来源 | Microelectronics Reliability

链接 | https://doi.org/10.1016/j.microrel.2025.115782

01

背景介绍——芯片 “退烧” 有多难？

在半导体行业的发展历程中，芯片性能曾沿着摩尔定律稳步提升 —— 每 24 个月，芯片上的晶体管数量便实现翻倍，这一规律支撑了半个多世纪以来电子设备性能的飞跃。然而，2016 年半导体行业正式宣告摩尔定律走向终结，一个长期被性能提升掩盖的核心难题逐渐成为制约行业发展的关键：芯片散热。随着芯片架构复杂度持续飙升，从传统平面设计到多芯粒集成，器件运行时单位面积产生的热量呈指数级增长，这些热量若无法及时、高效地消散，不仅会导致芯片主频被迫降低、性能大幅缩水，还会加速器件老化，严重损害长期可靠性，甚至引发瞬时故障，对航空航天、汽车电子、高性能计算等关键领域的设备安全构成威胁。

半导体封装技术正经历革命性变革，从传统的单一芯片封装向异构集成（HI）、3D 封装等先进方向快速演进。在这些新型封装结构中，CPU、GPU、内存（RAM）、传感器等多个功能芯粒被高度集成到单一封装体内，形成功能密集的 “芯片系统”。这种集成方式虽大幅提升了设备的性能密度与空间利用率，却也带来了严峻的热干扰问题 ——CPU、GPU 等逻辑运算部件作为主要热源，其产生的高温会通过封装内部的介质直接传导至邻近的内存、传感器等对温度敏感的部件，导致这些部件的工作稳定性下降，进而影响整个电子设备的运行效率与数据处理精度。例如，在 3D 堆叠封装中，上层芯片的热量若无法向下有效传递，会在层间形成 “热孤岛”，使得整体系统的散热效率远低于单一芯片封装。

更具挑战性的是，为满足 5G、人工智能、云计算等领域对高带宽、低延迟的需求，封装的互连密度正不断突破极限。数据显示，传统倒装芯片球栅阵列（FCBGA）的互连密度约为每毫米 48 个 I/O，而当前主流的硅中介层封装，其互连密度已超过每毫米 1000 个 I/O。高密度的互连结构带来了多重散热难题：一方面，密集的金属互连线路会导致电流集中，进一步加剧局部发热；另一方面，部件间的间隙被大幅压缩，散热通道变得极为狭窄，热量难以通过对流或辐射方式扩散。更关键的是，互连密度的提升会显著降低不同部件间的界面热导（ITC）—— 界面热导是衡量热量在两种不同材料界面间传递效率的核心指标，界面热导越低，热量越容易在界面处 “堆积”，形成局部高温区域，这一问题在芯片与散热部件的连接界面处尤为突出。

从芯片内部产生的热量，需要依次穿过封装基板、热界面材料（TIM）、散热片等多个部件，最终通过散热器传递到外部环境，这一过程中任何一个环节的热阻过高，都会导致整体散热效率下降。因此，半导体封装的热设计不再是单一部件的优化，而是需要从 “芯片到散热器” 的全链路考量：既要选择高导热性能的材料（如高导热的 TIM、散热片与基板），又要通过界面工程优化不同材料间的连接状态，减少界面热阻；同时，还需在封装结构设计中融入热过孔等主动散热结构，为热量传递开辟 “捷径”。如何平衡材料的导热性能与机械可靠性（如热膨胀系数匹配）、电气性能（如低介损），如何突破全链路散热瓶颈，已成为研发人员亟待解决的核心课题，也是推动高性能、高密度半导体系统向更高性能、更小尺寸发展的关键所在。

02

成果掠影

近日，韩国科学技术研究院Joon Sang Kang团队 “从芯片到散热器” 的全链路散热需求，系统梳理了先进半导体封装热管理的关键技术成果，为高性能、高密度电子设备的热设计提供了全面参考。

在热表征技术方面，研究明确了精准测量热导率是优化散热设计的基础。针对不同尺度封装材料，文章分类介绍了先进测量方法：对于块体材料，稳态法凭借无需复杂系统的优势，可直接测量导热膏、氮化铝陶瓷等材料的热导率，但需真空环境与规则样品；激光闪射分析（LFA）与瞬态平面热源法（TPS）则实现了快速、非破坏性测量，其中 LFA 适用于金属、陶瓷等材料的热扩散率分析，TPS 成本更低且能覆盖 0.005-500 W/m・K 的宽测量范围。针对微尺度样品，3ω 法可在 30-1000 K 温度区间测量硅、氮化镓等薄膜的热导率，时域热反射（TDTR）法则突破纳米级测量限制，能评估多层界面的界面热导（ITC），拉曼测温法则无需金属 transducer，适用于石墨烯、氮化硼等二维材料的面内热导率分析。

在核心热管理部件创新上，研究聚焦材料与结构优化，实现散热性能与多维度需求的平衡。热界面材料（TIM）通过垂直排列氮化硼、碳纳米管等高导热填料，结合液态金属共掺杂、耦合剂增强界面结合等策略，在提升热导率（最高达 23.7 W/mK）的同时，将弹性模量降至 2.62 MPa，兼顾柔性与散热；散热片方面，银 - 金刚石复合材料、碳化硅、金刚石等材料的应用，既实现了 800 W/mK 以上的高导热率，又通过匹配芯片热膨胀系数（CTE）减少热应力，如银 - 金刚石散热片可使封装最高温度从 210℃降至 174℃；封装基板则通过有机材料添加氮化硼纳米管、陶瓷材料优化晶粒结构等方式，在提升热导率（如 γ-Si₃N₄室温热导率超 250 W/mK）的同时，满足低介损、高机械强度需求；热过孔技术通过硅通孔（TSV）、玻璃中介层铜过孔等结构，直接构建芯片到散热器的散热通道，如单壁碳纳米管 TSV 可使芯片温度降低 38%，144 个铜过孔阵列能将玻璃中介层热导率从 1 W/mK 提升至 20 W/mK。

在界面热传输优化领域，研究提出多种创新策略以降低界面热阻。通过氧等离子体处理金属表面提升润湿性、化学机械抛光减少晶圆粗糙度，可显著提升界面接触面积与 ITC；自组装单分子层（SAM）能通过增强界面结合力、匹配声子谱，将 MoS₂/SiO₂、聚苯乙烯 / 硅等界面的 ITC 提升 2-5 倍；在 GaN 与 SiC、金刚石等材料间插入氮化铝（AlN）、AlₓGa₁₋ₓN 作为 “声子桥”，可利用中间材料的晶格与热特性，减少声子色散差异，使 ITC 提升 45%-55%；此外，硅表面构建鳍状结构增加接触面积，也能将铝 - 硅界面的 ITC 提升 88%。

未来研究将重点突破成本与可靠性平衡及定制化解决方案两大方向：一方面，需在保证高导热性能的前提下，降低新型材料（如金刚石复合材料）与工艺（如低温烧结银）的成本，同时验证长期使用中的机械与热稳定性；另一方面，针对高频通信、大功率器件等不同应用场景，研发适配其特殊需求（如耐高温、低信号干扰）的热管理方案，推动先进封装热管理技术的商业化落地与行业应用。研究成果以“A review in thermal management for advanced chip packaging from chip to heat sink”为题发表在《Microelectronics Reliability》期刊。

03

图文导读

图1.典型封装结构及关键热管理部件示意图。 

图2. 热导率测量技术 a) 稳态法；b) 激光闪射分析法；c) 瞬态平面热源法；d) 3ω 法；e) 时域热反射法；f) 拉曼测温法。

图3. 热界面材料（TIM）的热性能与力学性能。(a) 芯片与散热片之间热界面材料的结构示意图；(b) 聚合物基体中垂直排列的氮化硼；(c) 碳纤维基热界面材料的制备流程；(d) 固液共掺杂热界面材料与基准热界面材料的热导率对比。

图4.高导热率散热片。(a) 采用铜 - 钼（Cu-Mo）与银 - 金刚石（Ag-Dia）散热片的封装温度分布；(b) 印刷电路板（PCB）内部石墨散热片的结构示意图；(c) 基于碳化硅（SiC）与金刚石散热片的氮化镓（GaN）器件温度对比；(d) 砷化硼（BAs）散热片上的氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）结构。

图5.导热半导体封装基板。(a) 复合材料基板的制备流程示意图；(b) 高导热率环烯烃共聚物 / 苯乙烯 - 乙烯 - 丁烯 - 苯乙烯嵌段共聚物 + 氮化硼 / 环烯烃共聚物（COC/SEBS+BN/COC）夹层结构基板的制备过程；(c) 多层直接键合铜（DBC）基板的结构示意图；(d) γ- 氮化硅（γ-Si₃N₄）与 γ- 氮化锗（γ-Ge₃N₄）基板的热导率对比。

图 6. 增强界面热传输的界面工程技术。(a) 不同镍（Ni）表面处理对应的四种界面热导（ITC）值下，封装模块的表面温度图像，已获得使用许可）；(b) 氮化镓（GaN）与氮化铝（AlN）之间界面热导（ITC）的实验测量结果；(c) 采用自组装单分子层（SAM）进行界面工程的封装结构示意图；(d) 环氧树脂基体与硅（Si）填料之间形成自组装单分子层（SAM）的过程；(e) 硅表面鳍状结构的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图7. 基于热过孔的热管理设计与性能。(a) 采用硅通孔（TSV）作为热过孔的堆叠芯片结构（参考文献 [152]）；(b) 带热过孔的四方扁平无引脚（QFN）封装在印刷电路板（PCB）上的结构示意图；(c) 含贯通封装过孔（TPV）的 2.5D 玻璃中介层结构示意图；(d) 玻璃中介层上芯片的峰值温度随热过孔密度变化的关系曲线（引用自 IEEE 期刊文献 [155]，已获得使用许可）；(e) 带热通道（Thermal Chimney）的系统级封装（SiP）芯片结构示意图；(f) 带热桥（Thermal Bridge）的 3D 封装结构示意图。