高功率 芯片的 “發(fā)熱 和翹曲危機(jī)”

隨著DeepSeek等大模型推開AI技術(shù)應(yīng)用的大門，以高算力AI芯片為核心的數(shù)據(jù)中心建設(shè)迎來了高速發(fā)展。AI芯片功耗的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)與物理尺寸的線性擴(kuò)展形成顯著矛盾，直接導(dǎo)致功率密度大幅度提升。以H100為例，其最大功耗可達(dá)700W，芯片尺寸814mm2，長(zhǎng)時(shí)間高功率運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱引發(fā)的芯片翹曲問題越發(fā)嚴(yán)重，隨著功耗的繼續(xù)增加和芯片尺寸的繼續(xù)增大，即將突破傳統(tǒng)熱界面材料體系的承受極限。據(jù)研究，芯片溫度每升高10℃，其可靠性可能降低約50%。所以，高效散熱對(duì)于維持 AI 芯片穩(wěn)定、高效運(yùn)行至關(guān)重要。

圖1 國(guó)外主流AI芯片功耗節(jié)節(jié)攀升（鴻富誠(chéng)根據(jù)公開資料整理）

在芯片熱傳導(dǎo)體系構(gòu)建中，我們將不同層級(jí)的熱界面材料（TIM）進(jìn)行功能化區(qū)分：

TIM1.5： 裸芯片與散熱器直接連接的熱界面材料

TIM1：在帶Lid的封裝中，芯片與Lid間的熱界面材料

TIM2：在帶Lid的封裝中，Lid與散熱器之間的熱界面材料

圖2  鴻富誠(chéng)TIM&TIM2型石墨烯導(dǎo)熱墊片使用場(chǎng)景

以高功率大尺寸芯片的TIM1場(chǎng)景為例：

熱界面材料需要同時(shí)滿足低BLT（≤0.3mm），低熱阻（≤0.1℃cm2/W），應(yīng)力吸收（上下CTE不同導(dǎo)致的翹曲）。

傳統(tǒng)硅脂、相變導(dǎo)熱材料、銦片均滿足低BLT和低熱阻的要求，但是面對(duì)材料熱膨脹系數(shù)（CTE）失配引發(fā)的結(jié)構(gòu)形變時(shí)依然大感棘手。當(dāng)系統(tǒng)持續(xù)高功率運(yùn)行時(shí)，基板、芯片和散熱器因CTE的差異會(huì)產(chǎn)生0.1-0.3mm的翹曲。這種動(dòng)態(tài)形變不僅會(huì)降低TIM材料的熱傳導(dǎo)效率，更會(huì)引發(fā)界面材料的"泵出效應(yīng)"（Pump-out phenomenon）——該效應(yīng)強(qiáng)度與封裝尺寸呈正相關(guān)性，在1000mm2級(jí)以上封裝中其破壞性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小尺寸封裝，直接威脅產(chǎn)品的可靠性壽命。

圖 3鴻富誠(chéng)縱向石墨烯導(dǎo)熱墊片

鴻富誠(chéng)縱向石墨烯導(dǎo)熱墊片如何破解高功率大尺寸芯片散熱難題？

（1）低BLT難題：通過超薄工藝制程，最大可搭配70%使用壓縮量，芯片封裝TIM場(chǎng)景BLT可達(dá)0.1mm。

（2）低熱阻難題：?jiǎn)螌邮┑睦碚搶?dǎo)熱系數(shù)可達(dá)5300W/mK，通過取向工藝后，施加合適的封裝壓力，熱阻低至0.04℃cm2/W。

（3）大尺寸翹曲難題：通過內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)，快速適應(yīng)界面局部形變。防止材料從界面被擠出，杜絕界面空隙產(chǎn)生，完美吸收翹曲位移，保證長(zhǎng)期使用可靠性。

（4）高可靠性：分別通過鴻富誠(chéng)內(nèi)部CNAS認(rèn)可實(shí)驗(yàn)室及量產(chǎn)客戶實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)苛的1000h高溫、高低溫沖擊、雙85老化測(cè)試，石墨烯導(dǎo)熱墊片熱阻變化率均＜5%，可靠性顯著優(yōu)于常規(guī)熱界面材料。

（5）高品質(zhì)批量化商用：鴻富誠(chéng)縱向石墨烯導(dǎo)熱墊片積累多年芯片散熱應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化產(chǎn)線和量產(chǎn)交付，產(chǎn)品品質(zhì)獲得國(guó)內(nèi)外多家芯片行業(yè)龍頭企業(yè)認(rèn)可并獲得“質(zhì)量?jī)?yōu)秀協(xié)作獎(jiǎng)”。

（6）自主創(chuàng)新全球領(lǐng)先：鴻富誠(chéng)是創(chuàng)新EMC及熱界面材料制造商，縱向石墨烯墊片具有獨(dú)創(chuàng)的工藝裝備和技術(shù)專利，擁有完整的系列產(chǎn)品知識(shí)產(chǎn)權(quán)。已在深圳、馬來西亞、泰國(guó)等地布局了生產(chǎn)基地，滿足海內(nèi)外供應(yīng)需求。

 圖4 鴻富誠(chéng)石墨烯導(dǎo)熱墊片由縱向連續(xù)、高導(dǎo)熱、低密度石墨烯構(gòu)成

圖5 鴻富誠(chéng)石墨烯導(dǎo)熱墊片應(yīng)用場(chǎng)景，熱阻低至0.04℃cm2/W

圖6 鴻富誠(chéng)石墨烯導(dǎo)熱墊片高回彈性可吸收基板、芯片及散熱器翹曲形變

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芯片封裝TIM1/TIM1.5場(chǎng)景采用鴻富誠(chéng)石墨烯導(dǎo)熱墊片與導(dǎo)熱硅脂、銦片等傳統(tǒng)熱界面材料相比的性能與生產(chǎn)工藝優(yōu)勢(shì)

相比于傳統(tǒng)的導(dǎo)熱硅脂材料，石墨烯導(dǎo)熱墊片沒有蠕變和泵出風(fēng)險(xiǎn)，高彈性貼合應(yīng)對(duì)大尺寸芯片翹曲問題，熱界面規(guī)則完整，熱量傳導(dǎo)均勻無熱點(diǎn)。長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)行不會(huì)變干，長(zhǎng)周期老化熱阻更穩(wěn)定。硅氧烷含量極低，可滿足低揮發(fā)要求的芯片散熱應(yīng)用場(chǎng)景。

相比于銦片用于封裝，石墨烯導(dǎo)熱墊片工藝簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化貼裝，不需要繁雜的工藝，大大節(jié)省封裝時(shí)間和設(shè)備投入成本。銦片現(xiàn)有封裝工藝需在芯片/Lid鍍金，貼裝需要flux spray和真空回流焊，容易產(chǎn)生Void偏大、熔化回流污染、圍堵失效等問題。

石墨烯導(dǎo)熱墊片典型應(yīng)用場(chǎng)景