【導讀】在先進封裝技術向高集成度
、高功率密度演進的過程中，熱界麵材料（TIM）正經曆著從單純導熱填充物到核心結構【導讀】功能層的深刻變革。麵對芯片、基板與模封材料間熱膨脹係數差異引發的翹曲、分層及可靠性挑戰，傳統單層連續TIM架構已難以滿足需求。本文深入探討了以台積電為代表的行業前沿如何通過分區多TIM架構
、複fu合he材cai料liao創chuang新xin以yi及ji三san維wei熱re路lu徑jing重zhong構gou
，將jiang熱re管guan理li與yu機ji械xie應ying力li調tiao控kong深shen度du融rong合he。這zhe些xie技ji術shu突tu破po不bu僅jin解jie決jue了le高gao熱re流liu密mi度du下xia的de散san熱re瓶ping頸jing，更geng通tong過guo材cai料liao與yu微wei結jie構gou的de協xie同tong優you化hua，為wei提ti升sheng先xian進jin封feng裝zhuang的de良liang率lv與yu長chang期qi可ke靠kao性xing提ti供gong了le關guan鍵jian解jie決jue方fang案an。

1.熱界麵材料（TIM）：從配角到核心角色

在先進封裝體係中
，TIM 是shi將jiang熱re量liang從cong芯xin片pian傳chuan導dao至zhi蓋gai板ban和he散san熱re器qi的de關guan鍵jian媒mei介jie。如ru今jin，它ta已yi不bu再zai隻zhi是shi簡jian單dan的de導dao熱re填tian充chong物wu，而er是shi同tong時shi承cheng擔dan熱re設she計ji與yu機ji械xie調tiao控kong功gong能neng的de重zhong要yao結jie構gou層ceng。其qi表biao現xian直zhi接jie影ying響xiang封feng裝zhuang翹qiao曲qu
、界麵分層
、金屬間化合物生成、共麵性以及長期可靠性。

從單層 TIM 到分區、多 TIM 架構

在大型高端封裝中
，芯片
、基板、模封材料和蓋板之間存在明顯的熱膨脹係數差異。熱循環過程中
，這種差異不可避免地導致封裝翹曲，而應力往往集中在 TIM 層的邊角或附著力較弱的區域，增加開裂和分層風險。隨著封裝尺寸和功率密度持續攀升，熱—機械耦合問題已成為影響良率與壽命的核心挑戰。

為此，台積電提出將傳統連續單層 TIM 拆分為多個功能區，或在 TIM 中設計溝槽結構，使應力能夠在局部釋放，而不是在整個界麵擴散。例如在專利申請 US20220359339 中，通過分段式 TIM 設計，有效降低了應力累積和分層風險。

此外
，在同一封裝內部采用不同性能的 TIM 材料也成為關鍵策略：高功耗芯片上方配置高導熱 TIM，而外圍區域則采用更厚或更具彈性的材料，以吸收翹曲應變、減緩界麵應力。相關思路見於專利 US11088109 及 US20220359339。其核心理念在於，通過空間分區設計
，在熱性能與機械可靠性之間實現協同優化
，而非簡單權衡。

圖 1：多 TIM 封裝及其形成方法（US20220359339）

複合材料與石墨 TIM：材料與結構協同優化

在高強度熱循環環境下

，僅靠單一材料已難以滿足可靠性要求。台積電在專利 US11107747 中提出複合型 TIM：在高導熱金屬基體中嵌入金屬鍍層聚合物顆粒，在保持導熱性能的同時引入彈性緩衝能力，從而減輕應力集中、改善厚度均勻性並降低芯片開裂風險。

對於石墨基 TIM——雖然具有優異的麵內導熱能力

，但脆性高
、附著性不足——台積電通過設置間隔框架結構，對石墨層進行機械隔離與壓縮控製，以提升界麵穩定性（US20250309071）。

在金屬 TIM 方麵
，為抑製金屬間化合物增長和 Kirkendall 空洞帶來的長期可靠性問題，台積電采用晶向工程技術：利用高度織構化的 Cu(111) 擴散阻擋層減少原子互擴散
，同時保持良好導熱性能（US20250118615）；在無蓋或環形 CoW 架構中
，通過直接金屬鍵合方式避免回流焊過程中的再熔風險（US20250349654）。這些技術表明，TIM 的可靠性來源於材料
、微結構與界麵工程的整體優化。

圖 2：包含散熱結構的封裝結構及其形成方法（US20250118615）

2. 重新構建 3DIC 與異構封裝中的熱路徑

在 3D 堆疊封裝中，內部芯片往往被底部填充材料和模封材料包圍，熱量容易滯留，從而形成熱點並加劇層間熱串擾。

針對這一問題，台積電將 TIM 從傳統的平麵界麵轉化為三維熱網絡的重要組成部分：

通過高導熱蓋板與精準控製的TIM點膠工藝，建立更直接的垂直散熱路徑（US11482465）；

借助多 TIM 分區及定向散熱結構，為高功耗芯片優先構建散熱通道
，同時減少對低功耗區域的冗餘金屬化（US20240363474）
；

在芯片或蓋板表麵引入微通道或腔體，並填充 TIM，增加接觸麵積
，從而提升局部熱點散熱效率（CN121096975）。

這些方案的共同特點是：熱界麵不再是單一平麵
，而是根據芯片功耗分布進行定製化設計
，形成針對特定芯片的垂直散熱路徑。

圖 3：具備熱管理特征的半導體芯片封裝形成方法（US20240363474）

台積電在 3DIC 封(feng)裝(zhuang)中(zhong)的(de)熱(re)管(guan)理(li)理(li)念(nian)，本(ben)質(zhi)上(shang)是(shi)一(yi)種(zhong)熱(re)與(yu)機(ji)械(xie)協(xie)同(tong)工(gong)程(cheng)方(fang)法(fa)。隨(sui)著(zhe)集(ji)成(cheng)密(mi)度(du)提(ti)升(sheng)，熱(re)流(liu)密(mi)度(du)增(zeng)加(jia)的(de)同(tong)時(shi)，材(cai)料(liao)間(jian)熱(re)膨(peng)脹(zhang)差(cha)異(yi)也(ye)放(fang)大(da)了(le)應(ying)力(li)問(wen)題(ti)，可(ke)能(neng)引(yin)發(fa)熱(re)點(dian)

、翹曲以及“未鍵合”等電氣缺陷，進而影響可靠性。

相關專利展示了多種互補技術手段：

1.具備導熱與應力調節功能的間隙填充結構
，用於降低翹曲並改善熱路徑（US12249566）；

2.覆蓋芯片的支撐基板結構，同時充當機械加固層與熱傳導通道，並可結合虛擬芯片或材料搭配實現應力平衡（US20250266318）
；

3.采用減薄載體芯片與對齊虛擬焊盤的頂部散熱架構

，使熱量通過前端互連向上傳導（US20250300149）。

同時，台積電還提出相配套的製造流程優化方案，如載體與去鍵合層設計
、受控堆疊與釋放順序等，以提升大規模製造中的對準精度和結構穩定性（US20250167060）。

圖 4：具備散熱結構與翹曲控製的 3DIC（US20250266318）

圖 5：高效散熱的 3DIC 封裝（US20250300149）

熱界麵材料在先進封裝中的角色已根本性轉變，成為連接熱性能與機械可靠性的樞紐。從分段式TIM設計釋放局部應力，到複合材料及晶向工程技術抑製界麵失效，再到3DIC中定製化垂直散熱網絡的構建
，一係列創新專利表明：未來的熱管理不再是單一維度的導熱優化，而是涵蓋材料選擇、微觀結構設計及製造流程的係統性協同工程。