隨著AI智能時(shí)代的來(lái)臨，芯片的算力需求增長(zhǎng)顛覆想象，以O(shè)penAI推出的chatGPT為例，GPT-2版本只有1.5億個(gè)參數(shù)，發(fā)展到chatGPT-3版本后，參數(shù)已經(jīng)達(dá)到了1750億個(gè)，為了滿足其大幅增長(zhǎng)的算力需求，OpenAI使用超過(guò)285000 個(gè)CPU核心和10000多個(gè)GPU來(lái)訓(xùn)練模型。面對(duì)這種龐大的算力集群，芯片需要在較小范圍內(nèi)進(jìn)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(guān)的導(dǎo)熱、散熱以及封裝材料需求有望持續(xù)放量，但相關(guān)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(yīng)用的導(dǎo)熱材料以及其應(yīng)用現(xiàn)狀、當(dāng)前存在挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，為相關(guān)從業(yè)人員提供些許參考。

傳統(tǒng)的芯片片封裝工藝采用單科芯片通過(guò)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(lián)密度及電性。在這種封裝內(nèi)，芯片內(nèi)部的導(dǎo)熱材料主要有導(dǎo)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(guò)“芯片--導(dǎo)熱界面材料（TIM）--封裝-導(dǎo)熱界面材料（TIM）--散熱器”的散熱通道散發(fā)，除此之外，還有一部分通過(guò)底填材料散發(fā)至封裝基板上，再由基板散發(fā)至外界。

倒裝焊芯片封裝解構(gòu)

來(lái)源：SEMI.《2020年中國(guó)半導(dǎo)體報(bào)告》

1、導(dǎo)熱界面材料

芯片內(nèi)部的導(dǎo)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(chǎn)生的熱量得以有效散發(fā)至外界。相比于芯片封裝外部的導(dǎo)熱材料（TIM2），TIM1除了應(yīng)當(dāng)具備低粘合層厚度、高柔韌性、高導(dǎo)熱系數(shù)、低接觸熱阻等基礎(chǔ)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(shù)有顯著差異，再加上倒裝芯片組裝工藝包括數(shù)個(gè)固化工藝步驟和溫度循環(huán)過(guò)程，所以，作為這兩者之間的中間層，TIM1的熱膨脹系數(shù)也是一個(gè)重要參數(shù)。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(méi)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(jī)制

（來(lái)源：佟輝,臧麗坤,徐菊.導(dǎo)熱絕緣材料在電力電子器件封裝中的應(yīng)用[J].絕緣材料.）

市場(chǎng)上常見(jiàn)熱界面材料包括導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱相變材料、低熔點(diǎn)焊料、液態(tài)金屬材料等，而目前芯片中所使用的頂部填充大多數(shù)為硅脂，其優(yōu)點(diǎn)在于流變性能好、使用簡(jiǎn)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(dǎo)熱性能較為一般，且屬于液態(tài)相TIM，不具備壓縮性，在實(shí)際操作過(guò)程中，易產(chǎn)生泵出效應(yīng)，對(duì)封裝的可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。因此在一些高端 PC 的 CPU 中更傾向于使用具備優(yōu)異的導(dǎo)熱性能、良好的可壓縮性和力學(xué)可靠性的導(dǎo)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(jiàn)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(kuò)大的趨勢(shì)下，芯片內(nèi)部底填材料的應(yīng)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(shù)差異所造成的熱應(yīng)力失配，提高器件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性，增強(qiáng)芯片和基板間的抗跌落性能，同時(shí)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(yīng)同時(shí)具有高導(dǎo)熱系數(shù)、高電阻率、低黏度、適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)、高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、低介電常數(shù)和低的介電損耗因子。

底填材料填充示意（來(lái)源：半導(dǎo)體全解）

目前底填材料通常是采用具有熱固性的環(huán)氧樹(shù)脂基材料為基體，并為了保證具有高熱導(dǎo)率，還填充了大量的導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料（如二氧化硅，氮化硼和氧化鋁等）。但無(wú)機(jī)填料的存在增加了底填材料的黏度，使得填充時(shí)間更長(zhǎng)，難以消除流動(dòng)過(guò)程中內(nèi)部的空隙，導(dǎo)致應(yīng)力集中而失效。因此，生產(chǎn)具有組合熱-電-機(jī)械性能，特別是高導(dǎo)熱系數(shù)和低黏度的底填材料仍是一種迫切的需要和挑戰(zhàn)。

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(duì)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(jī)械支撐除外，還要求具有較高的導(dǎo)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(dǎo)率高、耐熱性好、高絕緣、高強(qiáng)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(lái)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(jī)械強(qiáng)度大、絕緣、耐高溫、穩(wěn)定性好、高性價(jià)比以及對(duì)熱沖擊作用的良好抵抗性，但理論熱導(dǎo)率與實(shí)際熱導(dǎo)率都偏低，要提高基板產(chǎn)品質(zhì)量，重視原料Al2O3粉體的品質(zhì)以及性能指標(biāo)。

·氮化鋁：具有高導(dǎo)熱性、尺寸穩(wěn)定性、耐高溫性和優(yōu)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(qiáng)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(shù)等特點(diǎn)，雖熱導(dǎo)率理論值最高可達(dá)320W/(m·K)，但在基板實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，制備工藝復(fù)雜，制備出的基板實(shí)際熱導(dǎo)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(yīng)用。

常見(jiàn)陶瓷基板性能

小結(jié)

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

參考來(lái)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(xué)與計(jì)算機(jī).

2、李銀樂(lè),孫朝寧,龐超等.導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂基底部填充材料的研究進(jìn)展[J].中國(guó)膠粘劑.

3、《算力需求快速提升，導(dǎo)熱材料需求放量》.中信證券

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