3D封裝與算力躍升下，熱管理材料成為芯片可靠性的關鍵閾值

 

文/半導體材料觀察員

（2025年6月27日，廣東新潤豐鋅業）隨著臺積電2nm制程量產及Chiplet技術普及，AI芯片單位面積熱密度呈指數級增長。行業數據顯示，2025年旗艦手機SoC峰值功耗已突破18W（較2022年提升80%），而散熱結構厚度空間仍被壓縮在0.35mm以內。

 

一、熱失控危機的技術根源

當前芯片散熱面臨三重物理極限：

1. 導熱材料各向異性瓶頸

石墨烯膜X/Y軸導熱系數達1500W/(m·K)，但Z軸導熱系數不足20W/(m·K)，導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厚度時熱阻＞0.15℃/W，相變工質循環速率受限毛細結構設計；

3. 界面接觸熱阻累積效應

芯片-TIM-封裝-TIM-散熱器的多層界面結構，使總熱阻增加40%以上。

 

二、鋅基復合材料的突破路徑

通過材料基因工程+微納結構設計雙軌創新：

[金屬基] 銅/鋁 → [碳基] 石墨烯 → [復合體系] 鋅基矩陣

核心技術創新點：

1. 梯度化鋅合金骨架（實驗驗證）

Zn-Al-Mg-Si四元體系通過原子級成分梯度設計，實現X/Y向 （實測值） 320W/(m·K)、Z向 （實測值） 105W/(m·K)的立體導熱網絡，較傳統合金Z向效率提升300%；

2. 自支撐微腔結構（專利技術）

飛秒激光構建30μm蜂窩狀微腔，內填相變材料（熔點45℃），熱響應速度實驗室實測0.75秒，相變循環壽命＞10萬次；

3. 原子層防護層（量產工藝）

2nm級Al?O?/TiN復合屏障經JEDEC標準測試（1000h/85℃/85%RH），腐蝕速率≤0.003mm/年。

 

實驗對比數據：

材料類型 厚度(mm) 15W熱源溫差(℃) 熱阻(℃/W)

傳統VC均熱板 0.30 21.3 0.142

鋅基復合材料 0.25 15.0 0.100

 

三、與芯片工藝的耦合驗證

鋅基材料正向產業鏈上游延伸：

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

? 晶圓級散熱：氧化鋅（ZnO）TIM材料在臺積電CoWoS封裝中實測熱阻＜0.05cm2·℃/W；

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

 

四、產業化落地關鍵指標

據Global Market Insights數據，2024-2030年先進散熱材料市場CAGR為31.2%，鋅基材料滲透率將從3.8%升至17.5%。產業化里程碑：

? 2025Q3：0.25mm鋅基均熱板量產（良率≥92%）；

? 2026Q1：晶圓級TIM通過AEC-Q102車規認證；

? 2027年：鋅基微焊料導入2.5D封裝產線。