隨著AI智能時代的來臨，芯片的算力需求增長顛覆想象，以OpenAI推出的chatGPT為例，GPT-2版本只有1.5億個參數，發展到chatGPT-3版本后，參數已經達到了1750億個，為了滿足其大幅增長的算力需求，OpenAI使用超過285000 個CPU核心和10000多個GPU來訓練模型。面對這種龐大的算力集群，芯片需要在較小范圍內進行大量堆疊，保證芯片間的信息傳輸速度足夠快，而隨著堆疊密度的提升，芯片和封裝模組的熱通量也在大幅增大，相關的導熱、散熱以及封裝材料需求有望持續放量，但相關材料的性能要求也在逐步提升，下面小編就梳理一下芯片中應用的導熱材料以及其應用現狀、當前存在挑戰和未來發展趨勢，為相關從業人員提供些許參考。

傳統的芯片片封裝工藝采用單科芯片通過焊線方式封裝到基板或引線框架上，但隨著算力需求提升，目前大功率芯片常采用倒裝焊代替引線焊接，以提高互聯密度及電性。在這種封裝內，芯片內部的導熱材料主要有導熱界面材料、底填材料和封裝基板三種，其中90%以上的熱量通過“芯片--導熱界面材料（TIM）--封裝-導熱界面材料（TIM）--散熱器”的散熱通道散發，除此之外，還有一部分通過底填材料散發至封裝基板上，再由基板散發至外界。

倒裝焊芯片封裝解構

來源：SEMI.《2020年中國半導體報告》

1、導熱界面材料

芯片內部的導熱界面材料（以TIM1表示）主要是用于芯片管芯與芯片封裝外殼之間的永久性連接，使芯片產生的熱量得以有效散發至外界。相比于芯片封裝外部的導熱材料（TIM2），TIM1除了應當具備低粘合層厚度、高柔韌性、高導熱系數、低接觸熱阻等基礎性能，還需要具備電氣絕緣性，以防止電路短路。另外，由于硅芯片與封裝外殼的熱膨脹系數有顯著差異，再加上倒裝芯片組裝工藝包括數個固化工藝步驟和溫度循環過程，所以，作為這兩者之間的中間層，TIM1的熱膨脹系數也是一個重要參數。而芯片外部用于連接封裝外殼與散熱器的TIM2材料作為可分離界面，一般沒有電絕緣性能要求。

電子元件封裝示意圖和熱界面材料作用機制

（來源：佟輝,臧麗坤,徐菊.導熱絕緣材料在電力電子器件封裝中的應用[J].絕緣材料.）

市場上常見熱界面材料包括導熱硅脂、導熱凝膠、導熱膠、導熱墊片、導熱相變材料、低熔點焊料、液態金屬材料等，而目前芯片中所使用的頂部填充大多數為硅脂，其優點在于流變性能好、使用簡便，只要將其涂膜在裸芯片的頂部，并且安置上封裝外殼即可，但由于其導熱性能較為一般，且屬于液態相TIM，不具備壓縮性，在實際操作過程中，易產生泵出效應，對封裝的可靠性產生負面影響。因此在一些高端 PC 的 CPU 中更傾向于使用具備優異的導熱性能、良好的可壓縮性和力學可靠性的導熱凝膠或具有良好傳熱性能的相變材料等作為頂部連接材料。

常見TIM類型和典型特性

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2、底填材料

在倒裝芯片逐步擴大的趨勢下，芯片內部底填材料的應用也在逐步增多。底填材料一般填充于集成電路芯片（Die）與芯片封裝基板（Substrate）之間，用于緩解芯片與基板之間因熱膨脹系數差異所造成的熱應力失配，提高器件結構強度和可靠性，增強芯片和基板間的抗跌落性能，同時將部分熱量傳遞到封裝基板上。因此理想高性能底部填充材料應同時具有高導熱系數、高電阻率、低黏度、適當的熱膨脹系數、高玻璃化轉變溫度、低介電常數和低的介電損耗因子。

底填材料填充示意（來源：半導體全解）

目前底填材料通常是采用具有熱固性的環氧樹脂基材料為基體，并為了保證具有高熱導率，還填充了大量的導熱無機填料（如二氧化硅，氮化硼和氧化鋁等）。但無機填料的存在增加了底填材料的黏度，使得填充時間更長，難以消除流動過程中內部的空隙，導致應力集中而失效。因此，生產具有組合熱-電-機械性能，特別是高導熱系數和低黏度的底填材料仍是一種迫切的需要和挑戰。

理想的底填材料以及目前市面上底填材料的性能

3、封裝基板

常用電子封裝基板主要可分為高分子基板、金屬基板和陶瓷基板幾類。對于大功率芯片而言，封裝基板的作用除了連接電路、為芯片提供一定的機械支撐除外，還要求具有較高的導熱、耐熱、絕緣與熱匹配性能。因此，高分子基板 (如 PCB) 和金屬基板 (如 MCPCB) 使用受到很大限制，而陶瓷材料本身具有熱導率高、耐熱性好、高絕緣、高強度、與芯片材料熱匹配等性能，非常適合作為大功率芯片的封裝基板。

氮化鋁基板（來源：MARUWACO., LTD）

目前，常用電子封裝陶瓷基片材料包括氧化鋁 (Al2O3)、氮化鋁 (AlN)、氮化硅 (Si3N4 )等：

·氧化鋁：最成熟的陶瓷基板材料，機械強度大、絕緣、耐高溫、穩定性好、高性價比以及對熱沖擊作用的良好抵抗性，但理論熱導率與實際熱導率都偏低，要提高基板產品質量，重視原料Al2O3粉體的品質以及性能指標。

·氮化鋁：具有高導熱性、尺寸穩定性、耐高溫性和優良的絕緣性能，符合目前大功率芯片的散熱要求，但脆性較大，加工難度大。

·氮化硅：具有高強度、高硬度、高電阻率、良好的抗熱震性、低介電損耗和低膨脹系數等特點，雖熱導率理論值最高可達320W/(m·K)，但在基板實際生產過程中，制備工藝復雜，制備出的基板實際熱導率也偏低，在一定程度上限制了其在大功率芯片封裝中的應用。

常見陶瓷基板性能

小結

隨著AI技術的崛起和是第五代移動通信(5G)技術商用化的到來，芯片的散熱需求急劇增加，芯片內部導熱封裝材料也呈現出一系列新的挑戰，如導熱硅脂易發生泵出效應、導熱相變材料易泄露、底填材料難以滿足高導熱和低粘度需求、高導熱陶瓷基板加工難度大等，因此未來芯片內部導熱材料仍需要進一步的迭代優化以滿足高通量散熱和高可靠性的需求。

參考來源：

1、楊宇軍,李逵,石鈺林等.微電子封裝熱界面材料研究綜述[J/OL].微電子學與計算機.

2、李銀樂,孫朝寧,龐超等.導熱環氧樹脂基底部填充材料的研究進展[J].中國膠粘劑.

3、《算力需求快速提升，導熱材料需求放量》.中信證券

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