散热成为了目前限制芯片集成电路发展的主要瓶颈之一。传统芯片封装采用的内部被动散热结合外部强化散热模式，由于体积大、热迟滞严重，无法实现局部热点的冷却散热，难以满足大功率芯片等精准控温的需求。而热电转换技术基于半导体材料的帕尔贴效应，可以实现局域空间下的热量定点输运与主动制冷，具有微型化、响应快、易集成等特点，有望催生新一代嵌入式主动散热封装方案，从而备受关注。
近日，西安交通大学材料学院材料相变行为研究组武海军教授与中国科学院深圳先进技术研究院团队合作，在权威刊物《Nature Communications》（《自然通讯》）在线发表研究论文“Oriented Bi2Te3-based films enabled high performance planar thermoelectric cooling device for hot spot elimination”（“高取向碲化铋薄膜赋能面内热电器件用于芯片热点散热”）。西安交通大学材料学院武海军教授为第一通讯作者。材料学院在读博士生杨宇轩为论文共同作者。本项研究工作得到了西安交通大学分析测试中心在微结构表征方面的鼎力支持。
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-54017-3
该合作团队经过3年的研发，先后解决了碲化铋热电薄膜的高取向生长、平面型热电薄膜器件的集成等关键技术，成功实现了平面型热电薄膜制冷器件在芯片热点散热上的测试验证，为新一代封装散热技术的发展提供了一种创新的解决方案。
图1. 低平面型热电薄膜器件实现芯片热点散热
自本世纪初薄膜热电器件就被提出是一种非常具有前景的芯片主动散热技术。然而，由于碲化铋薄膜取向所决定的热电性能与器件的构型未实现完全匹配，导致平面型热电薄膜器件用于芯片散热的潜力一直未得到证实。针对该问题，团队开发了一种梯度沉积结合液相辅助成核的薄膜生长技术用于制备高（00 l）取向碲化铋薄膜，在多晶薄膜中获得了可媲美单晶薄膜的高织构度，使得薄膜的面内迁移率提升了30%以上。同时，过量Te诱导的交错堆叠缺陷使得薄膜热导率也得到有效抑制，最终所获得的P型Bi0.4Sb1.6Te3和N型Bi2Te3薄膜的面内zT值分别达到~1.53和~1.10。基于高取向薄膜设计集成的平面型热电制冷器件在模拟热点散热实验中，成功使得热点温度降低了~8.2 K，体现了平面型热电薄膜制冷器件在芯片散热的巨大优势。
图2. 梯度沉积与液相辅助成核实现薄膜高取向生长
本文来自：西安交通大学。