Die nächste Generation von Wärmeleitmaterialien (TIMs) steht kurz vor dem Markteintritt und bietet die Chance auf einen Quantensprung in puncto thermischer Effizienz, Zuverlässigkeit und Marktwachstum. Die Studie „Thermal Management for Advanced Semiconductor Packaging 2026–2036: Technologies, Markets, and Opportunities“ von IDTechEx beleuchtet die Geschäftsmöglichkeiten und technischen Innovationen von TIMs der nächsten Generation für fortschrittliche Halbleitergehäuse.

TIM1 → TIM1.5 Evolution: eine revolutionäre Veränderung

Innovationen in der TIM-Architektur revolutionieren die Wärmeübertragung. Die fortschrittliche Halbleiter-Gehäuseindustrie wechselt vom klassischen Zweischichtsystem (TIM1 + TIM2) zu einer einheitlichen TIM1.5-Schicht. Diese reduziert die thermische Weglänge und eliminiert Grenzflächen – essenziell für gestapelte Chip-Baugruppen.
Flüssigmetalllegierungen (Phasenwechsel-Metalllegierungs-TIMs), die bei Raumtemperatur fest, im Betrieb jedoch flüssig sind, bieten extrem niedrigen Grenzflächenwiderstand und hohe Wärmeleitfähigkeit und eignen sich daher hervorragend für TIM1.5-Anwendungen.
Indiumbasierte TIMs erreichen Wärmeleitfähigkeiten von nur ~86 W/m·K und Schmelzpunkte (~157 °C), die ideal für Bonding, minimale Spaltbildung und exzellente mechanische Anpassungsfähigkeit sind.
Die von Hitachi Chemical entwickelten, graphenausgerichteten Pads bieten eine Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Schichtebene von über 20 W/m·K unter moderatem Druck (~20 psi) – eine deutliche Verbesserung gegenüber Polymerfetten.
Wichtige Leistungskennzahlen

TIM-Benchmark-Vergleich. Quelle: IDTechEx

Hauptmerkmale:
Flüssigmetall/Indium-Sandwich-Wärmeleitfolien (TIMs) bieten einen Kontaktwiderstand von nur 0,036 cm²·K/W bei 50 psi und übertreffen damit High-End-Wärmeleitpads. Sie überstehen ≥200 Temperaturzyklen mit minimalem Leistungsverlust.
Die reine Indiumfolie (ca. 0,05 mm dick) erreicht eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 84 W/m·K, bleibt von kryogenen bis zu hohen Temperaturen flexibel und funktioniert weiterhin zwischen -273 °C und ca. 155 °C.
Graphen-ausgerichtete TIMs mit vertikal orientierten Füllstoffen bieten über ihre gesamte Dicke eine Wärmeleitfähigkeit von >20 W/m·K. Um jedoch einen niedrigen Kontaktwiderstand zu gewährleisten, sind ausreichender Druck (>20 psi) und eine hohe Materialkonformität erforderlich.
Graphenverbindungen können die Wärmeleitfähigkeit herkömmlicher Fette um den Faktor ~17× erhöhen, selbst bei einer moderaten Füllstoffbeladung (5-10 Vol.-%), mit einem Grenzflächenwiderstand (~3-4 mm²·K/W) bei 330 K, der mit kommerziellen Wärmeleitpasten vergleichbar ist.

Warum TIM1.5 ein strategisches Unterscheidungsmerkmal ist

TIM 1.5 ist mehr als nur ein Material; es ist eine Leistungsphilosophie:
Durch die Eliminierung von Übergängen zwischen den Schichten wird der thermische Grenzflächenwiderstand drastisch reduziert.
Dies ermöglicht eine entscheidende Chip-zu-Spreader-Effizienz in hochdichten Multi-Chip-Modulen.
Es bietet einen höheren Stückwert; frühe Anwender berichten von einem 3- bis 5-mal höheren Preis als bei herkömmlichen TIMs, was höhere Gewinnmargen ermöglicht. (Branchenschätzung)
In Kombination mit steigenden thermischen Belastungen durch Speicher mit hoher Bandbreite, KI-Beschleuniger und gestapelte Chips wird der Markt für TIM (TIM 1 + TIM 1.5) bis 2036 voraussichtlich 500 Millionen US-Dollar erreichen und damit ein starkes Geschäftspotenzial darstellen. (IDTechEx)

Technische Überlegungen und Marktfaktoren
: Kontaktqualität: Wärmeleitmaterialien mit hohen k-Werten weisen eine geringere Leistung auf, wenn der Grenzflächenkontakt mangelhaft ist; Druck, Oberflächengüte und die Abwesenheit von Spalten sind entscheidend. Die Optimierung der Kontaktfläche und der mechanischen Passung reduziert den Rₙ-Wert deutlich.
Zuverlässigkeit: Moderne Wärmeleitmaterialien, wie z. B. LM-Sandwiches, halten Hunderten von Temperaturzyklen und Betriebsstunden mit dauerhafter Leistung stand.
Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen: RoHS-Richtlinien und Materialzertifizierungen (z. B. UL-94-Listung) können die Verwendung bestimmter metallbasierter Wärmeleitmaterialien, wie z. B. Indium-Ga-Legierungen, einschränken, die in bestimmten Regionen regulatorischen Prüfungen unterliegen.

Schlussfolgerung: Die TIM-Grenze

Fortschrittliche Wärmeleitmaterialien (TIMs), insbesondere TIM 1.5, stellen keine bloßen Verbesserungen dar, sondern sind grundlegende Voraussetzungen für die 3D-Halbleitergehäusefertigung und die Herstellung von Hochleistungschips. Trotz der weitverbreiteten Verwendung von TIM 1.5 in fortschrittlichen Halbleitergehäusen, wie beispielsweise Nvidias B200, hat IDTechEx festgestellt, dass weiterhin technische Herausforderungen bestehen und die Branche sich noch im Übergang von geschlossenen TIM1+TIM2-Designs zu geschlossenen TIM1.5-Designs befindet.

Weitere Informationen finden Sie im IDTechEx-Bericht „Thermal Management for Advanced Semiconductor Packaging 2026-2036: Technologies, Markets and Opportunities“.