高算力時代的晶片散熱解決方案

散熱革命已成為 AI, HPC 時代的最大挑戰. 電流通過導體時會生成焦耳熱, 晶片在運行過程中不可避免地產生大量熱量, 若無法及時散發, 晶片溫度將急劇上升, 進而影響其性能和可靠性. 熱流密度 (熱通量) 指的是每單位面積傳遞的熱量, 隨著半導體產業遵循著摩爾定律逐步向 2nm, 1nm 級別邁進, 尺寸不斷縮小, 功率不斷增大, 帶來了前所未有的熱管理挑戰.

晶片內部熱量無法有效散發時, 局部區域會形成 "熱點",  導致 1) 性能下降: 當晶片表面溫度達到 70-80℃ 時, 溫度每增加 1℃, 晶片的可靠性就會下降 10%. 2) 設備失效: 晶片溫度每升高 10℃, 其運行壽命減半. 3) 成本激增: 包括大量消耗能源和資源的冷卻系統. 4) 安全隱患: 溫度過高可能引發火災等嚴重事故, 給設備和人員安全帶來威脅.

熱界面材料 (TIM) 是用於塗敷在散熱器件與發熱器件之間, 降低兩者接觸熱阻所使用材料的總稱. 由於器件制造公差和表面粗糙度的存在, 器件之間通常會有微小的空隙. 這些空隙含有空氣, 而空氣是熱的不良導體. TIM 被用來填補這些空隙, 排出空氣, 提供更好的熱傳導路徑, 降低界面熱阻, 從而提升散熱效率. 晶片通過 TIM 與散熱片進行貼合, TIM  在遠端冷卻和近晶片冷卻中起到十分關鍵的作用.

熱界面材料市場穩步增長, 規模超百億, 下游以消費電子為主. 根據 QY Research, 2022 年全球導熱界面材料市場規模約 103 億元, 預計 2029 年接近 170 億元, CAGR 為 7.4%. 2023 年, 中國熱界面材料下游主要應用領域為消費電子, 新能源汽車, 通信技術, 醫療等領域. 其中消費電子領域占比最重, 其次為通信設備領域.

發展新一代散熱材料, 減少散熱風險, 解決全生命周期散熱成本, 成為未來關鍵突破點. 現有的散熱材料, 導熱界面材料 (TIM), 熱管和均熱板等具有一定的導熱性能, 但其熱導率仍難以滿足高功率器件的需求. 發展新散熱材料迫在眉睫, 讓晶片運行效率更快而沒有過熱的風險, 並減少全生命周期的散熱成本, 已成為解決高算力設備散熱問題的關鍵.

TIM1 直接接觸晶片, 對導熱性能要求較高. TIM1 是一種晶片與封裝外殼之間的導熱材料, 與發熱量極大的晶片直接接觸, 這就要求 TIM1 具有低熱阻和高熱導率, 熱膨脹系數與矽片匹配. TIM2 的材料組成同樣包含基材與導熱填料兩部分, 需兼顧散熱效率與成本. 其基材以高分子材料為主, 根據需求也可采用液態金屬等特殊材料, 以更好地適配均熱板與散熱器間的複雜結構及微小間隙, 從而有效提升熱傳遞效率.

全球熱界面材料市場龍頭目前仍以海外企業為主, 在高端市場更是國外品牌壟斷. 據 future market insights 報告, 市場領導者如漢高, 3M 公司, 信越化學, 霍尼韋爾, 陶氏化學等. 來自全球市場的產品收入超過 1 億美元, 市場份額占比 45~50%. 收入在 1 千萬到 1 億美元之間的中型企業包括杜邦, 松下, 日本電化等, 占據市場份額 30~40%.

隨著晶片功耗增大, 用於高算力數字晶片封裝的 ABF 載板基本不具備散熱能力, 而且預熱時樹脂材料容易變形, 最終影響晶片與外部電路的電氣連接. FCBGA 封裝在熱性能方面具有優勢, 因為它的結構特徵是晶片通過其下方的凸塊與基板連接, 能夠將散熱器定位在晶片的頂表面上, 從而產生半導體金屬散熱片的需求. 作為一種封裝材料, 金屬散熱片可直接貼附在晶片表面, 配合界面材料將晶片內部熱源均勻傳導至散熱片表面, 再通過外部散熱器使熱量散溢至外界.

金剛石被視為半導體材料 "六邊形戰士" 及 "終極半導體". 1). 導熱性: 金剛石的熱導率是已知最高的材料之一. 2) 禁帶寬度與擊穿電場: 其擊穿電場強度是砷化鎵的 17 倍, 氮化鎵的 2 倍, 碳化矽的 2.5 倍. 3) 載流子遷移率: 其強大的共價鍵和穩定的晶格結構, 使電子在金剛石中能夠以極高的速度運動. 4) 絕緣性: 金剛石具有寬廣的能帶間隙, 具備出色的絕緣性能.

金剛石作為散熱材料主要有三種方式: 金剛石襯底, 散熱片以及通過在金剛石結構中引入微通道散熱. 隨著晶片集成度的提高和封裝空間的緊縮, 金剛石基板憑借其卓越的導熱性能, 高硬度和強度, 能夠在有限空間內為晶片提供支撐和保護, 同時通過其低熱膨脹系數, 確保高密度組裝環境下晶片之間的連接穩定性不受溫度波動影響.

隨著晶片性能的提升, 功率增加導致的積熱問題成為制約 CPU, GPU 性能的瓶頸, 鑽石冷卻技術被視為有效的解決方案. 鑽石基板具有超高的熱導性, 可以大幅提升晶片散熱效果. Akash Systems 提出的 "鑽石冷卻 GPU" 技術可以有效降低 GPU 熱點溫度 10-20 攝氏度, 風扇速度減少 50%, 超頻能力提升 25%, 並延長伺服器壽命一倍, 預計可為數據中心節省數百萬美元的冷卻成本, 同時溫度降低高達 60%, 能耗降低 40%.

HBM4 採用的 D2C, 即晶片冷板液冷, 將冷板直接安裝在發熱組件 (如 CPU, GPU) 上, 通過單相或兩相冷板來吸收並帶走晶片的熱量. 專用冷卻液在冷板內高速循環, 精準吸收熱量, 隨後流入冷卻劑分配單元 CDU 進行散熱, 再循環利用. 通過直接將熱量從處理器傳遞給冷卻液, D2C 具有冷卻效率高, 節能降耗等優點.

直接晶片 (D2C) 冷卻涉及將冷板直接連接到 CPU, GPU 或其他發熱組件. 先進的液體冷卻技術使用專門的設計, 材料和工藝來有效去除數據中心和電力電子等高性能系統的熱量. 這些技術通過直接接觸冷卻, 相變過程或改進的流體動力學增強傳熱, 提供精確的溫度控制以保持最佳作條件. 它們與設備設計相結合, 以獲得更好的空間利用率和性能, 通常使用與水相比具有卓越熱性能和更低電導率的工程冷卻劑.

台積電先進封裝採用的 TIM 解決方案包括高導熱聚合物, 氧化矽 (SiOx) 薄膜和更先進的液態金屬 TIM. 這些材料旨在最大限度地減少晶片和封裝之間的熱阻, 從而提高熱傳導路徑的效率. 這在 SoIC-X 等先進的 3D 異構集成封裝中變得尤為重要, 其中垂直堆疊的晶片結構帶來了前所未有的熱密度挑戰. 在這些場景中, 使用高性能 TIM 對於確保系統穩定性至關重要.

在電動汽車領域, 逆變器是關鍵組件之一. 目前, 特斯拉的 Model 3 被認為是業界最小型的逆變器. 然而, 基於鑽石晶圓的卓越導熱性和電絕緣性, 創新的逆變器架構能夠顯著提升小型化, 效率和穩定性. 據 DF 公司稱, 他們所開發的新型逆變器比特斯拉 Model 3 的逆變器小了六倍, 同時在性能和效率上也有所超越.