芝能智芯出品
随着人工智能、高性能计算和通信技术的发展，芯片功耗持续攀升，热管理成为限制芯片性能释放的关键因素之一。从芯片到系统，散热路径上每一个环节都在承担越来越重要的角色。
我们一起解析高功耗芯片的散热路径、封装结构、Lid 和 TIM（热界面材料）材料的现状与挑战，并提出从材料选型、结构设计到工艺控制的系统优化思路，探讨未来可能推动散热技术跃迁的路径。
Part 1
从芯片到散热器：
热如何“逃离”？
高功耗芯片的热管理，从不是一个简单的热传导问题，散热路径本质上是多个不同材料、界面和结构组合形成的复杂系统。
最基础的传热路径，包括芯片（Die）发热后，依次通过 TIM1、Lid、TIM1.5、散热器，最终借助风冷、液冷或辐射方式释放至环境。
看似线性，实则每个节点都隐藏着不容忽视的热阻和温差。
热传导部分虽然是共性路径，但由于材料热导率和界面接触质量的差异，极易形成温差跳跃。
热界面材料（TIM）便是其中关键变量之一。无论是 TIM1（Die 与 Lid 之间）、TIM1.5（Lid 与散热器之间）还是多芯片系统中的 TIM2、TIM3，导热性能和厚度控制都直接影响整体热阻。
而在热对流路径上，差异则更为显著。风冷仍为主流，但对空间与气流设计依赖极大；自然对流效率低、适用场景有限；最具潜力的浸没式液冷虽然热路径最短，但其在可靠性、维护和成本上的挑战仍待解决，短期内难以普及。
当热流从芯片出发，穿越结构堆叠向外逃逸，每一次“转运”都面临热阻叠加。优化热路径，就是在这个过程中最大程度地减少热能“卡壳”的点。
● 芯片封装的热阻博弈
在高热密度芯片的封装设计中，核心目标是降低芯片结温（Tj）。这一目标受到芯片功耗密度（W/cm²）、封装结构、材料导热能力和热界面厚度等多重因素影响。
例如，一个热耗为 40W、热密度为 2.5W/cm² 的芯片，仅通过如下几项改进：Lid 面积增加 16%、厚度提升 50%、TIM1 厚度减半、导热系数提升 2.5 倍，即可获得 3.2℃ 的结温改善。
这背后反映出的，是热管理的系统性：材料只是起点，结构设计和工艺控制同样重要。
Lid 作为芯片封装中连接 Die 与外部散热器的桥梁，其厚度、材质、表面设计均影响均温效果与散热效率。而 TIM 材料更需在高导热与低厚度之间取得平衡，同时满足长期可靠性。
● Lid 材料：高导热与工艺难题的双重挑战
当前主流的 Lid 材料尝试多种复合方案，但各有难点。
◎ 金刚石复合 Lid 虽具超高导热率，却面临 TIM 分层、检测困难和加工成本高等问题，特别是金刚石硬度对切片和焊接工艺带来极大挑战。
◎ 石墨烯复合 Lid 在横向导热上具优势，但纵向导热能力仍需大幅提升。
◎ 均温板（VC） Lid 是目前被寄予厚望的解决方案之一，理论上能有效均热并降低局部过热风险。但其在高温焊接中易开裂、鼓包，且热性能一致性和检测能力仍不足。尤其是微通道工艺的可靠性和重复性，成为制约其规模化应用的主要瓶颈。
从实际应用效果看，当芯片功耗达到 3040W、热密度达到 2.54W/cm² 时，采用 VC Lid 或石墨复合 Lid 可带来 2~5℃ 的降温收益。而功耗越高，Lid 的热性能影响越明显，尤其在热源分布不均的场景中更具优势。
但从产业角度来看，这类高性能 Lid 材料如何在确保性能的前提下，实现稳定可靠的批量制程，才是最大的“真问题”。
Part 2
热界面材料 TIM：
性能与工艺的微尺度拉锯战
TIM 是芯片热管理链条中被频繁忽视但极为重要的一环。其性能不仅由导热系数（λ）和厚度（δ）决定，更受到安装压力、公差控制和材料压缩率等因素影响。
● TIM1：厚度、导热率与可靠性的三角难题
传统有机硅 TIM1 虽具高可靠性，但导热性能偏弱、热阻偏高。
石墨烯类导热衬垫虽热阻小，但存在上板后分层、撕裂，以及承压能力弱的问题，导致 BLT 偏大，反而影响导热效率。
钢片等金属 TIM1 虽具一定热导优势，但焊接空洞、工艺复杂和成本问题成为制约。
如何在导热率和可靠性之间取得平衡，依旧是当前 TIM1 的材料优化关键。
● TIM1.5：多芯片系统下的新课题
在多个芯片共用散热器，或需消除散热器加工面误差的场景中，TIM1.5 的重要性日益提升。
以石墨烯衬垫为例，在 30~40psi 压力下可表现出优异的热阻性能，但也引入更大应力问题，这要求芯片自身具备更高的机械承压能力，并在工艺上采取防导电碎屑、防短路的额外处理。
Lidless（无盖）结构也正在成为一种新选择。在高热密度芯片中（如器件 1），通过浮动 VC 结合更薄的 TIM1.5 设计，可有效降低热阻；而在低热密度芯片中（如器件 2），则需大幅优化 TIM1.5 材料和结构，才可发挥效果。
TIM 作为微尺度的热通道，任何微小的公差变化或压装误差，都会被放大成温度波动甚至失效风险。
随着芯片热密度的不断攀升，局部热点问题愈发突出。均温板（VC）成为解决热分布不均、降低最高结温的核心器件。
VC 尺寸设计：面积 ≠ 越大越好：从实际测试来看，VC 长宽为芯片 3 倍的设计（方案 2）可获得最佳结温表现。若缩小至芯片等尺寸（方案 4），结温将提升 10℃，直接影响系统稳定性。但面积过大亦将提升成本与安装难度，需根据具体芯片功耗和散热器匹配度精细化设计。安装结构：浮动设计是未来方向：浮动式 3DVC 结构可以有效消除公差带来的热阻波动，并允许更薄、更高性能的 TIM 使用，降低整体热阻。而固定安装方案若无高精度公差匹配，需使用更厚 TIM，间接增加热阻。
在实际应用如通信基站中，3DVC 散热结构面临更多挑战：如逆重力热流设计、流道效率、齿片结构优化、焊接质量控制和大尺寸设备装配配合等。这些都呼唤更高工艺能力，例如搅拌摩擦焊、一体化压铸钎焊等新型焊接与成型方式，以确保大面积 VC 的稳定性和经济性。
小结
在芯片功耗迈入百瓦时代的今天，散热技术的演进早已不只是材料学的挑战，而是一场跨越结构设计、工艺优化和系统工程的全面战役。
每一次对 Lid 材质的创新、每一种 TIM 的改进、每一块 VC 的热场布局背后，都藏着对热物理与工程实践的深度理解。
高性能芯片的散热路径不再是“简单导热”，而是一个“协同优化”的整体生态：材料要更轻薄、热导率更高；结构要可浮动、适应公差；工艺要高一致性、高良率、低成本。热，既是芯片的敌人，也正在倒逼技术的创新边界。
而我们要做的，就是在这场“热”的博弈中，找到既能控温、又可量产的最优解。
原文标题 : 高功耗芯片的如何设计满足散热需求？
