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3D封裝與算力躍升下，熱管理材料成為芯片可靠性的關(guān)鍵閾值

 

文/半導(dǎo)體材料觀察員

（2025年6月27日，廣東新潤(rùn)豐鋅業(yè)）隨著臺(tái)積電2nm制程量產(chǎn)及Chiplet技術(shù)普及，AI芯片單位面積熱密度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2025年旗艦手機(jī)SoC峰值功耗已突破18W（較2022年提升80%），而散熱結(jié)構(gòu)厚度空間仍被壓縮在0.35mm以內(nèi)。

 

一、熱失控危機(jī)的技術(shù)根源

當(dāng)前芯片散熱面臨三重物理極限：

1. 導(dǎo)熱材料各向異性瓶頸

石墨烯膜X/Y軸導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)1500W/(m·K)，但Z軸導(dǎo)熱系數(shù)不足20W/(m·K)，導(dǎo)致垂直傳熱效率衰減；

2. 相變散熱效率天花板

VC均熱板在0.3mm厚度時(shí)熱阻＞0.15℃/W，相變工質(zhì)循環(huán)速率受限毛細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

3. 界面接觸熱阻累積效應(yīng)

芯片-TIM-封裝-TIM-散熱器的多層界面結(jié)構(gòu)，使總熱阻增加40%以上。

 

二、鋅基復(fù)合材料的突破路徑

通過材料基因工程+微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙軌創(chuàng)新：

[金屬基] 銅/鋁 → [碳基] 石墨烯 → [復(fù)合體系] 鋅基矩陣

核心技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：

1. 梯度化鋅合金骨架（實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）

Zn-Al-Mg-Si四元體系通過原子級(jí)成分梯度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)X/Y向 （實(shí)測(cè)值） 320W/(m·K)、Z向 （實(shí)測(cè)值） 105W/(m·K)的立體導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，較傳統(tǒng)合金Z向效率提升300%；

2. 自支撐微腔結(jié)構(gòu)（專利技術(shù)）

飛秒激光構(gòu)建30μm蜂窩狀微腔，內(nèi)填相變材料（熔點(diǎn)45℃），熱響應(yīng)速度實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)0.75秒，相變循環(huán)壽命＞10萬次；

3. 原子層防護(hù)層（量產(chǎn)工藝）

2nm級(jí)Al?O?/TiN復(fù)合屏障經(jīng)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試（1000h/85℃/85%RH），腐蝕速率≤0.003mm/年。

 

實(shí)驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)：

材料類型 厚度(mm) 15W熱源溫差(℃) 熱阻(℃/W)

傳統(tǒng)VC均熱板 0.30 21.3 0.142

鋅基復(fù)合材料 0.25 15.0 0.100

 

三、與芯片工藝的耦合驗(yàn)證

鋅基材料正向產(chǎn)業(yè)鏈上游延伸：

? 先進(jìn)封裝：Zn-Sn-Bi微焊料（熔點(diǎn)189℃）適配3nm芯片0.1mm凸點(diǎn)間距，剪切強(qiáng)度達(dá)45MPa；

? 晶圓級(jí)散熱：氧化鋅（ZnO）TIM材料在臺(tái)積電CoWoS封裝中實(shí)測(cè)熱阻＜0.05cm2·℃/W；

? 光電融合：ZnO透明電極（可見光透過率＞85%）應(yīng)用于屏下傳感器散熱層，溫升降低12℃。

 

四、產(chǎn)業(yè)化落地關(guān)鍵指標(biāo)

據(jù)Global Market Insights數(shù)據(jù)，2024-2030年先進(jìn)散熱材料市場(chǎng)CAGR為31.2%，鋅基材料滲透率將從3.8%升至17.5%。產(chǎn)業(yè)化里程碑：

? 2025Q3：0.25mm鋅基均熱板量產(chǎn)（良率≥92%）；

? 2026Q1：晶圓級(jí)TIM通過AEC-Q102車規(guī)認(rèn)證；

? 2027年：鋅基微焊料導(dǎo)入2.5D封裝產(chǎn)線。