高功耗芯片如何设计满足散热需求？

主要观点总结

文章主要介绍了高功耗芯片的散热路径、封装结构、Lid和TIM（热界面材料）的现状与挑战。文章详细描述了芯片散热过程中的各个环节，包括热传导、热对流等，以及材料、结构和工艺在热管理中的重要性。同时，文章还介绍了Lid材料和TIM材料的性能特点、面临的挑战以及优化思路，并探讨了未来可能推动散热技术跃迁的路径。

关键观点总结

关键观点1: 高功耗芯片散热路径的复杂性

散热路径包括芯片发热、TIM1、Lid、TIM1.5、散热器等，每个环节都承担着重要的角色。热传导是共性路径，但由于材料热导率和界面接触质量的差异，极易形成温差跳跃。

关键观点2: 热界面材料TIM的关键作用

TIM是芯片热管理链条中被频繁忽视但极为重要的环节。其性能不仅由导热系数和厚度决定，还受到安装压力、公差控制和材料压缩率等因素影响。如何在导热率和可靠性之间取得平衡是当前TIM的材料优化关键。

关键观点3: Lid材料的挑战与优化

Lid作为芯片封装中连接Die与外部散热器的桥梁，其厚度、材质、表面设计均影响均温效果与散热效率。当前主流Lid材料面临导热率、加工成本、可靠性等挑战，需要系统优化材料、结构和工艺。

关键观点4: 散热技术的全面战役

芯片功耗的持续攀升使得散热技术的演进成为一场跨越结构设计、工艺优化和系统工程的全面战役。高性能芯片的散热路径需要协同优化材料、结构和工艺，以实现既控温又量产的最优解。

正文

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无论是 TIM1 （Die 与 Lid 之间） 、TIM1.5 （Lid 与散热器之间） 还是多芯片系统中的 TIM2、TIM3，导热性能和厚度控制都直接影响整体热阻。

而在热对流路径上，差异则更为显著。 风冷仍为主流，但对空间与气流设计依赖极大；自然对流效率低、适用场景有限；最具潜力的浸没式液冷虽然热路径最短，但其在可靠性、维护和成本上的挑战仍待解决，短期内难以普及。

当热流从芯片出发，穿越结构堆叠向外逃逸，每一次“转运”都面临热阻叠加。优化热路径，就是在这个过程中最大程度地减少热能“卡壳”的点。

● 芯片封装的热阻博弈

在高热密度芯片的封装设计中，核心目标是降低芯片结温 （Tj） 。这一目标受到芯片功耗密度 （W/cm²） 、封装结构、材料导热能力和热界面厚度等多重因素影响。

例如，一个热耗为 40W、热密度为 2.5W/cm² 的芯片，仅通过如下几项改进：Lid 面积增加 16%、厚度提升 50%、TIM1 厚度减半、导热系数提升 2.5 倍，即可获得 3.2℃ 的结温改善。

这背后反映出的，是热管理的系统性：材料只是起点，结构设计和工艺控制同样重要。

Lid 作为芯片封装中连接 Die 与外部散热器的桥梁，其厚度、材质、表面设计均影响均温效果与散热效率。而 TIM 材料更需在高导热与低厚度之间取得平衡，同时满足长期可靠性。

● Lid 材料：高导热与工艺难题的双重挑战

当前主流的 Lid 材料尝试多种复合方案，但各有难点。

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