3D封装与算力跃升下，热管理材料成为芯片可靠性的关键阈值

 

文/半导体材料观察员

（2025年6月27日，广东新润丰锌业）随着台积电2nm制程量产及Chiplet技术普及，AI芯片单位面积热密度呈指数级增长。行业数据显示，2025年旗舰手机SoC峰值功耗已突破18W（较2022年提升80%），而散热结构厚度空间仍被压缩在0.35mm以内。

 

一、热失控危机的技术根源

当前芯片散热面临三重物理极限：

1. 导热材料各向异性瓶颈

石墨烯膜X/Y轴导热系数达1500W/(m·K)，但Z轴导热系数不足20W/(m·K)，导致垂直传热效率衰减；

2. 相变散热效率天花板

VC均热板在0.3mm厚度时热阻＞0.15℃/W，相变工质循环速率受限毛细结构设计；

3. 界面接触热阻累积效应

芯片-TIM-封装-TIM-散热器的多层界面结构，使总热阻增加40%以上。

 

二、锌基复合材料的突破路径

通过材料基因工程+微纳结构设计双轨创新：

[金属基] 铜/铝 → [碳基] 石墨烯 → [复合体系] 锌基矩阵

核心技术创新点：

1. 梯度化锌合金骨架（实验验证）

Zn-Al-Mg-Si四元体系通过原子级成分梯度设计，实现X/Y向 （实测值） 320W/(m·K)、Z向 （实测值） 105W/(m·K)的立体导热网络，较传统合金Z向效率提升300%；

2. 自支撑微腔结构（专利技术）

飞秒激光构建30μm蜂窝状微腔，内填相变材料（熔点45℃），热响应速度实验室实测0.75秒，相变循环寿命＞10万次；

3. 原子层防护层（量产工艺）

2nm级Al₂O₃/TiN复合屏障经JEDEC标准测试（1000h/85℃/85%RH），腐蚀速率≤0.003mm/年。

 

实验对比数据：

材料类型 厚度(mm) 15W热源温差(℃) 热阻(℃/W)

传统VC均热板 0.30 21.3 0.142

锌基复合材料 0.25 15.0 0.100

 

三、与芯片工艺的耦合验证

锌基材料正向产业链上游延伸：

• 先进封装：Zn-Sn-Bi微焊料（熔点189℃）适配3nm芯片0.1mm凸点间距，剪切强度达45MPa；

• 晶圆级散热：氧化锌（ZnO）TIM材料在台积电CoWoS封装中实测热阻＜0.05cm²·℃/W；

• 光电融合：ZnO透明电极（可见光透过率＞85%）应用于屏下传感器散热层，温升降低12℃。

 

四、产业化落地关键指标

据Global Market Insights数据，2024-2030年先进散热材料市场CAGR为31.2%，锌基材料渗透率将从3.8%升至17.5%。产业化里程碑：

• 2025Q3：0.25mm锌基均热板量产（良率≥92%）；

• 2026Q1：晶圆级TIM通过AEC-Q102车规认证；

• 2027年：锌基微焊料导入2.5D封装产线。