La prossima generazione di materiali per l'interfaccia termica (TIM) sta entrando in scena, offrendo l'opportunità di un salto di qualità in termini di efficienza termica, affidabilità e crescita del mercato. La ricerca di IDTechEx, contenuta nel report "Gestione termica per il packaging avanzato dei semiconduttori 2026-2036: tecnologie, mercati e opportunità", rivela le opportunità commerciali e le innovazioni tecniche dei TIM di nuova generazione per il packaging avanzato dei semiconduttori.
Evoluzione da TIM1 a TIM1.5: un cambiamento rivoluzionario
Le innovazioni nell'architettura dei TIM stanno trasformando il trasferimento di calore. L'industria avanzata del packaging dei semiconduttori si sta spostando dal classico sistema a due strati (TIM1 + TIM2) a un singolo strato TIM1.5, progettato per ridurre la lunghezza del percorso termico ed eliminare le interfacce, elementi essenziali per gli assemblaggi di chip impilati.
Le leghe di metallo liquido (TIM a cambiamento di fase), solide a temperatura ambiente ma fuse durante il funzionamento, offrono una resistenza interfacciale estremamente bassa e un'elevata conduttività, caratteristiche che le rendono particolarmente adatte alle applicazioni TIM1.5.
I TIM a base di indio offrono conduttività termiche fino a ~86 W/m·K, con punti di fusione (~157 °C) ideali per il bonding, la formazione minima di gap e un'eccellente conformabilità meccanica.
I pad allineati al grafene sviluppati da Hitachi Chemical offrono una conduttività trasversale superiore a 20 W/m·K a pressioni moderate (~20 psi), un miglioramento significativo rispetto ai grassi polimerici.
Parametri chiave di prestazione
Confronto dei benchmark TIM. Fonte: IDTechEx
Caratteristiche principali:
TIM) a sandwich di metallo liquido/indio offrono una resistenza di contatto pari a soli 0,036 cm²·K/W a 50 psi, superando le prestazioni dei pad termici di fascia alta e resistendo a ≥200 cicli termici con una perdita minima di prestazioni.
Il foglio di indio puro (spessore di circa 0,05 mm) raggiunge circa 84 W/m·K, rimane flessibile da temperature criogeniche ad alte temperature e continua a funzionare tra -273 °C e ~155 °C.
I TIM allineati con grafene, utilizzando riempitivi orientati verticalmente, offrono >20 W/m·K su tutto il loro spessore, ma il mantenimento di una bassa resistenza di contatto richiede una pressione sufficiente (>20 psi) e la conformità del materiale.
I composti di grafene possono aumentare la conduttività termica dei grassi convenzionali di un fattore ~17×, anche con un modesto carico di riempitivo (5-10% in volume), con una resistenza di interfaccia (~3-4 mm²·K/W) a 330 K che rivaleggia con i TIM commerciali.
Perché TIM1.5 è un elemento di differenziazione strategica
TIM1.5 non è solo un materiale; è una filosofia prestazionale:
riduce drasticamente la resistenza termica interfacciale eliminando le transizioni tra gli strati.
Ciò consente un'efficienza critica tra chip e spreader nei moduli multi-chip ad alta densità.
Offre un maggiore valore unitario; i primi utilizzatori segnalano un prezzo da 3 a 5 volte superiore rispetto ai TIM convenzionali, consentendo margini di profitto più elevati (stima del settore).
Considerando anche i crescenti carichi termici dovuti alle memorie ad alta larghezza di banda, agli acceleratori AI e ai chip impilati, si prevede che il mercato dei TIM (TIM1 + TIM1.5) raggiungerà i 500 milioni di dollari entro il 2036, rappresentando una solida opportunità di business (IDTechEx).
Considerazioni ingegneristiche e fattori abilitanti del mercato
: Qualità del contatto: i TIM con valori k elevati hanno prestazioni peggiori se il contatto dell'interfaccia è scadente; pressione, finitura superficiale e assenza di spazi vuoti sono fondamentali. L'ottimizzazione dell'area di contatto e della conformità meccanica riduce drasticamente Rₙ.
Affidabilità: i TIM avanzati, come i sandwich LM, resistono a centinaia di cicli termici e ore di funzionamento con prestazioni costanti.
Conformità normativa: le normative RoHS e la certificazione dei materiali (ad esempio, la certificazione UL 94) possono limitare l'adozione di alcuni TIM a base di metallo, come le leghe indio-ga, che sono soggette a controlli normativi in regioni specifiche.
Conclusione: La frontiera del TIM
I materiali termoconduttivi avanzati, in particolare il TIM1.5, non rappresentano miglioramenti incrementali, ma elementi fondamentali per il packaging 3D dei semiconduttori e per i chip ad altissime prestazioni. Tuttavia, nonostante l'ampio utilizzo del TIM1.5 nel packaging avanzato dei semiconduttori, come ad esempio nel chip B200 di Nvidia, IDTechEx ha rilevato che permangono sfide tecniche e che il settore è ancora in fase di transizione dai design con TIM1+TIM2 incapsulati ai design senza TIM1.5.
Ulteriori informazioni sono disponibili nel report IDTechEx, "Gestione termica per il packaging avanzato dei semiconduttori 2026-2036: tecnologie, mercati e opportunità".
