热辣滚烫的芯片，“降温”已成为燃眉之急

众所周知，电流通过导体时，必然会生成焦耳热。

尤其，热量分布的不均匀性，或将引发导体材料的热应力与形变等负面效应

然而，在芯片运行过程中，会产生大量的热量，如果热量不能及时散发出去，将导致芯片温度升高，进而影响其性能和可靠性。研究表明，电子元器件温度每升高2°C，其可靠性将下降10%。同时，采取有效的散热措施，将芯片产生的热量迅速传导至散热器，并最终散发到周围环境中。

实际热界面状态及热流方向上热阻示意图

另外，电子器件的散热过程中，热传导需要在两个固体表面传输，但是界面处不是理想的平面，而是存在少量小尺度凹凸界面，在实际应用中界面位置也仅依靠凸起结构接触,大部分空隙由空气填充。因空气导热系数很低，仅有 0.026 W/（m·K），与上百的金属材料导热系数相比低了近 4 个数量级，其可忽略通过空气传导的热量，进而大幅降低了传导散热效率，界面位置也成为了微电子封装的传导散热瓶颈。

不难看出，若不能及时有效地散热，过高的温度不仅会影响芯片的性能和稳定性，还将对整个电子系统的可靠性造成威胁，缩短其使用寿命；因此选择使用合适的热界面材料（TIM）来填充界面之间的空气间隙，可有效降低不同结构之间的接触热阻，实现芯片热量的快速传递。

电子封装中的热传导情况

首先，电子产品封装中的一个重要方面是确保电子设备使用过程中产生的热量能够有效的排除。而对于日渐小型化微型化的便携式电子产品，散热问题成为影响整个产品质量的关键问题。而热界面材料指的是涂敷在散热电子元件与发热电子元件中间，降低两个电子元件之间接触热阻所使用的材料总称。

其中，热界面材料充分地填充了固体表面缺陷之间的界面间隙，有效地排除了空气，使得产热元器件与散热器件之间的接触更加密切，大大降低了界面接触热阻，建立起了高效的热传递通道，从而使得散热器件的工作效率得到了最大化的提升。

其次，TIM的主要作用是填补间隙，这就要求TIM必须是柔软且可润湿的材料，电子封装中的TIM本身应该拥有较好的散热能力，向其中添加高导热的填料是改善TIM热性能的主要方法。

AI终端设备中的高功耗芯片TIM散热路径示意图

除此之外，金属及陶瓷基的导热材料，同样是散热领域内至关重要的材料选择。

金属和陶瓷基导热材料：金属导热材料（如铜、铝等）凭借优异的导热性，常用于极端环境下的芯片散热。金属的高导热系数使其能够快速将热量从发热源传递出去，适合高热通量应用场景。同时，金属材料具备较高的机械强度和抗热冲击能力，其应用于需要在恶劣环境下持续高效散热的AI芯片中。

陶瓷导热材料（氮化铝、氮化硅）：不仅具有良好的导热性，还具备电绝缘性，是许多AI芯片封装和高功率应用中的理想选择。陶瓷材料的导热性介于金属和传统聚合物材料之间，且其热稳定性使其能够在高温或腐蚀环境下使用。例如，氮化铝的导热系数高达170-180 W/(m·K)，用于极端环境下的AI芯片封装中。

目前，在封装中，超过90%的散热通过封装从芯片顶部散热，通常是带垂直散热片的机箱机箱。在芯片和封装之间放置高导热的热界面材料对于CPU的新一代TIM包括金属灼烧合金（如靛、锡）和银灼锡，它们的导电性能分别为60W/mK和50W/mK。

但随着企业从大型SoC接口到chiplet模块，将需要更多具有不同性能和厚度的TIM。

根据BBC Research的报告，全球热界面材料市场规模已超过9亿美元，年增长率达7.4%。伴随5G技术的应用，电子产品和通信模块轻薄化和性能提升的速度加快，将带来热界面材料需求的新一轮快速增长。

简言之，热界面材料应用市场占比是各终端领域变化而发展的，以通信网络（5G）、汽车电子（新能源汽车）、人工智能、LED等领域的发展驱动。

由于篇幅受限，本次的芯片散热就先介绍这么多......

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最后的最后，借由柏拉图的一句名言：

耐心是一切聪明才智的基础。

愿每一位半导体从业者可以——

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