在算力需求爆炸式增长的今天，芯片内部集成的晶体管数量已达到千亿级别，随之而来的散热问题日益严峻。尤其当芯片功率密度突破2.5W/mm²，传统风冷技术已无法满足散热需求。 

 先进封装技术中的散热材料，不再仅仅是辅助组件，而是直接决定了芯片性能释放与可靠性的关键因素。

01 AI需求驱动散热方案升级   

根据Canalys预测，兼容AI的个人电脑将从2025年开始快速普及，预计至2027年约占所有个人电脑出货量的60%，AI有望提振消费者需求。2023年10月，高通正式发布骁龙8Gen 3处理器，该处理器将会成为2024年安卓旗舰的标配处理器，包含一个基于ArmCortex-X4技术的主处理器核心，Cortex-X4超大核是Arm迄今最强悍的CPU核心，同X3相比，X4的整数功率从4.1W暴涨至5.7W。

 在高性能AI处理器的加持以及消费者需求下，消费电子终端产品持续向高集成、轻薄化方向发展的大趋势下，芯片和元器件体积不断缩小，功率密度却在快速增加，消费电子产品的散热方案需要不断升级。 

 随着半导体技术进入后摩尔时代，新一代高性能计算芯片正在以封装为起点重新定义算力边界。先进封装通过异质整合、2.5D/3D堆叠等方式提升系统性能，但这些技术也带来了前所未有的散热挑战。与传统封装相比，当前的多芯片集成、高密度互联结构带来了更多接触界面，而每一层界面在导热性、润湿性与可靠性方面的表现，都直接决定了封装热路径的效率。

 02 先进封装散热材料有哪些？   

 应对先进封装散热挑战，需要从芯片到封装系统的全方位热管理解决方案，而散热材料在其中扮演了关键角色。

多种封装材料决定了芯片散热性能的优劣，如固晶胶/膜、底部填充料（Underfill）、热界面材料（TIM）、均热片及散热器等。与此同时，封装材料市场规模将随着高散热性能需求进一步提升，封装材料成本通常会占到整体封装成本的40%～60%。根据SEMI，2022年全球半导体封装材料销售额为261亿美元，预计到2027年将增长至298亿美元， CAGR+2.7%。

具体来看，其中，固晶胶/膜等封装黏接材料的主要职责是将载体与芯片或芯片之间进行黏合，但同时因其热膨胀系数最好接近芯片和芯片载体，以减小芯片黏接导致的热应力，而且具有优良的导热系数，可以有效地将芯片所产生的热传递到组装材料以利于散热；底部填充料（Underfill） 在先进封装中用于缓解芯片结构之间热膨胀系数不匹配产生的内应力，以提高芯片的热循环可靠性；热界面材料（TIM）可以直接改善两个表面之间的散热性能；散热器则需将发热设备所传导的热量再传导至空气等物质。

2.1 封装黏接材料

接材料的基本功能可以被概述为将集成电路芯片键合在芯片载体上，或是芯片与芯片之间的堆叠及黏接。传统的芯片黏接材料按其方法的不同可被分为黏接法、焊接法以及低温封接玻璃法。

黏接法是指用高分子树脂把芯片黏到焊盘上，使两者实现连接。因为环氧树脂属于稳定的高分子聚合物，所以大多数的树脂黏接剂采用环氧树脂作为主体材料分为固晶胶和固晶胶膜。

固晶胶，又称固晶胶粘合剂（DieAttachPaste，DAP），其根据是否拥有导电需求，可被分为导电胶与绝缘胶。虽然固晶胶具有工艺温度低、成本低、热应力低、易返修等优点，但同时也存在材料的热稳定性差，需要高温固化且工艺时间长，同时在工艺流程中可能会发生树脂泄漏等问题。随着下游客户对芯片封装的要求更加严苛，固晶胶已无法满足现今大部分的使用场景，固晶胶逐渐升级成固晶胶膜。

固晶胶膜（DieAttachFilm，DAF）是一种超薄型薄膜黏接材料，其主要成分也是树脂，但与导电胶不同，其以胶膜的形式应用于芯片粘贴。DAF相比DAP拥有时间、成本以及性能上的全面优势。固晶胶膜相比固晶胶拥有时间、成本以及性能上的全面优势，其解决了固晶胶的均匀性问题，同时省去了切割后的涂胶环节，大幅度缩减了工艺流程的时间成本。

2.2 底部填充料

底部填充料是集成电路倒装芯片封装的关键材料之一，在先进封装中用于包括缓解芯片、互连材料(焊球)和基板三者的热膨胀系数不匹配产生的内应力，分散芯片正面承载的应力，同时保护焊球、提高芯片的抗跌落性、热循环可靠性，在高功率器件中还能传递芯片间的热量。

从使用场景来看，底部填充胶分为三种，一是倒装芯片底部填充胶，用于芯片与封装基板互连凸点之间间隙的填充，精度一般为微米级。二是（焊）球栅阵列底部填充胶，用于封装基板与PCB印制电路板之间互连焊球间的填充，间隙精度为毫米级，对底部填充胶要求相对较低。三则是用于晶圆级封装。其中，倒装芯片用市场占比最大。 

 2030年Underfill市场规模将达15.8亿美元。受手机、电脑等便携式电子产品朝小型化、微型化、薄型化方向逐步发展，CSP/BGA市场的普及率不断上涨促使相关封装工艺要求不断提升，同时AI应用蓬勃发展，促进先进封装需求高速提升，底部填充胶作为一类重要的封装电子胶黏剂，市场需求得以持续增长，在CoWoS等2.5D先进封装中，需要至少两次Underfill点胶工艺。据GII数据，2022年全球底部填充材料市场为9.4亿美元，预计2023年为9.8亿美元，往后看2030年有望增长至15.8亿美元，CARG达6.77%。当前市场主要由德国汉高、日本昭和电工、信越等公司占据主要份额，国内厂商不断加速， 突破海外垄断，实现国产替代。 

 2.3 热界面材料 

 热界面材料 (Thermal Interface Materials, TIM) 可改善两个表面之间的传热。电子设备的性能不断提高，但它们消耗更多的电量并产生更多的热量。如果热量无法有效散发，设备的性能就会受到影响。

TIM1 型材料被用作第一道防线。TIM1材料通常放置在半导体封装内，位于发热芯片/管芯和散热金属盖之间，与两者接触以实现更直接的散热。TIM2材料作为第二道防线，通常放置在半导体封装的外部和散热器之间。从技术角度来看， 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。  

 目前导热界面材料主要有四类： 

 (1)导热灌封胶：用于模块的整体封装； 

 (2)导热硅脂(导热膏)：具有一定流动性或呈黏稠状的膏状物，用于填充微小间隙，比如将膏体涂覆在CPU和散热器之间，发热堆和壳体之间，将空气挤压出去，形成散热通道； 

 (3)导热胶垫：是一种柔性可压缩的弹性材料，在施加一定压力的情况下，能很好地顺应接触不规则的表面，填补固体间的空隙，而又不会对元器件造成污染； 

 (4)导热相变材料：在常温时处于固态，在吸收功率器件热量后，达到一定温度才融化为液态，因此可以很好地浸润固体界面，从而减少热阻，它既能吸收热量，又有良好的传热性，综合了导热硅脂和导热胶垫的优势，既解决了硅脂涂抹操作难的问题，也解决了导热胶垫因为厚度和界面热阻带来的导热效果的问题。 

 2.4 均热片 

 均热片（Heat Spreader）是一种半导体器件的热辐射底板，用于器件的有效散热和热应力的减少。因此，均热片需要以下几点特性:   (1) 较高的热导率 (TC)； (2) 与器件材料之间最佳的热膨胀系数 (CTE) ；(3) 与半导体芯片以及焊料之间的良好粘结性。  

 均热片应用广泛，涵盖多个终端应用领域。均热片作为半导体器件封装中的重要材料，其形状与大小也根据元器件的需求进行调整，均热片的应用领域涵盖 了消费电子、服务器、汽车电子及通讯等多个应用领域。

 均热片材料决定了散热性能。均热片在芯片散热领域中属于“被动性散热组件”，将导热性佳的金属贴附于发热表面，以复合的热交换模式来散热。均热片主要与在其与已封装的芯片之间的TIM2配合进行散热，其本身并不能为器件降温，只是将热量传递到另一个物体上，让热量安全地从器件上散发出去，因此制造均热片的材料决定了均热片的热导率以及线性热膨胀系数。均热片材料包括铜钨、铜钼、铜金刚石、银金刚石、铝碳化硅、CVD钻石等不同材料。每种材料都具有独特的特性，可与不同种类的半导体相辅相成，用于不同的应用领域。

 随着高性能计算对散热性能愈来愈高，均热片作为芯片散热解决方案最核心的组成部分，对其性能的要求也更加严苛，产品的性能溢价有望进一步提升。 

 2.5 散热器 

 散热器（Heat Sink）与均热片的作用基本相同。其作为被动散热器件用于将器件产生的热量转移到流体介质（通常为空气或液体冷却剂）中，然后将热量从设备中散发出去，从而将设备的温度控制在最佳水平。

散热器与均热片不同，通常由排列成梳状的金属部件组成，梳状的部分也被称为散热片，其增加了表面面积，从而提高了散热性能，往往散热器会与风扇或泵结合，以提供强制循环以及主动散热的作用，以提高冷却效率。

 03 先进封装散热材料创新   

 先进封装散热材料的创新，正随着芯片算力与功耗的飙升，当前的研发焦点已从单一追求高导热率，转向兼顾绝缘、界面结合、工艺适配等综合性能的提升，涌现出金刚石、碳化硅以及通过分子设计优化的高分子复合材料等多种新兴解决方案。 

 3.1 碳化硅 

 碳化硅因其卓越的导热性能正在半导体领域引发双重革命。它不仅是第三代半导体核心材料，更成为先进封装散热的新选择。碳化硅热导率高达500W/mK，是硅材料的3倍以上，且热膨胀系数与芯片材料高度契合。这一特性使其成为解决高功率芯片散热瓶颈的理想材料。 

 华为近期公布的两项专利，均涉及以碳化硅为填料的导热组合物，应用领域覆盖电子元器件的散热和封装芯片。 

 据悉，英伟达在其新一代Rubin处理器设计中，将CoWoS先进封装的中间基板材料从硅更换为碳化硅。这一转变带来的效益显著。采用碳化硅中介层后，可使GPU芯片的结温降低20℃-30℃，散热成本降低30%，有效防止芯片因过热降频。 

 天岳先进、三安光电等国内企业已在碳化硅散热部件领域展开布局。天岳先进除供应应用于功率器件、射频器件的碳化硅衬底材料外，还广泛布局了散热部件等新兴领域的碳化硅产品。 

 3.2 金刚石基材料 

 在众多散热材料中，金刚石凭借其无与伦比的导热性能被视为终极解决方案。金刚石的热导率超过2000W/m·K，是铜的5倍以上。除了直接作为热沉片，金刚石还可以与铜等金属复合，形成兼具高导热和低膨胀系数的复合材料，或作为先进的封装载板。 

 将芯片直接集成在金刚石衬底上，能大幅降低“近结热阻”和“结温”，如同给芯片核心贴了“超导冰袋”。这一方案一直被寄予厚望，尤其是针对碳化硅、氮化镓等第三代半导体芯片的高热流密度问题。 

 金刚石薄膜的翘曲问题一直是制约其实际应用的主要障碍。金刚石与衬底间的本征热膨胀系数差异及工艺适配性问题，导致剥离衬底后的金刚石薄膜翘曲严重。中国科学院宁波材料所科研团队近期在这一领域取得重要突破，成功制备出4英寸超薄超平金刚石自支撑薄膜。 

 该薄膜厚度小于100μm，翘曲度稳定控制在10μm以内，比常规工艺制备的金刚石薄膜降低一个数量级。这种超低翘曲度赋予金刚石薄膜超乎寻常的平坦特性，使其能在无外力作用下自发贴附于玻璃基板，展现出独特的“自吸附”现象。这一突破为金刚石在芯片热管理领域的应用扫清了关键障碍，尤其在AI、射频等高功率芯片领域具有广阔前景。 

 此外，华为联合厦门大学团队，率先实现将多晶金刚石衬底集成于先进玻璃转接板背面封装结构中。这一低温键合技术攻克了金刚石在高温热处理中易碎裂、应力失配大的问题，同时与玻璃转接板形成热、电、力多维兼容接口。 

 3.3 高分子复合材料 

 高分子复合材料通过在绝缘的高分子基体中添加高导热填料，实现了导热与绝缘的平衡，打破传统聚合物材料的性能局限，非常适合高频通信等场景。

 西安建筑科技大学王争东团队创新性地提出“分子有序设计”策略，研制出兼具超高导热与卓越绝缘性能的新型环氧灌封材料。该团队选用有机分子作为“模板”，诱导环氧树脂体系形成高度有序的分子结构。

这种结构如同为热量传递修建了“高速路”，显著提升了导热率；同时，致密的分子堆叠与深能级陷阱能有效“束缚”高能电子。仅在联苯环氧单体中添加0.4 wt.% 的萘甲酸酐，室温下介电击穿强度即提升11.3%。更值得关注的是，其200℃高温下的介电击穿强度仅比室温时下降13.6%。

广东工业大学则通过石墨烯掺杂突破了聚四氟乙烯材料的局限。该校研发的高频-导热一体化石墨烯掺杂聚四氟乙烯材料能同时满足芯片的高频绝缘与高效散热要求。该材料已被多家通信设备制造、高端芯片封装等行业龙头企业的严格认证，合作订单超过1.4亿元。 

 3.4 散热模组与系统级创新 

 散热技术的进步并不仅仅依赖于材料本身，封装结构的创新同样至关重要。 

 •  SK海力士开发出业界首款采用“High-K EMC”材料的高效散热移动DRAM产品。该材料热导率与传统材料相比提高到3.5倍，从而将热量垂直传导路径的热阻降低了47%。

 • 单相浸没式冷却液作为工研院材化所的研发成果，代表了未来高效散热的新方向。

 •  联想集团则推出了“双循环”相变浸没制冷系统，能为用户提供更绿色的算力。

 •  山东大学团队开发的新型吸波-导热一体化材料——Ti3C2Tx@BNNB纳米纤维膜，热导率达5.23 W/(m·K)，同时具备优异的微波吸收性能。为高功率芯片封装的热管理与电磁兼容提供了新方案，从碳化硅中介层到金刚石自支撑薄膜，从分子有序设计的高分子复合材料到系统级散热模组，各种创新方案正共同构筑起应对芯片“热危机”的多重防线。

 散热材料的创新已不再是单纯的导热系数竞赛。随着芯片功率密度持续攀升，谁能率先打通“材料-器件-封装”全产业链，谁就能在未来的高热流密度芯片时代掌握主导权。

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