На сцену выходит новое поколение термоинтерфейсных материалов (ТИМ), открывающее возможности для качественного скачка в повышении тепловой эффективности, надежности и росте рынка. Исследование IDTechEx, представленное в отчете «Теплоуправление для передовой полупроводниковой упаковки 2026-2036: технологии, рынки и возможности», раскрывает возможности для бизнеса и технические инновации ТИМ следующего поколения для передовой полупроводниковой упаковки.
Эволюция TIM1 → TIM1.5: революционные изменения
Инновации в архитектуре термоинтерфейсных материалов (TIM) преобразуют теплопередачу. Передовая индустрия упаковки полупроводников переходит от классической двухслойной системы (TIM1 + TIM2) к единому слою TIM1.5, разработанному для уменьшения длины теплового пути и устранения интерфейсов, что крайне важно для многослойных чип-сборок.
Жидкометаллические сплавы (термоинтерфейсные материалы на основе сплавов с фазовым переходом), твердые при комнатной температуре, но расплавляющиеся во время работы, обладают сверхнизким межфазным сопротивлением и высокой проводимостью, что делает их хорошо подходящими для применения в TIM1.5.
Термоинтерфейсные материалы на основе индия обладают теплопроводностью всего ~86 Вт/м·К, с температурами плавления (~157 °C), идеально подходящими для склеивания, минимальным образованием зазоров и превосходной механической податливостью.
Разработанные компанией Hitachi Chemical графеновые контактные площадки обеспечивают проводимость в направлении, перпендикулярном плоскости, превышающую 20 Вт/м·К при умеренном давлении (~20 psi), что является значительным улучшением по сравнению с полимерными смазками.
Ключевые показатели производительности
Сравнительный анализ производительности TIM. Источник: IDTechEx
Основные характеристики:
Термоинтерфейсные материалы типа «сэндвич» из жидкого металла и индия обеспечивают контактное сопротивление всего 0,036 см²·К/Вт при давлении 50 psi, превосходя по характеристикам высококачественные термопрокладки и выдерживая ≥200 температурных циклов с минимальной потерей производительности.
Лист чистого индия (толщиной приблизительно 0,05 мм) обеспечивает теплопроводность около 84 Вт/м·К, сохраняет гибкость в диапазоне температур от криогенных до высоких и продолжает функционировать в диапазоне от -273 °C до ~155 °C.
Термоинтерфейсные материалы на основе графена с вертикально ориентированными наполнителями обеспечивают теплопроводность >20 Вт/м·К по всей толщине, но для поддержания низкого контактного сопротивления требуется достаточное давление (>20 psi) и соответствие материала.
Соединения графена могут увеличить теплопроводность обычных смазок примерно в 17 раз, даже при умеренном содержании наполнителя (5-10% по объему), при этом сопротивление на границе раздела фаз (~3-4 мм²·К/Вт) при 330 К сопоставимо с коммерческими термоинтерфейсными материалами.
Почему TIM1.5 является стратегическим конкурентным преимуществом
TIM1.5 — это не просто материал; это философия повышения производительности:
он значительно снижает межфазное тепловое сопротивление за счет устранения переходов между слоями.
Это обеспечивает критически важную эффективность взаимодействия чипа и теплораспределителя в многокристальных модулях высокой плотности.
Он предлагает более высокую удельную стоимость; первые пользователи сообщают о цене в 3-5 раз выше, чем у обычных термоинтерфейсных материалов, что позволяет увеличить маржу. (Оценка отрасли)
В сочетании с растущими тепловыми нагрузками, вызванными высокоскоростной памятью, ускорителями ИИ и многослойными чипами, рынок термоинтерфейсных материалов (TIM1 + TIM1.5) к 2036 году, по прогнозам, достигнет 500 миллионов долларов США, что представляет собой значительную бизнес-возможность. (IDTechEx)
Технические аспекты и факторы, способствующие развитию рынка
: Качество контакта: Термоинтерфейсные материалы с высокими значениями k показывают худшие результаты при плохом контактном взаимодействии; давление, качество поверхности и отсутствие зазоров имеют решающее значение. Оптимизация площади контакта и механической конформности значительно снижает сопротивление Rₙ.
Надежность: Усовершенствованные термоинтерфейсные материалы, такие как многослойные структуры из LM, выдерживают сотни термических циклов и часов работы с сохранением рабочих характеристик.
Соответствие нормативным требованиям: Правила RoHS и сертификация материалов (например, соответствие стандарту UL 94) могут ограничивать использование некоторых термоинтерфейсных материалов на основе металлов, таких как сплавы индия и галлия, которые подвергаются регулирующему контролю в определенных регионах.
Заключение: Граница TIM
Усовершенствованные термоинтерфейсные материалы (TIM), особенно TIM1.5, представляют собой не просто незначительные улучшения, а фундаментальные факторы, обеспечивающие 3D-упаковку полупроводников и создание сверхвысокопроизводительных чипов. Однако, несмотря на широкое использование TIM1.5 в передовых технологиях упаковки полупроводников, таких как Nvidia B200, компания IDTechEx обнаружила, что технические проблемы сохраняются, и отрасль все еще находится в процессе перехода от конструкций с защитными колпачками TIM1+TIM2 к конструкциям без защитных колпачков TIM1.5.
Более подробную информацию можно найти в отчете IDTechEx «Управление тепловыми процессами в современных полупроводниковых упаковках 2026-2036: технологии, рынки и возможности».
