隨著人工智慧（AI）、高效能運算（HPC）與資料中心快速發展，晶片效能持續提升，但散熱問題也成為半導體產業最大的技術挑戰之一。美國麻省理工學院（MIT）最新研發出一項結合超快X射線與雷射脈衝的全新熱流量測技術，可直接觀測多層晶片內部熱量傳遞過程，不僅能精準找出微米級缺陷對散熱的影響，也有望為下一代AI晶片、可穿戴裝置及新能源設備帶來突破。
這項研究成果已刊登於國際期刊《Nature Communications》，由MIT核科學與工程系副教授Mingda Li及材料科學專家Jeehwan Kim共同領導。研究團隊指出，隨著晶體管密度越來越高，晶片在有限空間內產生的熱量也持續增加，若無法有效散熱，不僅會影響運算效能，更可能縮短晶片壽命，因此熱管理已成為限制半導體技術發展的重要瓶頸。
研究人員表示，過去產業普遍採用時域熱反射法（TDTR）或紅外線熱成像等方式分析晶片散熱，但由於現代晶片多採用多層堆疊封裝，傳統技術只能量測整體熱訊號，難以觀察不同材料層之間的熱流變化，更無法精確找出造成局部過熱的原因。
為突破限制，MIT團隊結合超快雷射脈衝與高亮度X射線光源，透過雷射為材料加熱，再利用可穿透多層結構的X射線同步掃描，即時記錄熱量在晶片內部的流動路徑，成功建立奈米至微米尺度的熱傳導觀測技術。
研究團隊進一步將技術應用於矽基板與氮化鎵（GaN）材料組成的半導體元件。氮化鎵近年已成為AI伺服器、5G基地台、電動車及高速電源晶片的重要材料，具有耐高壓、高頻率及高效率等優勢，但製程中產生的微小缺陷，往往會影響散熱能力。
測試結果發現，當材料出現微米級褶皺缺陷時，局部熱傳導能力竟下降至原本的四分之一，整體散熱效率也降低約25%。此外，研究人員首次直接觀察到缺陷會造成熱流向不同方向擴散，導致晶片內部形成局部高溫熱點，進一步影響元件穩定性。
MIT表示，過去工程師多以理想晶體模型模擬散熱情況，但真實晶片中普遍存在細微缺陷，新技術則能提供更接近實際情況的熱傳導數據，有助於改善晶片設計與製程。
研究團隊透露，目前已有全球大型半導體產業聯盟主動接洽合作，希望將這項技術導入不同類型晶片開發，協助分析AI晶片、高功率電子元件及先進封裝產品的散熱問題。
Mingda Li表示，未來工程師甚至可以在晶片通電運作時，同步利用X射線即時觀測熱量如何在不同材料層之間傳遞，進一步找出影響晶片效能的關鍵熱點，打造散熱效率更高的新一代半導體產品。
隨著AI伺服器、高速運算與資料中心需求持續攀升，晶片散熱已成為全球半導體競爭的重要戰場。MIT這項突破性的熱流觀測技術，不僅有望提升AI晶片、高效能運算、可穿戴裝置及新能源系統的可靠性，也將為未來晶片設計、先進封裝與散熱材料開發提供全新的技術工具，加速下一波半導體創新。
