一、引言
隨著科技的飛速發(fā)展,高功率大尺寸芯片在數(shù)據(jù)中心、人工智能、高性能計算等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。然而,這類芯片的高功耗和物理尺寸的擴展帶來了嚴(yán)重的散熱問題。據(jù)研究,芯片溫度每升高10℃,其可靠性可能降低約50%。因此,高效散熱技術(shù)對于維持高功率大尺寸芯片的穩(wěn)定、高效運行至關(guān)重要。近年來,石墨烯導(dǎo)熱墊片作為一種新興的散熱技術(shù),正逐漸嶄露頭角,為解決這一難題提供了新的思路。
二、高功率大尺寸芯片散熱難題
隨著DeepSeek等大模型推開AI技術(shù)應(yīng)用的大門,以高算力AI芯片為核心的數(shù)據(jù)中心建設(shè)迎來了高速發(fā)展。AI芯片功耗的指數(shù)級增長與物理尺寸的線性擴展形成顯著矛盾,直接導(dǎo)致功率密度大幅度提升。以H100芯片為例,其最大功耗可達700W,芯片尺寸814mm2。長時間高功率運轉(zhuǎn)發(fā)熱引發(fā)的芯片翹曲問題越發(fā)嚴(yán)重,隨著功耗的繼續(xù)增加和芯片尺寸的繼續(xù)增大,傳統(tǒng)熱界面材料體系已經(jīng)難以承受。
傳統(tǒng)熱界面材料如硅脂、相變導(dǎo)熱材料、銦片等,雖然能夠滿足低BLT(Bond Line Thickness,即熱界面材料厚度)和低熱阻的要求,但在面對材料熱膨脹系數(shù)(CTE)失配引發(fā)的結(jié)構(gòu)形變時卻顯得力不從心。當(dāng)系統(tǒng)持續(xù)高功率運行時,基板、芯片和散熱器因CTE的差異會產(chǎn)生0.1-0.3mm的翹曲。這種動態(tài)形變不僅會降低TIM(Thermal Interface Material,即熱界面材料)材料的熱傳導(dǎo)效率,更會引發(fā)界面材料的“泵出效應(yīng)”(Pump-out phenomenon)。該效應(yīng)強度與封裝尺寸呈正相關(guān)性,在1000mm2級以上封裝中其破壞性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小尺寸封裝,直接威脅產(chǎn)品的可靠性壽命。
三、石墨烯導(dǎo)熱墊片的崛起
石墨烯作為一種由碳原子組成的二維材料,具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)和優(yōu)異的機械性能。單層石墨烯的理論導(dǎo)熱系數(shù)可達5300W/mK,是目前為止導(dǎo)熱系數(shù)最高的材料之一。同時,石墨烯還具備出色的柔韌性和強度,比鉆石還堅硬,強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。這些獨特的性能使得石墨烯在散熱領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
近年來,隨著石墨烯制備技術(shù)和取向工藝的不斷發(fā)展,石墨烯導(dǎo)熱墊片應(yīng)運而生。以鴻富誠為例,該公司在2018年已有開發(fā)取向碳纖維導(dǎo)熱墊片的成功經(jīng)驗基礎(chǔ)上,通過取向工藝成功的進一步開發(fā)出縱向石墨烯導(dǎo)熱墊片,成功破解了高功率大尺寸芯片散熱難題。
四、石墨烯導(dǎo)熱墊片的技術(shù)優(yōu)勢
- 低BLT難題的解決
通過超薄工藝制程,石墨烯導(dǎo)熱墊片最大可搭配70%使用壓縮量,芯片封裝TIM場景BLT可達0.1mm。這一性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)熱界面材料,有效降低了熱阻,提高了散熱效率。
- 低熱阻難題的攻克
單層石墨烯的理論導(dǎo)熱系數(shù)可達5300W/mK,通過取向工藝后,施加合適的封裝壓力,石墨烯導(dǎo)熱墊片的熱阻低至0.04℃cm2/W。這一性能使得石墨烯導(dǎo)熱墊片在高功率大尺寸芯片的散熱中表現(xiàn)出色,能夠快速將芯片產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出。
- 大尺寸翹曲難題的應(yīng)對
石墨烯導(dǎo)熱墊片通過內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu),能夠快速適應(yīng)界面局部形變。防止材料從界面被擠出,杜絕界面空隙產(chǎn)生,完美吸收翹曲位移,保證長期使用可靠性。這一性能對于解決高功率大尺寸芯片因CTE失配引發(fā)的翹曲問題具有重要意義。
- 高可靠性的保障
石墨烯導(dǎo)熱墊片分別通過鴻富誠內(nèi)部CNAS認(rèn)可實驗室及量產(chǎn)客戶實驗室嚴(yán)苛的1000h高溫、高低溫沖擊、雙85老化測試,熱阻變化率均小于5%。這一性能顯著優(yōu)于常規(guī)熱界面材料,為產(chǎn)品的長期穩(wěn)定運行提供了有力保障。
- 高品質(zhì)批量化商用的實現(xiàn)
鴻富誠縱向石墨烯導(dǎo)熱墊片積累多年芯片散熱應(yīng)用經(jīng)驗,已實現(xiàn)自動化產(chǎn)線和量產(chǎn)交付。產(chǎn)品品質(zhì)獲得國內(nèi)外多家芯片行業(yè)龍頭企業(yè)認(rèn)可并獲得“質(zhì)量優(yōu)秀協(xié)作獎”。這一成就標(biāo)志著石墨烯導(dǎo)熱墊片已經(jīng)具備了大規(guī)模商用的條件。
五、石墨烯導(dǎo)熱墊片與傳統(tǒng)熱界面材料的對比
與傳統(tǒng)熱界面材料如導(dǎo)熱硅脂、銦片等相比,石墨烯導(dǎo)熱墊片具有顯著的性能和工藝優(yōu)勢。
- 與導(dǎo)熱硅脂的對比
石墨烯導(dǎo)熱墊片沒有蠕變和泵出風(fēng)險,高彈性貼合應(yīng)對大尺寸芯片翹曲問題。熱界面規(guī)則完整,熱量傳導(dǎo)均勻無熱點。長時間高溫運行不會變干,長周期老化熱阻更穩(wěn)定。硅氧烷含量極低,可滿足低揮發(fā)要求的芯片散熱應(yīng)用場景。此外,石墨烯導(dǎo)熱墊片的使用也更加便捷,無需涂抹硅脂的繁瑣步驟,大大提高了安裝效率。
- 與銦片的對比
銦片現(xiàn)有封裝工藝需在芯片/Lid鍍金,貼裝需要flux spray和真空回流焊,工藝復(fù)雜且容易產(chǎn)生Void偏大、熔化回流污染、圍堵失效等問題。而石墨烯導(dǎo)熱墊片工藝簡單,可實現(xiàn)自動化貼裝,不需要繁雜的工藝,大大節(jié)省封裝時間和設(shè)備投入成本。
六、石墨烯導(dǎo)熱墊片的應(yīng)用場景
石墨烯導(dǎo)熱墊片憑借其出色的散熱性能和便捷的使用方式,在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
- AI算力等高功率芯片
在AI算力等高功率芯片領(lǐng)域,石墨烯導(dǎo)熱墊片能夠快速將芯片產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出,確保芯片的穩(wěn)定、高效運行。這對于提高AI模型的訓(xùn)練速度和準(zhǔn)確性具有重要意義。
- 智駕域控制器
在智駕域控制器等汽車電子領(lǐng)域,石墨烯導(dǎo)熱墊片能夠確保電子元件在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定運行,提高汽車的安全性和可靠性。
- 高性能游戲顯卡
在高性能游戲顯卡領(lǐng)域,石墨烯導(dǎo)熱墊片能夠解決顯卡因高功率運行而產(chǎn)生的散熱問題,提高顯卡的穩(wěn)定性和使用壽命。
七、石墨烯導(dǎo)熱墊片的未來展望
隨著科技的不斷發(fā)展,石墨烯導(dǎo)熱墊片在散熱領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。一方面,隨著石墨烯制備技術(shù)和取向工藝的不斷進步,石墨烯導(dǎo)熱墊片的性能將進一步提升,滿足更高功率、更大尺寸芯片的散熱需求。另一方面,隨著自動化產(chǎn)線和量產(chǎn)交付技術(shù)的不斷成熟,石墨烯導(dǎo)熱墊片的成本將進一步降低,實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。
此外,石墨烯導(dǎo)熱墊片還可以與其他散熱技術(shù)相結(jié)合,形成更加高效、可靠的散熱解決方案。例如,將石墨烯導(dǎo)熱墊片與液冷技術(shù)相結(jié)合,可以進一步提高散熱效率,滿足高性能計算設(shè)備的散熱需求。
八、案例分析:鴻富誠縱向石墨烯導(dǎo)熱墊片
鴻富誠作為國內(nèi)熱界面材料取向工藝研究與商業(yè)化推進的領(lǐng)跑企業(yè),其開發(fā)的縱向石墨烯導(dǎo)熱墊片在高功率大尺寸芯片的散熱中表現(xiàn)出色。
- 技術(shù)創(chuàng)新
鴻富誠通過取向工藝成功開發(fā)出縱向石墨烯導(dǎo)熱墊片,解決了高功率大尺寸芯片散熱難題。這一創(chuàng)新成果不僅填補了國內(nèi)在該領(lǐng)域的空白,也為全球散熱技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻。
- 品質(zhì)保障
鴻富誠縱向石墨烯導(dǎo)熱墊片已經(jīng)實現(xiàn)了自動化產(chǎn)線和量產(chǎn)交付,產(chǎn)品品質(zhì)獲得國內(nèi)外多家芯片行業(yè)龍頭企業(yè)認(rèn)可并獲得“質(zhì)量優(yōu)秀協(xié)作獎”。這一成就標(biāo)志著鴻富誠在石墨烯導(dǎo)熱墊片領(lǐng)域已經(jīng)具備了領(lǐng)先的技術(shù)實力和生產(chǎn)能力。
- 市場應(yīng)用
鴻富誠縱向石墨烯導(dǎo)熱墊片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于AI算力等高功率芯片、智駕域控制器、高性能游戲顯卡等領(lǐng)域。其出色的散熱性能和便捷的使用方式得到了用戶的一致好評。
九、結(jié)語
石墨烯導(dǎo)熱墊片作為一種新興的散熱技術(shù),正逐漸在高功率大尺寸芯片的散熱中嶄露頭角。憑借其出色的導(dǎo)熱性能、高可靠性、便捷的使用方式以及廣泛的應(yīng)用前景,石墨烯導(dǎo)熱墊片有望成為未來散熱技術(shù)的主流方向。隨著科技的不斷發(fā)展,相信石墨烯導(dǎo)熱墊片將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用,為人類的科技進步和社會發(fā)展做出更大的貢獻。
十、石墨烯導(dǎo)熱墊片的進一步探討
盡管石墨烯導(dǎo)熱墊片在高功率大尺寸芯片的散熱中表現(xiàn)出色,但其發(fā)展仍面臨一些挑戰(zhàn)和問題。以下是對石墨烯導(dǎo)熱墊片進一步探討的幾個方面:
- 材料成本問題
目前,石墨烯的制備成本仍然較高,這限制了石墨烯導(dǎo)熱墊片的大規(guī)模應(yīng)用。未來,隨著石墨烯制備技術(shù)的不斷進步和成本的降低,石墨烯導(dǎo)熱墊片的成本問題有望得到解決。
- 標(biāo)準(zhǔn)化與兼容性
由于石墨烯導(dǎo)熱墊片是一種新興的散熱技術(shù),其標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性問題仍需進一步探討。未來,需要制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,確保石墨烯導(dǎo)熱墊片與其他散熱組件的兼容性和互換性。
- 環(huán)保與可持續(xù)性
在環(huán)保和可持續(xù)性方面,石墨烯導(dǎo)熱墊片也需要進一步考慮。未來,需要開發(fā)更加環(huán)保、可持續(xù)的石墨烯制備技術(shù)和生產(chǎn)工藝,降低對環(huán)境的影響。
- 性能優(yōu)化與提升
盡管石墨烯導(dǎo)熱墊片已經(jīng)具備出色的散熱性能,但仍有進一步提升的空間。未來,可以通過優(yōu)化石墨烯的取向工藝、改進墊片的結(jié)構(gòu)設(shè)計等方式,進一步提高石墨烯導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)和可靠性。
- 跨學(xué)科融合與創(chuàng)新
石墨烯導(dǎo)熱墊片的發(fā)展還需要跨學(xué)科融合與創(chuàng)新。未來,可以與其他學(xué)科如材料科學(xué)、熱學(xué)、電子學(xué)等進行深度融合,開發(fā)出更加高效、可靠的散熱解決方案。例如,將石墨烯導(dǎo)熱墊片與智能傳感器、控制系統(tǒng)等相結(jié)合,實現(xiàn)散熱系統(tǒng)的智能化和自動化控制。
十一、總結(jié)
石墨烯導(dǎo)熱墊片作為一種新興的散熱技術(shù),憑借其出色的導(dǎo)熱性能、高可靠性、便捷的使用方式以及廣泛的應(yīng)用前景,正在逐漸破解高功率大尺寸芯片的散熱難題。通過案例分析可以看出,鴻富誠縱向石墨烯導(dǎo)熱墊片已經(jīng)在這一領(lǐng)域取得了顯著的成果。然而,石墨烯導(dǎo)熱
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