本文聚焦CoWoS-L芯片散热挑战，深入分析TIM材料及主要供应商，探讨TIM材料在先进封装领域的创新发展。随着高性能计算和人工智能应用的快速发展，GPU对封装技术的需求日益增长。台积电的CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）技术（包括三种结构CoWoS-S、CoWoS-R、CoWoS-L），作为一种先进的2.5D/3D混合封装方案，凭借其高密度互连和优异的散热性能，已成为主流选择。根据台积电的计划，CoWoS技术的产能预计将在2025年达到每月7.5万片晶圆，较2024年增长约150%。在此背景下，NVIDIA的H100、A100和B100等GPU采用了台积电的CoWoS技术，以满足高性能计算和AI应用对封装的严格要求。此外，NVIDIA计划将其GPU的封装技术从CoWoS-S转向CoWoS-L，以更好地满足其产品的性能需求。在CoWoS技术的三种封装结构——CoWoS-S、CoWoS-R和CoWoS-L中，每个部位的材料选择对于实现优越的性能至关重要。从硅中介层到重新布线层（RDL）以及局部硅互连，每种材料都在实现高密度I/O互连、优化散热和保证电气连接中发挥着重要作用。材料的合理选择直接影响散热效率、芯片稳定性和长期性能。因此，深入分析各个部位材料的功能和特点，对理解CoWoS封装技术的优势至关重要。本系列文章将抽丝剥茧、逐一解读。首先，作者通过对主流CoWoS三种结构中各部位材料的拆解图绘制，初步勾画出先进封装的整体轮廓。如图1所示，为CoWoS-R、S、L三种结构各部位材料画像。
CoWoS-S：采用硅中介层，提供高密度的I/O互连，适用于高性能计算和数据中心应用。
CoWoS-R：基于重新布线层（RDL）中介层，具有更大的设计灵活性，适用于中等性能需求的应用。
CoWoS-L：结合局部硅互连和RDL中介层，提供更高效的封装和连接，适用于复杂的系统集成。图1 CoWoS-R、S、L三种结构各部位材料拆解画像本文将重点介绍TIMs导热材料在先进封装中的应用与发展。首先，分析TIMs的种类及其特点，接着探讨TIMs的作用、工艺要求和性能参数。随后，分析国内外主要TIMs供应商及市场动态，最后关注下一代TIMs新材料——铝碳化硅和金刚石铜的创新与企业发展。通过这些分析，全面展现TIM材料在先进封装中的关键作用及未来趋势。热界面材料（TIMs）作为电子设备散热的关键组成部分，其性能直接影响到芯片的热管理效果。TIMs主要分为传统导热油脂、金属基、碳基和聚合物基四大类，每种材料都具有不同的导热性能和适应性。在这些材料中，传统导热油脂广泛应用于CPU、GPU和其他电子组件与散热器之间的接口处；金属基TIMs凭借其优异的导热性，广泛应用于高功率电子产品中；碳基TIMs则在提升热导率的同时，兼顾了轻量化和柔性设计的需求，尤其在高密度封装中有着巨大的潜力；聚合物基TIMs则主要用于需要良好顺应性和低热膨胀系数的应用场景。随着CoWoS-L芯片在集成度和散热需求上的挑战，TIM材料的创新和优化成为了应对这一问题的关键。
图源: Xing, W.; Xu, Y.; Song, C.; Deng, T. Recent Advances in Thermal Interface Materials for Thermal Management of High-Power Electronics. Nanomaterials 2022, 12, 3365.
图2 先进封装热界面材料（TIMs）种类画像
随着CoWoS技术的广泛应用，尤其在高性能计算和AI领域，封装材料的选择成为影响芯片性能和散热效率的关键因素。CoWoS-S、CoWoS-R和CoWoS-L三种封装结构各自采用不同的设计理念与工艺，其中热界面材料（TIMs）在优化热管理方面尤为重要。TIMs作为芯片与散热系统之间的导热桥梁，直接影响到芯片的散热效果与长期稳定性。为了满足CoWoS技术在高密度集成和高效散热方面的需求，TIM材料的性能至关重要。表1 热界面材料（TIMs）的作用、工艺要求和性能参数对比在CoWoS-L封装中，TIMs的作用至关重要，主要用于降低热接触电阻，增强热传导效率。金属基TIMs和碳基TIMs通常被用于CoWoS-L封装，尤其是在处理高功率密度的芯片时。金属基TIMs（如铜基材料）能够为CoWoS-L封装提供卓越的散热性能，而碳基TIMs则能提供更高的导热性和灵活性，适合更紧凑的封装设计。传统导热油脂和聚合物基TIMs通常用于较低功率的电子设备。尽管金属基和碳基TIMs提供了高导热性，但在长期使用中可能会面临界面粘结力下降和机械性能老化的问题，尤其是在高温环境下。此外，碳基TIMs和金属基TIMs的应用需要较高的工艺要求，这可能导致生产成本增加。金属基TIMs虽然导热性好，但其刚性较强，可能无法适应所有封装结构的形变，尤其是在复杂几何形状的封装中。在新型材料的推动下，未来TIMs将在高功率电子系统中发挥更加核心的作用。铝碳化硅凭借其高热导率和匹配的热膨胀系数，适合大功率芯片的长期稳定运行，特别是在需要高机械强度和热稳定性的应用中具有显著优势。而金刚石铜复合材料则以其超高导热性和卓越的耐高温性能，成为极端环境下高性能封装的理想选择。这些新材料不仅能够应对当前封装中的散热难题，还将在3D封装与HBM内存等新兴应用中提供关键支持，为未来更高密度、更高算力的芯片封装提供全新的解决方案。随着材料工艺的持续突破，TIMs将成为先进封装和高性能计算发展的重要驱动力，助力突破当前散热瓶颈，进一步提升系统整体效率与可靠性。核心技术：陶氏结合有机硅专业知识与碳纳米管（CNT）技术，开发创新的热管理解决方案。主要产品：包括热导性硅胶粘合剂、热导性硅胶化合物、热间隙填充材料等，广泛应用于消费电子、工业和半导体等行业。竞争优势：其产品具有出色的界面接触性能和耐用性，能够降低压力传输，确保在各种环境下的可靠性能。核心技术：汉高的热界面材料（TIM）采用高性能聚合物技术，优化导热性能。主要产品：BERGQUIST®系列热界面材料，包括液态热界面材料，如TGF 1500RW，获得行业高度认可。竞争优势：其产品在电子组装领域表现出色，能够有效降低热阻，提升散热效率。核心技术：杜邦在聚合物基热界面材料（TIM）领域拥有先进的材料配方技术。主要产品：提供多种聚合物基TIM产品，广泛应用于电子设备的热管理。竞争优势：杜邦的产品以高性能和可靠性著称，能够满足高端电子设备的散热需求。核心技术：3M在热界面材料领域拥有微复制和模塑技术，能够开发高性能的热管理材料。主要产品：包括导热胶带、导热垫片等，广泛应用于电子设备的散热解决方案。竞争优势：3M的产品具有优异的导热性能和良好的柔韧性，能够适应多种复杂的散热场景。核心技术：铟泰公司在液态金属热界面材料（TIM）领域拥有先进的镓基合金技术。主要产品：提供Gallitherm™镓基液态金属解决方案，以及m2TIM™固液混合导热材料。竞争优势：其液态金属TIM具有高导热性、低界面阻力和超强的润湿能力，适用于多种表面。· 德邦科技
核心技术：德邦科技在电子封装材料领域拥有先进的研发能力，特别是在液态金属TIM技术方面。主要产品：包括液态金属导热材料、相变材料、导热垫片等，广泛应用于半导体、新能源汽车等领域。竞争优势：德邦科技通过收购泰吉诺，进一步强化了在高端导热材料领域的布局，提供从TIM 1到TIM 2的全套解决方案。核心技术：科创新源通过收购东莞兆科，进入热界面材料（TIM）领域，采用先进的材料配方技术。主要产品：提供热界面材料，用于电子设备的散热，优化热量传递效率。竞争优势：其产品能够有效驱逐接触面间的空气，提升散热性能，满足多种应用场景。核心技术：晶华科技在胶粘材料和功能性涂层复合材料领域拥有核心技术。主要产品：其产品可应用于高性能导热界面材料的生产，广泛用于电子设备的热管理。竞争优势：晶华科技的产品具有良好的导热性能和稳定性，能够满足中高端市场需求。核心技术：宜安科技在液态金属制备技术方面处于领先地位。主要产品：液态金属结构件、医疗器械结构件等，广泛应用于折叠屏手机、医疗器械等领域。竞争优势：其液态金属产品具有高导热性和良好的机械性能，能够满足多种高端应用需求。核心技术：深科新材料专注于电子封装热沉材料的研发，具有先进的材料科学和热管理技术。主要产品：提供高性能热沉材料，用于半导体激光器、微波功率器件等。竞争优势：其产品在电子封装领域具有良好的导热性能和可靠性，能够满足高端应用需求。近年来，国内企业在热界面材料（TIM）领域取得了显著进展，逐步缩小了与国际先进水平的差距。国内企业加大了研发投入，许多企业已经具备自主研发能力，开发出多种高性能TIM材料，涵盖了热膏、热垫、相变材料等，能够满足各类高功率电子设备的散热需求。特别是在新型高导热材料如石墨烯、碳纳米管等方面，国内企业不断创新，取得了突破性进展，增强了产品的热导率和稳定性。随着高功率密度电子产品对热管理要求的提升，国内企业加大了对TIM的研发力度，专注于提升材料的热导率和热稳定性，适应高集成度的封装结构需求。德邦科技提供高导热性热膏和热垫材料，广泛应用于CoWoS封装结构中，优化芯片与基板之间的热传递。科创新源专注于高导热相变材料（PCM）和热膏产品，提升CoWoS封装中散热性能。晶华科技的导热胶和热导电材料应用于CoWoS封装结构，增强芯片与散热器的热接触效率。宜安科技的高导热硅胶和导热涂层材料用于CoWoS封装中的热界面，改善高功率电子设备的散热管理。深科新材料提供高导热金属填充热膏和导热垫片，应用于CoWoS结构中，减少热接触阻力，提升散热效果。五、下一代TIMs新星-铝碳化硅、铜金刚石代表企业分析铝碳化硅（Al-SiC）和金刚石铜（Cu-Dia）是下一代热界面材料（TIMs）的代表。AlSiC由铝合金和碳化硅颗粒组成，兼具高导热率（170-200 W/mK）和低热膨胀系数（6.5-9.5×10⁻⁶/K），能够与半导体芯片和陶瓷基板完美匹配。此外，AlSiC密度低、强度高，抗震性能出色，适用于恶劣环境。金刚石铜则融合了金刚石的高热导率（可达1000 W/mK）和铜的优良导电性及加工性能，同时具有低热膨胀系数，能够显著提升散热效率。这些特性使它们在先进封装结构中表现出色，尤其在高功率、高密度的芯片封装中，能够有效解决散热难题，提升系统的可靠性和性能。在国际上，钻石巨头戴比尔斯旗下的高科技材料企业Element Six于2024年1月22日宣布推出了一种应用于半导体器件散热的铜-金刚石复合材料，为半导体器件的散热问题提供了全新的解决方案。在国内，苏州思萃热控科技有限公司在铝碳化硅材料的产业化应用方面取得了显著进展，其AlSiC产品已广泛应用于IGBT模块的散热底板，通过优化材料配方和工艺，实现了高导热率和低热膨胀系数的完美结合。这些企业的成功案例表明，铝碳化硅和金刚石铜材料在电子封装领域的应用前景广阔，能够满足日益增长的高性能芯片散热需求。随着电子设备向更高性能、更小尺寸和更低功耗的方向发展，铝碳化硅和金刚石铜等高性能热界面材料的应用前景将更加广阔。未来，这些材料有望在人工智能、5G通信、自动驾驶等高算力芯片领域发挥关键作用，助力芯片制造商突破散热瓶颈。同时，随着制备工艺的不断优化和成本的降低，铝碳化硅和金刚石铜材料有望在更广泛的电子设备中得到应用，推动电子封装技术的进一步发展。随着电子设备性能的持续提升，尤其是高功率密度的GPU和高端处理器在CoWoS-L封装结构中的广泛应用，散热问题已经成为设计和制造过程中不可忽视的挑战。传统导热油脂、金属基、碳基和聚合物基四大类热界面材料（TIM）在市场中得到了广泛应用，然而，随着对更高导热性能的需求，铝碳化硅、铜金刚石金属基复合TIM材料逐渐崛起。这些新型高导热材料具备显著的热传导能力和稳定性，为高功率电子设备提供了更有效的散热解决方案。国内企业在TIM领域的进步，尤其是在石墨烯和碳纳米管等新型材料的研发方面，进一步提升了产品性能。随着新型材料的不断推出和制备工艺的优化，未来TIM材料将在更多高算力应用中发挥重要作用，推动电子封装技术的持续发展。
