台积电如何为 HPC 与 AI 时代的 2.5D/3D 先进封装重塑热管理

随着半导体封装不断迈向 2.5D、3D 堆叠以及异构集成，热管理已成为影响性能、可靠性与量 产能力的关键因素之一。面向高性能计算（HPC）和人工智能（AI）的芯片功率密度持续提升， 封装尺寸不断扩大，材料体系也愈发复杂。在此背景下，台积电近期公开的多项专利勾勒出一 条清晰的技术路径：一方面重构 3DIC 封装结构，打造更高效且稳定的散热通道；另一方面将 热界面材料（TIM）从“填充层”升级为系统级设计单元，通过材料配方、分区布局与微结构 优化，实现热与应力的协同管理。

1. 热界面材料（TIM）：从配角到核心角色
在先进封装体系中，TIM 是将热量从芯片传导至盖板和散热器的关键媒介。如今，它已不再只 是简单的导热填充物，而是同时承担热设计与机械调控功能的重要结构层。其表现直接影响封 装翘曲、界面分层、金属间化合物生成、共面性以及长期可靠性。

从单层 TIM 到分区、多 TIM 架构

在大型高端封装中，芯片、基板、模封材料和盖板之间存在明显的热膨胀系数差异。热循环过 程中，这种差异不可避免地导致封装翘曲，而应力往往集中在 TIM 层的边角或附着力较弱的 区域，增加开裂和分层风险。随着封装尺寸和功率密度持续攀升，热—机械耦合问题已成为影 响良率与寿命的核心挑战。

为此，台积电提出将传统连续单层 TIM 拆分为多个功能区，或在 TIM 中设计沟槽结构，使应 力能够在局部释放，而不是在整个界面扩散。例如在专利申请 US20220359339 中，通过分段 式 TIM 设计，有效降低了应力累积和分层风险。

此外，在同一封装内部采用不同性能的 TIM 材料也成为关键策略：高功耗芯片上方配置高导 热 TIM，而外围区域则采用更厚或更具弹性的材料，以吸收翘曲应变、减缓界面应力。相关思 路见于专利 US11088109 及 US20220359339。其核心理念在于，通过空间分区设计，在热 性能与机械可靠性之间实现协同优化，而非简单权衡。



复合材料与石墨 TIM：材料与结构协同优化

在高强度热循环环境下，仅靠单一材料已难以满足可靠性要求。台积电在专利 US11107747 中提出复合型 TIM：在高导热金属基体中嵌入金属镀层聚合物颗粒，在保持导热性能的同时引 入弹性缓冲能力，从而减轻应力集中、改善厚度均匀性并降低芯片开裂风险。

对于石墨基 TIM——虽然具有优异的面内导热能力，但脆性高、附着性不足——台积电通过 设 置 间 隔 框 架 结 构 ， 对 石 墨 层 进 行 机 械 隔 离 与 压 缩 控 制 ， 以 提 升 界 面 稳 定 性 （US20250309071）。

在金属 TIM 方面，为抑制金属间化合物增长和 Kirkendall 空洞带来的长期可靠性问题，台积 电采用晶向工程技术：利用高度织构化的 Cu(111) 扩散阻挡层减少原子互扩散，同时保持良好 导热性能（US20250118615）；在无盖或环形 CoW 架构中，通过直接金属键合方式避免回 流焊过程中的再熔风险（US20250349654）。这些技术表明，TIM 的可靠性来源于材料、微 结构与界面工程的整体优化。



2. 重新构建 3DIC 与异构封装中的热路径

在 3D 堆叠封装中，内部芯片往往被底部填充材料和模封材料包围，热量容易滞留，从而形成 热点并加剧层间热串扰。

针对这一问题，台积电将 TIM 从传统的平面界面转化为三维热网络的重要组成部分：
• 通 过高 导热盖 板与 精准 控制 的 TIM 点胶工 艺， 建立更 直接 的垂 直散 热路 径 （US11482465）；
• 借助多 TIM 分区及定向散热结构，为高功耗芯片优先构建散热通道，同时减少对低功 耗区域的冗余金属化（US20240363474）；
• 在芯片或盖板表面引入微通道或腔体，并填充 TIM，增加接触面积，从而提升局部热 点散热效率（CN121096975）。

这些方案的共同特点是：热界面不再是单一平面，而是根据芯片功耗分布进行定制化设计，形 成针对特定芯片的垂直散热路径。



台积电在 3DIC 封装中的热管理理念，本质上是一种热与机械协同工程方法。随着集成密度提 升，热流密度增加的同时，材料间热膨胀差异也放大了应力问题，可能引发热点、翘曲以及 “未键合”等电气缺陷，进而影响可靠性。

相关专利展示了多种互补技术手段：
1. 具 备 导 热 与 应 力 调 节 功 能 的 间 隙 填 充 结 构 ， 用 于 降 低 翘 曲 并 改 善 热 路 径 （US12249566）；
2. 覆盖芯片的支撑基板结构，同时充当机械加固层与热传导通道，并可结合虚拟芯片或 材料搭配实现应力平衡（US20250266318）；
3. 采用减薄载体芯片与对齐虚拟焊盘的顶部散热架构，使热量通过前端互连向上传导 （US20250300149）。

同时，台积电还提出相配套的制造流程优化方案，如载体与去键合层设计、受控堆叠与释放顺 序等，以提升大规模制造中的对准精度和结构稳定性（US20250167060）。





结语

总体而言，台积电通过 3DIC 架构创新与 TIM 工程化设计两大核心方向，将热管理从“被动应 对”转变为“主动设计”，在热性能、可制造性与长期可靠性之间实现平衡。

值得注意的是，随着 AI 与 HPC 系统对带宽需求的进一步提升，先进封装技术正与高速光互连 深度融合。尤其是在共封装光学（Co-Packaged Optics, CPO）快速发展的背景下，光电集成、 封装架构与热管理之间的耦合关系愈发紧密。更高的功率密度与更复杂的系统结构，使热设计 成为决定系统上限的关键变量。

在这一技术交汇点上，全球领先的专利分析与技术情报服务机构 KnowMade 正式发布最新研 究报告《共封装光学（Co-Packaged Optics）与光互连专利全景报告 2026》。该报告系统梳理全球 CPO 与光互连领域的专利布局、核心技术路径及主要竞争主体，深入分析先进封装与 光电融合趋势下的创新动态，为半导体、数据中心及系统厂商提供关键战略参考。 在算力持续攀升与架构持续演进的时代背景下，热管理已不再只是技术细节，而是支撑下一代 AI 与 HPC 系统扩展能力的核心基础设施。