SEMICON台湾技术论坛报告总结：AI时代半导体材料创新（五）突破热障与功率壁垒，迈向光互连与3D集成新时代

【编者按】

本文选自Semi Vision，深度解析SEMICON Taiwan 2025材料论坛的核心议题，揭示AI驱动下半导体行业正从“晶体管微缩”转向“材料革命”。TSMC、ASE、TOK、GlobalWafers等巨头一致认为，EUV光刻胶、方形硅片、SiC中介层、玻璃基板（TGV）、钼互联等材料创新，已成为突破系统性能、互联效率与热管理瓶颈的关键。文章从前沿材料技术、协同开发生态、可持续发展等多维度，勾勒出一幅材料驱动AI算力未来的全景图，为读者理解下一代半导体技术变革提供深度视角。

湾芯展期间的技术论坛涉及晶圆制造工艺、设备与材料、先进封装、化合物半导体，以及AI芯片和IC设计等技术热点和产业趋势，很多在SEMICON台湾论坛上演讲的厂商和嘉宾也会来湾芯展论坛做主题演讲分享。

热障壁

热管理仍然是一个关键限制因素。随着AI加速器的功耗达到千瓦级别，传统的液体冷却已不足以应对。从硅冷却板到先进热界面材料以及系统级浸没式冷却等新方法正在涌现，但尚未能为3000瓦级的设备提供明确的解决方案。这对于材料供应商来说是一个紧迫的机遇，他们可以在散热、应力控制和高功率可靠性方面提供创新。

光子学与互连的未来

另一个反复出现的主题是从铜互连向光互连的转变。虽然光互连已在系统级得到应用，但将光子学直接集成到先进封装中被视为下一个飞跃。在晶圆或面板级嵌入光学引擎有望实现带宽和功率效率的数量级提升。然而，集成仍然复杂，涉及EIC/PIC协同封装、透镜对准以及晶圆级处理创新。这一领域仍处于早期阶段，为半导体、光学和材料生态系统之间的合作提供了重大机遇。

Power SiP：为AI时代重新定义供电

随着AI工作负载持续增长，半导体行业面临一个日益严峻的挑战：如何在日益受限的外形尺寸内，高效、可靠地输送巨大电力。在SEMICON台湾展上，日月光介绍了其Power SiP™解决方案——这是一种变革性的供电方法，直接解决了困扰当今先进系统的电流密度限制、I²R损耗和热瓶颈问题。

问题：功耗需求攀升，裕量不断缩小

现代GPU和AI加速器每系统的功耗现已超过1000-3000瓦，晶体管数量和内存堆栈推动密度达到前所未有的水平。传统的横向供电结构已达到极限。在横向配置中，电流密度徘徊在0.4 A/mm²左右，电阻性损耗高达总功耗的12%。这不仅浪费能源，还加剧了热管理问题。

原理：3D垂直电源集成

日月光Power SiP从根本上改变了传统的供电方案，从横向转变为垂直3D堆叠的电源组件。

·第一代垂直3D SiP将功率密度提高到0.6 A/mm²，同时将电阻损耗降低至6.3%。

·第二代垂直3D SiP将密度推至0.9 A/mm²，I²R损耗仅为3.6%，标志着效率相比横向布局提高了三倍。

这种改进源于更短的电气和热路径：将电容器、电感器和控制器直接堆叠在芯片上方或下方，从而最大限度地减少了寄生电阻和电感。散热变得更直接，降低了总功耗。

平台设计：VPD与嵌入式技术

日月光Power SiP不仅仅是单一器件，更是一个平台架构。其VPD技术通过SiP内嵌入电容器、电感器和控制器的分级系统，将高输入电压从典型的48V转换为<1V。有两项关键创新尤为突出：

1.IVR嵌入式技术：实现约1mm的总厚度，将稳压器直接嵌入封装内。

2.SESUB嵌入式技术：将厚度进一步减小至约0.5mm，同时保持稳定性，这对于紧凑的系统板至关重要。

这使得高性能处理器能够获得纯净的低压电源，无需笨重的外部稳压器，显著减少了板级占用面积和传输损耗。

对AI系统的战略重要性

这一突破的重要性怎么强调都不为过。在部署了数千个GPU的AI算力工厂中，即使功耗降低2-3%，也意味着节省兆瓦级的能源——从而降低运营成本并缓解数据中心的可持续性压力。

此外，通过减少横向占用面积和垂直堆叠组件，日月光实现了：

·XY面积减少25%，允许在单位板面积内容纳更多芯片。

·更高的组件密度，支持高带宽内存和逻辑芯片的高密度协同封装。

·更短的电气和热路径，提高了速度和可靠性。

换言之，Power SiP不仅仅是一种封装创新；它是AI时代的基础设施推动者。日月光推出Power SiP强调了供电已变得与逻辑微缩同等重要。虽然业界大多关注GPU、互连和内存，但高效的电源转换才是沉默的推动者。随着像英伟达Rubin和Feynman代系的GPU迈向数千瓦级操作，垂直供电很可能将成为高端AI和数据中心系统的标准设计特征。

日月光的战略也凸显了一个重要的行业事实：未来的瓶颈不再仅仅是晶体管，还关乎系统级能效。

日月光在SEMICON台湾展上的讨论强化了几个关键要点：

·封装不再是配角；它已成为AI计算的主舞台。

·材料创新与封装进步密不可分，涵盖光刻胶、键合材料、热解决方案和光子学。

·行业面临双重任务：在提高性能和能效的同时，确保可制造性、可靠性和环境合规性。

·跨生态系统的合作——从晶圆厂到封测代工厂，从化学供应商到设备制造商——将决定解决方案的推广速度。

AI革命正在迫使重新定义半导体技术路线图，材料和封装从次要考虑因素转变为主要差异化因素。未来十年的定义将不仅是晶体管密度，还在于行业如何掌握系统集成、热管理和光互连。

Lam：半导体的未来：材料解决方案的突破

AI正迫使整个半导体技术栈以近期前所未有的速度发生改变。超大规模数据中心运营商每季度投入高达200-250亿美元的资本支出，推动逻辑、内存和存储技术遵循更激进的发展路线图。然而，限制因素不再仅仅是晶体管尺寸；它们还包括互连电阻、垂直集成复杂性以及功率/热预算。纵观逻辑、DRAM和3D NAND，共同点在于材料：使密集的3D架构能够制造的沉积化学物质、衬垫/阻挡层、选择性薄膜和低损耗电介质。

会议中出现的一个核心论点是，通过原子/区域选择性工艺生长并经过大晶粒工程优化的钼，已成为在先进制程节点上接替或辅助铜/钴/钨的主要候选材料。NAND提供了最清晰的案例研究：在经过原子层沉积/化学气相沉积钨实现高深宽比填充的十年之后，行业下一步的电阻和应力降低将来自逻辑和DRAM中采用轻阻挡层或无阻挡层的钼字线以及钼接触/互连。以下分析综合了技术论点、集成方案以及对供应链的影响。

行业格局：AI需求，3D无处不在