为什么说TIM是高功率芯片不可或缺的关键材料？

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热界面材料（TIM）是连接芯片与散热器的关键一层。芯片、封装盖板和散热器的表面存在细微起伏，装配后仍会留下空气间隙，阻碍热量向外传递。TIM填充这些间隙，让热量更顺畅地从芯片传至散热器或液冷冷板。

填充TIM前后器件界面接触的微观示意图

封装按是否带有金属盖板，可分为带盖与无盖两种架构

带盖封装中，热量沿"芯片—TIM1—封装盖板—TIM2—散热器"的路径传递，盖板为芯片提供机械保护、电气隔离并起到均热作用；无盖封装则省去盖板，热量沿"芯片—TIM1.5— 散热器"的路径传递，散热器（或冷板）直接与裸芯片相连，传热路径更短、需要跨越的界面更少，散热效率更高，但芯片失去盖板的隔离与保护，对界面材料的贴合性与装配受力控制提出更高要求。随着AI、高性能计算芯片功耗与热流密度持续攀升，无盖架构凭借更短的传热路径得到越来越广泛的应用。

芯片封装的带盖与无盖结构

不同应用位置对TIM的导热性能、绝缘性及柔软性要求存在差异：

（1）TIM1：位于芯片裸片与封装盖板之间，是芯片热量导出的第一道界面。它直接接触发热芯片，工作温度与热流密度最高，对导热性能和界面可靠性要求最苛刻，散热要求高于TIM2，通常采用铟片、焊料、液态金属等金属基材料，或导热胶、硅脂、相变材料等高分子基材料。

（2）TIM2：位于封装盖板与散热器之间，负责把热量交给外部散热系统。相比TIM1离发热源更远、温度更低，主要作用是填充盖板与散热器之间的空隙并适配装配公差，因此要求材料具备良好的压缩回弹与贴合能力，对绝缘性要求较低，通常采用导热硅脂、导热垫片、相变材料等可压缩或填充型材料。

（3）TIM1.5：用于无盖封装中裸芯片与散热器之间的界面。省去盖板后传热路径更短、热阻更低，但芯片直接承受装配压力，材料需在满足散热要求的同时具备柔软回弹性，以吸收芯片翘曲、避免压伤芯片，通常采用高性能相变材料、液态金属或取向石墨烯导热垫片等。

TIM1、TIM1.5 及 TIM2 的应用位置示意

TIM 材料通常由基体与导热填料组成，二者协同决定材料的导热性能与物理特性。基体主要提供流动性、柔软性和机械稳定性，常见材料包括硅油、硅橡胶、树脂等；导热填料主要用于提高材料热导率，常见材料包括氧化铝、氮化硼等陶瓷材料，以及石墨烯、碳纤维等碳材料。

以相变热界面材料为例，通常以石蜡、聚烯烃等相变物质为基体，通过添加高导热填料、构建定向导热网络，提高材料内部的热量传递效率；同时，利用柔性载体、固态相变结构或微胶囊封装等方式限制相变过程中的材料流动，改善材料的形态稳定性，从而兼顾导热性能、界面贴合性与长期使用可靠性。

相变热界面材料的导热增强及定形改善策略

按照主要材料体系及导热结构，TIM可分为高分子基、金属基和碳基三大技术路线：

（1）高分子基TIM：以有机硅材料为代表，通常以硅油、硅橡胶等高分子材料为基体，填充陶瓷、金属或碳类导热颗粒，形成导热硅脂、凝胶及硅胶垫片等产品，具有柔软性好、易加工及界面适应性强等特点，主要产品包括导热硅脂、导热凝胶、导热垫及导热相变材料。

（2）金属基TIM：以低熔点金属及其合金为导热主体，代表产品包括液态金属、铟片及低熔点焊料，利用金属较高的热导率和界面润湿特性降低传热热阻，也可通过复合其他高导热材料进一步改善性能。

（3）碳基TIM：以石墨烯、碳纤维及碳纳米管等为主要导热材料或导热骨架，通常搭配有机硅、树脂等基体，通过材料取向和连续导热网络设计提高厚度方向的传热能力，代表产品包括取向石墨烯导热垫片、碳纤维导热垫片等。

常见要界面材料有：导热垫片、导热硅脂、导热凝胶、导热相变材料、液态金属材料、石墨烯导热垫片、焊接材料。

芯片功耗与先进封装升级，推动TIM向高导热、高可靠方向演进

AI 服务器功耗持续提升，单颗GPU功耗向千瓦级跃升，高性能TIM需求加速释放。随着AI算力持续提升，英伟达DGX A100、DGX B200 及新一代DGX Rubin NVL8的单台整机功耗分别为6.5、14.3及约24kW，Rubin较A100提升至约3.7 倍。

与此同时，单颗GPU功耗由A100的400W提升至HGX B200的1000W，GB300平台GPU功率上限进一步达到1400W，较A100 提升至3.5倍。随着单颗芯片需要传递的热量持续增加，芯片与散热器之间的界面传热要求同步提高，推动 TIM 向高导热、低热阻及高可靠性方向升级。

AI算力服务器功耗持续提升（英伟达官网）

英伟达单颗GPU功耗持续提升（英伟达官网）

芯片热流密度提升，温度控制成为保障芯片性能及可靠性的关键。随着GPU功耗持续增长，芯片单位面积需要传递的热量增加，局部热点散热难度进一步提升。温度控制直接影响芯片的长期可靠性，芯片结温升高，电子器件失效率加速上升，寿命大幅缩短。

高功率GPU局部热点热流密度显著高于其他区域

芯片结温升高，电子器件失效率加速上升

先进封装向高集成度和2.5D/3D方向演进，进一步抬升芯片散热与界面材料要求。随着AI芯片算力提升，芯片封装由传统引线键合、倒装芯片逐步向晶圆级封装及2.5D/3D先进封装发展，芯片与HBM等器件通过中介层、先进互连实现更高密度集成，封装I/O数量和连接密度持续提升。更高集成度使单位封装面积内聚集更多高功耗器件，同时芯片、硅中介层、封装基板等多种材料共同集成，散热路径和界面热管理复杂度进一步增加。

芯片封装逐步由传统封装向FC、WLP、2.5D/3D等先进封装工艺迭代

封装面积扩大及异质材料集成进一步放大翘曲问题。不同材料热膨胀系数存在差异，在回流焊和芯片冷热循环过程中容易产生热机械应力；随着封装面积扩大，芯片、基板与散热器之间的高度差和局部形变进一步增加，导致TIM厚度及接触压力不均，形成局部高热阻区域。因此，先进封装对TIM的要求由单一高导热进一步升级为高导热、低热阻、低应力和高回弹的综合性能。

2.5D/3D 封装持续大型化，封装翘曲问题进一步加剧

高功耗与先进封装大型化共同推动TIM性能要求升级，传统高分子材料在导热与界面适配之间的矛盾逐步凸显。

高分子基TIM主要通过在硅脂、凝胶、相变材料等基体中加入导热填料提升传热能力，但整体性能仍受到低导热聚合物基体限制，常见导热硅脂、凝胶及垫片热导率多处于个位数W/(m·K)水平，代表性高性能相变材料热导率约为8.5W/(m·K)。继续提高填料比例虽然能够提升导热性能，但同时容易增加材料黏度与刚度，削弱界面润湿、填隙及柔软性。

随着AI芯片功耗迈入千瓦级，同时先进封装向更大面积、更高集成度演进，TIM既需要快速导出热量，又需要适应更大的界面高度差和形变，传统高分子TIM在高导热与柔软贴合之间的性能平衡难度进一步提升。

金属基TIM进一步提高导热能力，但先进封装大型化放大了其界面适配与可靠性约束。铟、液态金属等金属基TIM热导率通常可达20-80W/(m·K)，能够降低材料本体热阻，但实际应用还需要兼顾氧化、腐蚀、导电性、泄漏风险及装配工艺复杂度；对于大尺寸封装，芯片与散热器之间更大的翘曲及接触压力差异，也进一步提高了材料变形能力和界面顺应性的要求。

与此同时，硅脂等流动性TIM在长期冷热循环下还可能出现泵出、渗油及干涸，使界面状态恶化并推高热阻。因此，高端AI芯片对TIM的需求已经由单一追求高导热，升级为高导热、低热阻、低应力、高回弹及长期可靠性的综合要求，新型碳基TIM的材料优势进一步凸显。

常见TIM材料产品的物理特性

TIM 市场持续扩容，石墨烯导热垫片迎来产业化机遇

石墨烯具备优异的本征导热性能，为高性能TIM提供较高的材料性能上限。石墨烯是一种典型的二维材料，单层厚度仅约0.335nm，特殊的晶体结构与电子分布使其兼具优异的机械性能、载流子迁移率和导热性能。

导热方面，单层悬空石墨烯的面内热导率最高可达约5300W/(m·K)；对于含缺陷和官能团的石墨烯粉体，不同制备工艺下热导率约为800 3500W/(m·K)，仍显著高于铜、铝等金属以及氮化铝、碳化硅等陶瓷材料，较高的本征导热性能为其在高功率电子器件热管理中的应用提供了良好的材料基础。

石墨烯TIM材料优势体现在：

（1）导热能力强。石墨烯具有较高的本征面内热导率，通过结构设计形成厚度方向的传热通路，公开的高性能石墨烯导热垫片热导率约为 90-200W/(m·K)；

（ 2）界面贴合性好。石墨烯与柔性基体复合后，垫片具备压缩回弹能力，可适应大尺寸封装的翘曲和装配间隙；

（3）长期稳定性较好。柔性固态结构有助于减少热循环中的材料迁移和泵出，维持界面接触。技术路线由早期将石墨烯作为填料分散于聚合物，逐步发展为构建三维连续导热网络、控制石墨烯垂直取向，将材料的面内导热优势转化为芯片所需的纵向导热能力。市场方面，AI基础设施建设带动高功率芯片部署，GPU、ASIC、服务器CPU等应用对高性能TIM的需求增长，并向光模块、功率半导体等场景延伸。

根据QY Research数据，2024年全球TIM市场规模约20.12亿美元，预计2031年增长至41.48亿美元，2025-2031年复合增速约10.7%。随着AI服务器成为TIM需求增长的重要驱动力，高热流密度场景对材料性能要求持续提升，具备高导热、低热阻及长期可靠性的石墨烯TIM有望优先受益于高端应用升级。

来源：热能工匠

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