芯片功耗提升,散熱重要性凸顯

1，芯片性能提升催生散熱需求，封裝材料市場(chǎng)穩(wěn)健增長(zhǎng)

AI 需求驅(qū)動(dòng)硬件高散熱需求。根據(jù)Canalys預(yù)測(cè)，兼容AI的個(gè)人電腦將從 2025 年開始快速普及，預(yù)計(jì)至2027年約占所有個(gè)人電腦出貨量的60%,AI有望 提振消費(fèi)者需求。2023年10月，高通正式發(fā)布驍龍8 Gen 3處理器，該處理器 將會(huì)成為2024年安卓旗艦的標(biāo)配處理器，包含一個(gè)基于Arm Cortex-X4技術(shù)的 主處理器核心，Cortex-X4超大核是Arm迄今最強(qiáng)悍的CPU核心，同X3相比， X4 的整數(shù)功率從4.1W暴漲至5.7W。在高性能AI處理器的加持以及消費(fèi)者需求 下，消費(fèi)電子終端產(chǎn)品持續(xù)向高集成、輕薄化方向發(fā)展的大趨勢(shì)下，芯片和元 器件體積不斷縮小，功率密度卻在快速增加，消費(fèi)電子產(chǎn)品的散熱方案需要不 斷升級(jí)。

圖表1:高通驍龍8歷代芯片功耗對(duì)比

多個(gè)環(huán)節(jié)決定了芯片的散熱性能。其中，固晶膠/膜等封裝黏接材料的主要職責(zé) 是將載體與芯片或芯片之間進(jìn)行黏合，但同時(shí)因其熱膨脹系數(shù)最好接近芯片和 芯片載體，以減小芯片黏接導(dǎo)致的熱應(yīng)力，而且具有優(yōu)良的導(dǎo)熱系數(shù)，可以有 效地將芯片所產(chǎn)生的熱傳遞到組裝材料以利于散熱；底部填充料（Underfill） 在先進(jìn)封裝中用于緩解芯片結(jié)構(gòu)之間熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，以提高 芯片的熱循環(huán)可靠性；熱界面材料（TIM）可以直接改善兩個(gè)表面之間的散熱性 能；散熱器則需將發(fā)熱設(shè)備所傳導(dǎo)的熱量再傳導(dǎo)至空氣等物質(zhì)。

封裝材料市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)健增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2027年達(dá)298億元。集成電路封裝產(chǎn)品中所 使用具體材料的種類及其價(jià)格按照封裝形式和產(chǎn)品種類的不同存在較大差異， 但封裝材料成本通常會(huì)占到整體封裝成本的40%～60%。根據(jù)SEMI，2022年全球 半導(dǎo)體封裝材料銷售額為261億美元，預(yù)計(jì)到2027年將增長(zhǎng)至298億美元， CAGR+2.7%。

黏接材料：由DAP向DAF升級(jí) 黏接材料的基本功能可以被概述為將集成電路芯片鍵合在芯片載體上，或是芯 片與芯片之間的堆疊及黏接。傳統(tǒng)的芯片黏接材料按其方法的不同可被分為黏 接法、焊接法以及低溫封接玻璃法。

黏接法是指用高分子樹脂把芯片黏到焊盤上，使兩者實(shí)現(xiàn)連接。因?yàn)榄h(huán)氧樹脂 屬于穩(wěn)定的高分子聚合物，所以大多數(shù)的樹脂黏接劑采用環(huán)氧樹脂作為主體材 料分為固晶膠和固晶膠膜。

固晶膠向固晶膠膜升級(jí)，以應(yīng)對(duì)芯片尺寸減小及高集成度需求。固晶膠作 為一種封裝黏接材料，對(duì)芯片的有效散熱也有重要作用。但受制于固晶膠均 勻性差、容易有樹脂泄漏等缺點(diǎn)，隨著芯片尺寸的減小，芯片在鍵合時(shí)的均 勻性對(duì)其缺陷率的影響也不斷放大，固晶膠逐漸升級(jí)成固晶膠膜。固晶膠膜 相比固晶膠擁有時(shí)間、成本以及性能上的全面優(yōu)勢(shì)，其解決了固晶膠的均勻 性問題，同時(shí)省去了切割后的涂膠環(huán)節(jié)，大幅度縮減了工藝流程的時(shí)間成 本。

2，封裝散熱材料是芯片熱量轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵材料。散熱材料可被分為：熱界面材料，均熱片和散熱器。

1) 熱界面材料（TIMs）：

熱界面材料(Thermal Interface Materials, TIM) 可改善兩個(gè)表面之間的傳 熱。電子設(shè)備的性能不斷提高，但它們消耗更多的電量并產(chǎn)生更多的熱量。如 果熱量無(wú)法有效散發(fā)，設(shè)備的性能就會(huì)受到影響。TIM1 型材料被用作第一道防線。TIM1材料通常放置在半導(dǎo)體封裝內(nèi)，位于發(fā)熱 芯片/管芯和散熱金屬蓋之間，與兩者接觸以實(shí)現(xiàn)更直接的散熱。TIM2材料作為 第二道防線，通常放置在半導(dǎo)體封裝的外部和散熱器之間。從技術(shù)角度來(lái)看， TIM1 的可靠性和性能要求比TIM2高得多，需要更高性能的填料和配方。

目前導(dǎo)熱界面材料主要有四類：

(1)導(dǎo)熱灌封膠：用于模塊的整體封裝；

(2)導(dǎo)熱硅脂(導(dǎo)熱膏)：具有一定流動(dòng)性或呈黏稠狀的膏狀物，用于填充微小間 隙，比如將膏體涂覆在CPU和散熱器之間，發(fā)熱堆和殼體之間，將空氣擠壓出 去，形成散熱通道；

(3)導(dǎo)熱膠墊：是一種柔性可壓縮的彈性材料，在施加一定壓力的情況下，能很 好地順應(yīng)接觸不規(guī)則的表面，填補(bǔ)固體間的空隙，而又不會(huì)對(duì)元器件造成污 染，用于電子電器產(chǎn)品的控制主板、LED散熱、電機(jī)內(nèi)外部墊腳、鋰電池熱管理 等；

(4)導(dǎo)熱相變材料：在常溫時(shí)處于固態(tài)，在吸收功率器件熱量后，達(dá)到一定溫度 才融化為液態(tài)，因此可以很好地浸潤(rùn)固體界面，從而減少熱阻，它既能吸收熱 量，又有良好的傳熱性，綜合了導(dǎo)熱硅脂和導(dǎo)熱膠墊的優(yōu)勢(shì)，既解決了硅脂涂 抹操作難的問題，也解決了導(dǎo)熱膠墊因?yàn)楹穸群徒缑鏌嶙鑾?lái)的導(dǎo)熱效果的問 題。

流動(dòng)態(tài)導(dǎo)熱油脂占據(jù)最大市場(chǎng)份額。熱界面材料市場(chǎng)規(guī)模方面，流動(dòng)態(tài)的導(dǎo)熱 油脂用作導(dǎo)熱材料，有利于使用過(guò)程中的自動(dòng)化，并且其熱阻很小，是當(dāng)前市 場(chǎng)份額最大的導(dǎo)熱界面材料，2020年其市場(chǎng)規(guī)模達(dá)3.6億美元，膠膜和膠帶緊 隨其后，市場(chǎng)規(guī)模為3.2億美元，其余熱化合物、金屬基等材料運(yùn)用相對(duì)較小。

TIM1 材料必須能夠承受從-40°C到150°C的極端溫度循環(huán)，而溫度循環(huán)TIM2 材料的功能上限通常更接近120°C。雖然這30°C的溫度上限差異可能看起來(lái) 并不多，但它顯著降低了配方要求，允許在基礎(chǔ)材料和填料選擇方面有更多的 可變性，如某些環(huán)氧樹脂或其他熱塑性材料，否則可能會(huì)成為TIM1應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng) 者，不能承受150°C的溫度而不硬化和分層，導(dǎo)致熱故障。出于這個(gè)原因，大 多數(shù)TIM1材料是基于有機(jī)硅的化學(xué)物質(zhì)，以滿足150°C的上限，還必須利用 表面處理功能化的導(dǎo)熱填料顆粒，以忍受極端溫度隨著時(shí)間的推移，而不會(huì)變 脆，改變其凝膠狀的特性，并誘導(dǎo)由于高熱膨脹系數(shù)不匹配的機(jī)械應(yīng)力。

2) 均熱片：

均熱片（Heat Spreader）是一種半導(dǎo)體器件的熱輻射底板，用于器件的有效散 熱和熱應(yīng)力的減少。因此，均熱片需要以下幾點(diǎn)特性: (1) 較高的熱導(dǎo)率 (TC) (2) 與器件材料之間最佳的熱膨脹系數(shù) (CTE) (3) 與半導(dǎo)體芯片以及焊料之間的良好粘結(jié)性。

均熱片應(yīng)用廣泛，涵蓋多個(gè)終端應(yīng)用領(lǐng)域。均熱片作為半導(dǎo)體器件封裝中的重 要材料，其形狀與大小也根據(jù)元器件的需求進(jìn)行調(diào)整，均熱片的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋 了消費(fèi)電子、服務(wù)器、汽車電子及通訊等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

均熱片材料決定了散熱性能。均熱片在芯片散熱領(lǐng)域中屬于“被動(dòng)性散熱組 件”，將導(dǎo)熱性佳的金屬貼附于發(fā)熱表面，以復(fù)合的熱交換模式來(lái)散熱。均熱片 主要與在其與已封裝的芯片之間的TIM II 配合進(jìn)行散熱，其本身并不能為器件 降溫，只是將熱量傳遞到另一個(gè)物體上，讓熱量安全地從器件上散發(fā)出去，因 此制造均熱片的材料決定了均熱片的熱導(dǎo)率以及線性熱膨脹系數(shù)。均熱片材料包括銅鎢、銅鉬、銅金剛石、銀金剛石、鋁碳化硅、CVD鉆石等不同 材料。每種材料都具有獨(dú)特的特性，可與不同種類的半導(dǎo)體相輔相成，用于不 同的應(yīng)用領(lǐng)域。

隨著高性能計(jì)算對(duì)散熱性能愈來(lái)愈高，均熱片作為芯片散 熱解決方案最核心的組成部分，對(duì)其性能的要求也更加嚴(yán)苛，產(chǎn)品的性能溢 價(jià)有望進(jìn)一步提升。

3) 散熱器：散熱器（Heat Sink）與均熱片的作用基本相同。其作為被動(dòng)散熱器件用于將器 件產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到流體介質(zhì)（通常為空氣或液體冷卻劑）中，然后將熱量從 設(shè)備中散發(fā)出去，從而將設(shè)備的溫度控制在最佳水平。散熱器與均熱片不同，通常由排列成梳狀的金屬部件組成，梳狀的部分也被稱 為散熱片，其增加了表面面積，從而提高了散熱性能，往往散熱器會(huì)與風(fēng)扇或 泵結(jié)合，以提供強(qiáng)制循環(huán)以及主動(dòng)散熱的作用，以提高冷卻效率。

底部填充料是倒裝的關(guān)鍵材料之一，在先進(jìn)封裝中用于包括緩解熱膨脹系 數(shù)不匹配產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，分散芯片正面承載的應(yīng)力，保護(hù)焊球、傳遞芯片間 的熱量等作用。受AI應(yīng)用蓬勃發(fā)展及手機(jī)、電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品小型化驅(qū) 動(dòng)，底部填充膠市場(chǎng)2030年有望增長(zhǎng)至15.8億美元，當(dāng)前市場(chǎng)主要由德 國(guó)漢高、日本昭和電工、信越等公司占據(jù)主要份額，國(guó)內(nèi)科技不斷加速， 突破海外壟斷，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。

新的應(yīng)用程序?qū)映霾桓F，也是導(dǎo)致芯片越來(lái)越熱的原因之一。新的應(yīng)用架構(gòu)、算法和功能需要更多的處理能力和運(yùn)存，也意味著需要更強(qiáng)大和高效的芯片和操作系統(tǒng)的支持。高效的芯片要求芯片擁有更高的時(shí)鐘頻率和更高的運(yùn)行速度，更多的性能意味著更高的功率。很多應(yīng)用程序需要在多個(gè)線程之間交織運(yùn)行，這就需要同時(shí)依附很多資源，而這些資源都需要芯片持續(xù)地為其供電，最終導(dǎo)致芯片溫度極高。