隨著半導(dǎo)體封裝不斷邁向 2.5D、3D 堆疊以及異構(gòu)集成，熱管理已成為影響性能、可靠性與量 產(chǎn)能力的關(guān)鍵因素之一。面向高性能計(jì)算（HPC）和人工智能（AI）的芯片功率密度持續(xù)提升， 封裝尺寸不斷擴(kuò)大，材料體系也愈發(fā)復(fù)雜。在此背景下，臺積電近期公開的多項(xiàng)專利勾勒出一 條清晰的技術(shù)路徑：一方面重構(gòu) 3DIC 封裝結(jié)構(gòu)，打造更高效且穩(wěn)定的散熱通道；另一方面將 熱界面材料（TIM）從“填充層”升級為系統(tǒng)級設(shè)計(jì)單元，通過材料配方、分區(qū)布局與微結(jié)構(gòu) 優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)熱與應(yīng)力的協(xié)同管理。

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(jì)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(xiǎn)。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(jì)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(jì)，有效降低了應(yīng)力累積和分層風(fēng)險(xiǎn)。

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(jì)，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。



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(xiǎn)。

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(xiǎn)（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。



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(jì)，形 成針對特定芯片的垂直散熱路徑。



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(jì)、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）。





結(jié)語

總體而言，臺積電通過 3DIC 架構(gòu)創(chuàng)新與 TIM 工程化設(shè)計(jì)兩大核心方向，將熱管理從“被動應(yīng) 對”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃釉O(shè)計(jì)”，在熱性能、可制造性與長期可靠性之間實(shí)現(xiàn)平衡。

值得注意的是，隨著 AI 與 HPC 系統(tǒng)對帶寬需求的進(jìn)一步提升，先進(jìn)封裝技術(shù)正與高速光互連 深度融合。尤其是在共封裝光學(xué)（Co-Packaged Optics, CPO）快速發(fā)展的背景下，光電集成、 封裝架構(gòu)與熱管理之間的耦合關(guān)系愈發(fā)緊密。更高的功率密度與更復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使熱設(shè)計(jì) 成為決定系統(tǒng)上限的關(guān)鍵變量。

在這一技術(shù)交匯點(diǎn)上，全球領(lǐng)先的專利分析與技術(shù)情報(bào)服務(wù)機(jī)構(gòu) KnowMade 正式發(fā)布最新研 究報(bào)告《共封裝光學(xué)（Co-Packaged Optics）與光互連專利全景報(bào)告 2026》。該報(bào)告系統(tǒng)梳理全球 CPO 與光互連領(lǐng)域的專利布局、核心技術(shù)路徑及主要競爭主體，深入分析先進(jìn)封裝與 光電融合趨勢下的創(chuàng)新動態(tài)，為半導(dǎo)體、數(shù)據(jù)中心及系統(tǒng)廠商提供關(guān)鍵戰(zhàn)略參考。 在算力持續(xù)攀升與架構(gòu)持續(xù)演進(jìn)的時代背景下，熱管理已不再只是技術(shù)細(xì)節(jié)，而是支撐下一代 AI 與 HPC 系統(tǒng)擴(kuò)展能力的核心基礎(chǔ)設(shè)施。