芝能智芯出品
随着集成电路性能不断提升，芯片的热设计正成为制约系统可靠性、效率和寿命的关键瓶颈。
传统风冷技术已难以满足功率密度持续攀升的需求，从封装材料、界面连接到系统级散热架构，整个冷却链条正在迎来技术转型。
我们聚焦于当前芯片冷却的核心挑战，从芯片内部热源扩散路径出发，探讨热界面材料、封装结构尺寸、封装翘曲、金属TIM和液冷系统等关键技术的最新进展与工程应对策略。
Part 1
热障上行：
从芯片到封装的散热博弈
集成电路的演进轨迹正指向更高的计算密度、更复杂的封装结构和更小的单元面积，导致芯片的单位面积功率密度迅速增长。在这一趋势下，芯片不再只是一个功能逻辑单元，更是一台高功率热源。
电能在电路中转化为逻辑工作的同时，也产生大量热量，其中相当一部分并未被有效利用，而是聚集在微米级的硅体内，急需尽快排出以维持系统正常运作。
芯片热量的主要路径是垂直方向。热从活跃的硅层出发，穿过硅本体、焊球、封装基板，最终传导到散热器或系统壳体。在倒装芯片（flip-chip）结构中，这一垂直路径尤为清晰。
封装本体材料的热导率和厚度直接影响热通量的效率。目前，高性能计算（HPC）和数据中心的应用几乎都采用顶部散热策略，因为PCB及底部结构对热流的阻力太大——超过95%的热量必须通过芯片上方快速排出。
受限于光罩尺寸，芯片面积基本锁定在26mm×33mm以内，难以扩展，而封装尺寸则在快速增长——从60mm×60mm扩展到85mm×85mm，甚至迈向100mm级别。封装变大，有助于分摊功率密度，延缓热点形成，但也带来新的结构挑战。
热胀冷缩导致大尺寸封装更容易翘曲或分层，尤其是在多芯片堆叠（如2.5D、3D IC）和chiplet集成盛行的当下，x、y方向上的热集成压力进一步放大。
在这种背景下，封装内热量管理演变为多层系统工程，从芯片背面的热帽（lid），到导热片（heat spreader），再到上方的散热片（heatsink），每一层的热阻都对整体散热路径产生影响。
而贯穿各层之间的“热桥”——热界面材料（TIM）——则成为关键瓶颈之一。
Part 2
冷却架构重塑：
从TIM到液冷的多层进化
传统TIM主要由导热聚合物加填料组成，但导热系数通常不足，即便加入石墨、碳纳米管或金刚石等填料，也很难应对超过400W、乃至1000W热通量的先进封装需求。
在封装尺寸不断扩展、芯片工作负载持续突发式增长的背景下，聚合物TIM的厚度必须压缩到极限，才能避免热扩散路径过长。然而过薄又可能导致界面填充不良、应力集中，形成气隙或分层。
金属TIM，特别是基于铟合金的TIM，正在快速取代传统聚合物材料。铟合金TIM不仅导热率高（可达70–90 W/m·K），还能在多次热循环中保持界面稳定性。
实验证明，使用金属TIM可将芯片结温降低10°C以上，而这10°C的改善在可靠性工程中意义重大：每上升10°C，芯片寿命可能减少一半。因此，对于功率高于400W、热冲击频繁的芯片，金属TIM正逐渐成为主流配置。
金属TIM也并非完美方案。由于其热膨胀系数与硅、铜、封装树脂等材料存在差异，在大尺寸封装中容易产生热应力集中，导致边缘部位的粘接失效。
这一问题在多TIM架构（如TIM I和TIM II）中尤为显著。例如，芯片和导热帽之间是TIM I，而导热帽与散热器之间是TIM II，两者可能面临不同的热疲劳周期，对粘合剂和TIM形变提出更高要求。
在芯片冷却的系统层面，风冷逐渐达到物理极限。尤其在功耗突破800W后，单纯依赖风扇与散热器已无法维持足够的温差驱动热流，因此液冷技术正在快速渗透至主流高性能系统。液冷分为直接接触式（cold plate）、封闭式循环以及两相流冷却。
最先进的两相沸腾流系统利用冷却液在芯片表面吸热蒸发，再通过气液分离器冷凝回流，提供极低的热阻通道。这种冷却方式能在不显著提升系统能耗的情况下应对高频突发热载荷，尤其适合AI推理、HPC、边缘计算等对稳定性要求极高的场景。
传统的浸没式液冷虽然具有更高冷却能力，但对系统封装结构提出重构要求，对主板、电源、连接器等也要使用液体兼容材料，工程代价较高，短期内难以规模部署。
冷却板（cold plate）方案则作为中间形态，正在被广泛应用于高性能GPU、ASIC和数据中心处理器中。热流分布非均匀性——即热点问题——仍是冷却系统设计的最大敌人。
为避免全芯片范围过度散热，现代散热架构趋向于在局部实施高热通量的定点冷却。例如利用相变材料、局部微通道冷却器（microchannel cooler）等手段，将最靠近热点的区域快速降温，再通过金属导热片扩散至整体散热系统。
最后，芯片冷却已不再是简单的附属设计，而是整个系统架构设计中的核心工程。从材料科学、机械结构到流体热力学，冷却技术正跨越传统边界，成为电子封装创新的主战场。
随着chiplet架构、3D堆叠、高热密度AI芯片的不断推进，未来散热系统将更趋精细化、层级化与集成化。金属TIM、液冷系统、两相流冷却、先进热界面材料，这些过去被视为前沿实验室技术的方案，正在快速商业化。而如何在材料成本、结构复杂性、系统可靠性之间取得平衡，将决定冷却方案的可持续性和大规模部署前景。
小结
冷却不再是“补丁式”的末端修复策略，而是贯穿芯片设计、封装建模、系统集成与生命周期管理的全链路技术闭环。唯有突破热障，电子系统的性能潜力方可真正释放。
原文标题 : 高密度电子封装如何突破热障？芯片冷却技术技术解析
