【導(dǎo)讀】在先進(jìn)封裝技術(shù)向高集成度、高功率密度演進(jìn)的過程中，熱界面材料（TIM）正經(jīng)歷著從單純導(dǎo)熱填充物到核心結(jié)構(gòu)【導(dǎo)讀】功能層的深刻變革。面對芯片、基板與模封材料間熱膨脹系數(shù)差異引發(fā)的翹曲、分層及可靠性挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)單層連續(xù)TIM架構(gòu)已難以滿足需求。本文深入探討了以臺積電為代表的行業(yè)前沿如何通過分區(qū)多TIM架構(gòu)、復(fù)合材料創(chuàng)新以及三維熱路徑重構(gòu)，將熱管理與機(jī)械應(yīng)力調(diào)控深度融合。這些技術(shù)突破不僅解決了高熱流密度下的散熱瓶頸，更通過材料與微結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化，為提升先進(jìn)封裝的良率與長期可靠性提供了關(guān)鍵解決方案。
1.熱界面材料（TIM）：從配角到核心角色
在先進(jìn)封裝體系中，TIM 是將熱量從芯片傳導(dǎo)至蓋板和散熱器的關(guān)鍵媒介。如今，它已不再只是簡單的導(dǎo)熱填充物，而是同時承擔(dān)熱設(shè)計與機(jī)械調(diào)控功能的重要結(jié)構(gòu)層。其表現(xiàn)直接影響封裝翹曲、界面分層、金屬間化合物生成、共面性以及長期可靠性。
從單層 TIM 到分區(qū)、多 TIM 架構(gòu)
在大型高端封裝中，芯片、基板、模封材料和蓋板之間存在明顯的熱膨脹系數(shù)差異。熱循環(huán)過程中，這種差異不可避免地導(dǎo)致封裝翹曲，而應(yīng)力往往集中在 TIM 層的邊角或附著力較弱的區(qū)域，增加開裂和分層風(fēng)險。隨著封裝尺寸和功率密度持續(xù)攀升，熱—機(jī)械耦合問題已成為影響良率與壽命的核心挑戰(zhàn)。
為此，臺積電提出將傳統(tǒng)連續(xù)單層 TIM 拆分為多個功能區(qū)，或在 TIM 中設(shè)計溝槽結(jié)構(gòu)，使應(yīng)力能夠在局部釋放，而不是在整個界面擴(kuò)散。例如在專利申請 US20220359339 中，通過分段式 TIM 設(shè)計，有效降低了應(yīng)力累積和分層風(fēng)險。
此外，在同一封裝內(nèi)部采用不同性能的 TIM 材料也成為關(guān)鍵策略：高功耗芯片上方配置高導(dǎo)熱 TIM，而外圍區(qū)域則采用更厚或更具彈性的材料，以吸收翹曲應(yīng)變、減緩界面應(yīng)力。相關(guān)思路見于專利 US11088109 及 US20220359339。其核心理念在于，通過空間分區(qū)設(shè)計，在熱性能與機(jī)械可靠性之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化，而非簡單權(quán)衡。
圖 1：多 TIM 封裝及其形成方法（US20220359339）
復(fù)合材料與石墨 TIM：材料與結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化
在高強(qiáng)度熱循環(huán)環(huán)境下，僅靠單一材料已難以滿足可靠性要求。臺積電在專利 US11107747 中提出復(fù)合型 TIM：在高導(dǎo)熱金屬基體中嵌入金屬鍍層聚合物顆粒，在保持導(dǎo)熱性能的同時引入彈性緩沖能力，從而減輕應(yīng)力集中、改善厚度均勻性并降低芯片開裂風(fēng)險。
對于石墨基 TIM——雖然具有優(yōu)異的面內(nèi)導(dǎo)熱能力，但脆性高、附著性不足——臺積電通過設(shè)置間隔框架結(jié)構(gòu)，對石墨層進(jìn)行機(jī)械隔離與壓縮控制，以提升界面穩(wěn)定性（US20250309071）。
在金屬 TIM 方面，為抑制金屬間化合物增長和 Kirkendall 空洞帶來的長期可靠性問題，臺積電采用晶向工程技術(shù)：利用高度織構(gòu)化的 Cu(111) 擴(kuò)散阻擋層減少原子互擴(kuò)散，同時保持良好導(dǎo)熱性能（US20250118615）；在無蓋或環(huán)形 CoW 架構(gòu)中，通過直接金屬鍵合方式避免回流焊過程中的再熔風(fēng)險（US20250349654）。這些技術(shù)表明，TIM 的可靠性來源于材料、微結(jié)構(gòu)與界面工程的整體優(yōu)化。
圖 2：包含散熱結(jié)構(gòu)的封裝結(jié)構(gòu)及其形成方法（US20250118615）
2. 重新構(gòu)建 3DIC 與異構(gòu)封裝中的熱路徑
在 3D 堆疊封裝中，內(nèi)部芯片往往被底部填充材料和模封材料包圍，熱量容易滯留，從而形成熱點(diǎn)并加劇層間熱串?dāng)_。
針對這一問題，臺積電將 TIM 從傳統(tǒng)的平面界面轉(zhuǎn)化為三維熱網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分：
通過高導(dǎo)熱蓋板與精準(zhǔn)控制的TIM點(diǎn)膠工藝，建立更直接的垂直散熱路徑（US11482465）；
借助多 TIM 分區(qū)及定向散熱結(jié)構(gòu)，為高功耗芯片優(yōu)先構(gòu)建散熱通道，同時減少對低功耗區(qū)域的冗余金屬化（US20240363474）；
在芯片或蓋板表面引入微通道或腔體，并填充 TIM，增加接觸面積，從而提升局部熱點(diǎn)散熱效率（CN121096975）。
這些方案的共同特點(diǎn)是：熱界面不再是單一平面，而是根據(jù)芯片功耗分布進(jìn)行定制化設(shè)計，形成針對特定芯片的垂直散熱路徑。
圖 3：具備熱管理特征的半導(dǎo)體芯片封裝形成方法（US20240363474）
臺積電在 3DIC 封裝中的熱管理理念，本質(zhì)上是一種熱與機(jī)械協(xié)同工程方法。隨著集成密度提升，熱流密度增加的同時，材料間熱膨脹差異也放大了應(yīng)力問題，可能引發(fā)熱點(diǎn)、翹曲以及“未鍵合”等電氣缺陷，進(jìn)而影響可靠性。
相關(guān)專利展示了多種互補(bǔ)技術(shù)手段：
1.具備導(dǎo)熱與應(yīng)力調(diào)節(jié)功能的間隙填充結(jié)構(gòu)，用于降低翹曲并改善熱路徑（US12249566）；
2.覆蓋芯片的支撐基板結(jié)構(gòu)，同時充當(dāng)機(jī)械加固層與熱傳導(dǎo)通道，并可結(jié)合虛擬芯片或材料搭配實(shí)現(xiàn)應(yīng)力平衡（US20250266318）；
3.采用減薄載體芯片與對齊虛擬焊盤的頂部散熱架構(gòu)，使熱量通過前端互連向上傳導(dǎo)（US20250300149）。
同時，臺積電還提出相配套的制造流程優(yōu)化方案，如載體與去鍵合層設(shè)計、受控堆疊與釋放順序等，以提升大規(guī)模制造中的對準(zhǔn)精度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（US20250167060）。
圖 4：具備散熱結(jié)構(gòu)與翹曲控制的 3DIC（US20250266318）
圖 5：高效散熱的 3DIC 封裝（US20250300149）
熱界面材料在先進(jìn)封裝中的角色已根本性轉(zhuǎn)變，成為連接熱性能與機(jī)械可靠性的樞紐。從分段式TIM設(shè)計釋放局部應(yīng)力，到復(fù)合材料及晶向工程技術(shù)抑制界面失效，再到3DIC中定制化垂直散熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，一系列創(chuàng)新專利表明：未來的熱管理不再是單一維度的導(dǎo)熱優(yōu)化，而是涵蓋材料選擇、微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造流程的系統(tǒng)性協(xié)同工程。
