随着半导体封装技术从传统结构向异构集成（HI）、3D 封装等先进架构演进，多个小芯片（含 GPU、CPU、RAM 及传感器）被集成于单一封装体内，热管理的复杂性呈指数级提升。逻辑组件产生的热量易向周边内存、传感器等敏感部件扩散，而输入 / 输出互连密度从传统倒装芯片球栅阵列（FCBGA）的每 mm²48 个 I/O 跃升至硅中介层的每 mm²1000 个以上，进一步加剧了电流集中与散热路径受限的问题，导致界面热导率（ITC）降低和局部热量积聚。因此，构建从芯片到散热器的高效热传导体系，已成为先进半导体封装设计中决定系统性能与稳定性的关键环节。
TIM 作为芯片与散热器之间的关键连接层，其核心作用是填充接触面的微空隙，降低界面热阻。理想的 TIM 需同时具备高导热系数（HTC）与良好的机械柔韧性 —— 高导热系数确保热量高效传递，机械柔韧性则能适应芯片与散热器之间的热膨胀差异，减少热应力。通过在聚合物基体中掺入金刚石提升导热性能，同时优化材料的微观结构，在导热性与柔韧性之间实现平衡。此外，还满足电气绝缘、耐温性等封装要求，避免对器件造成额外影响。
基板是半导体封装的核心支撑结构，不仅承担着机械固定、电气互连的功能，还需具备高效的热传导能力。与 TIM 不同，基板的设计需同时兼顾高导热系数与低介电损耗 —— 高导热系数保障热量从芯片向散热器的快速传导，低介电损耗则确保信号传输的稳定性，避免信号干扰。金刚石复合材料替代传统基板材料，同时优化基板的层状结构与布线设计，在不影响电气性能的前提下提升热传导效率。此外，金刚石基板的热膨胀系数（CTE）与芯片、散热器保持匹配，以降低热循环过程中产生的机械应力，提升封装可靠性。
散热器是热量最终消散的关键组件，其性能直接决定了封装系统的散热极限。为最大化散热效果，散热器材料需具备极高的导热系数。其中，金刚石热沉片凭借优异的导热性广泛应用，在高功率、高密度封装中备受青睐。除了材料选择，散热器的设计优化也至关重要，包括增大散热面积、优化流道结构（针对液冷散热器）等。同时，散热器的热膨胀系数需与芯片紧密匹配，以减少热应力对封装完整性的影响。
除了单个组件的材料创新，界面工程和封装结构优化也是提升热管理效果的关键。界面热阻是影响整体热传导效率的重要因素，尤其在高密度封装中，组件间的界面数量增多，界面热阻的累积效应更为显著。因此，通过界面工程技术提升界面热导率（ITC）至关重要，常用方法包括优化接触面的平整度、采用表面处理技术增强界面结合力、选择适配的粘结材料等。在结构优化方面，核心思路是构建 “芯片 - TIM - 基板 - 热通孔 - 散热器” 的高效热传导路径，确保热量从产生源头到消散终端的无阻碍传递。例如，在 3D 封装中，通过合理布局小芯片的位置，将高发热组件（如 CPU、GPU）靠近热通孔和散热器，减少热量传递距离；在异构集成封装中，采用分层散热设计，为不同功率密度的组件配置专属散热通道。
随着半导体器件功率密度的持续增长，先进芯片封装的热管理已成为制约高性能、高密度系统发展的核心挑战。从芯片到散热器的热传导效率，直接决定了封装的性能与可靠性。先进的热表征技术为优化提供数据支撑，热界面材料、基板、散热器等核心组件的金刚石材料创新是基础，而界面工程与结构优化则是提升整体效率的关键。未来，半导体封装热管理的发展方向将聚焦于 “多性能协同优化”—— 在提升热传导效率的同时，进一步平衡机械可靠性、电气性能与成本；此外，随着人工智能、大数据等技术的融入，基于仿真模拟的精准热设计将成为主流，实现热管理方案的个性化定制。通过材料、结构、工艺与设计的全方位创新，有望突破当前热管理瓶颈，为先进半导体封装技术的持续演进提供保障。
化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂、氮掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。
