高功率 芯片的 “發熱 和翹曲危機”

隨著DeepSeek等大模型推開AI技術應用的大門，以高算力AI芯片為核心的數據中心建設迎來了高速發展。AI芯片功耗的指數級增長與物理尺寸的線性擴展形成顯著矛盾，直接導致功率密度大幅度提升。以H100為例，其最大功耗可達700W，芯片尺寸814mm2，長時間高功率運轉發熱引發的芯片翹曲問題越發嚴重，隨著功耗的繼續增加和芯片尺寸的繼續增大，即將突破傳統熱界面材料體系的承受極限。據研究，芯片溫度每升高10℃，其可靠性可能降低約50%。所以，高效散熱對于維持 AI 芯片穩定、高效運行至關重要。

圖1 國外主流AI芯片功耗節節攀升（鴻富誠根據公開資料整理）

在芯片熱傳導體系構建中，我們將不同層級的熱界面材料（TIM）進行功能化區分：

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TIM&TIM2型石墨烯導熱墊片使用場景

以高功率大尺寸芯片的TIM1場景為例：

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

傳統硅脂、相變導熱材料、銦片均滿足低BLT和低熱阻的要求，但是面對材料熱膨脹系數（CTE）失配引發的結構形變時依然大感棘手。當系統持續高功率運行時，基板、芯片和散熱器因CTE的差異會產生0.1-0.3mm的翹曲。這種動態形變不僅會降低TIM材料的熱傳導效率，更會引發界面材料的"泵出效應"（Pump-out phenomenon）——該效應強度與封裝尺寸呈正相關性，在1000mm2級以上封裝中其破壞性遠遠大于小尺寸封裝，直接威脅產品的可靠性壽命。

圖 3鴻富誠縱向石墨烯導熱墊片

鴻富誠縱向石墨烯導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場景BLT可達0.1mm。

（2）低熱阻難題：單層石墨烯的理論導熱系數可達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：通過內部多孔結構，快速適應界面局部形變。防止材料從界面被擠出，杜絕界面空隙產生，完美吸收翹曲位移，保證長期使用可靠性。

（4）高可靠性：分別通過鴻富誠內部CNAS認可實驗室及量產客戶實驗室嚴苛的1000h高溫、高低溫沖擊、雙85老化測試，石墨烯導熱墊片熱阻變化率均＜5%，可靠性顯著優于常規熱界面材料。

（5）高品質批量化商用：鴻富誠縱向石墨烯導熱墊片積累多年芯片散熱應用經驗，已實現自動化產線和量產交付，產品品質獲得國內外多家芯片行業龍頭企業認可并獲得“質量優秀協作獎”。

（6）自主創新全球領先：鴻富誠是創新EMC及熱界面材料制造商，縱向石墨烯墊片具有獨創的工藝裝備和技術專利，擁有完整的系列產品知識產權。已在深圳、馬來西亞、泰國等地布局了生產基地，滿足海內外供應需求。

 圖4 鴻富誠石墨烯導熱墊片由縱向連續、高導熱、低密度石墨烯構成

圖5 鴻富誠石墨烯導熱墊片應用場景，熱阻低至0.04℃cm2/W

圖6 鴻富誠石墨烯導熱墊片高回彈性可吸收基板、芯片及散熱器翹曲形變

03

芯片封裝TIM1/TIM1.5場景采用鴻富誠石墨烯導熱墊片與導熱硅脂、銦片等傳統熱界面材料相比的性能與生產工藝優勢

相比于傳統的導熱硅脂材料，石墨烯導熱墊片沒有蠕變和泵出風險，高彈性貼合應對大尺寸芯片翹曲問題，熱界面規則完整，熱量傳導均勻無熱點。長時間高溫運行不會變干，長周期老化熱阻更穩定。硅氧烷含量極低，可滿足低揮發要求的芯片散熱應用場景。

相比于銦片用于封裝，石墨烯導熱墊片工藝簡單，可實現自動化貼裝，不需要繁雜的工藝，大大節省封裝時間和設備投入成本。銦片現有封裝工藝需在芯片/Lid鍍金，貼裝需要flux spray和真空回流焊，容易產生Void偏大、熔化回流污染、圍堵失效等問題。

石墨烯導熱墊片典型應用場景