破解散熱難題！石墨烯墊片助力高功率芯片穩(wěn)定運(yùn)行

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(jì)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(kuò)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(duì)于維持高功率大尺寸芯片的穩(wěn)定、高效運(yùn)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(jí)增長(zhǎng)與物理尺寸的線性擴(kuò)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(dá)700W，芯片尺寸814mm2。長(zhǎng)時(shí)間高功率運(yùn)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(duì)材料熱膨脹系數(shù)（CTE）失配引發(fā)的結(jié)構(gòu)形變時(shí)卻顯得力不從心。當(dāng)系統(tǒng)持續(xù)高功率運(yùn)行時(shí)，基板、芯片和散熱器因CTE的差異會(huì)產(chǎn)生0.1-0.3mm的翹曲。這種動(dòng)態(tài)形變不僅會(huì)降低TIM（Thermal Interface Material，即熱界面材料）材料的熱傳導(dǎo)效率，更會(huì)引發(fā)界面材料的“泵出效應(yīng)”（Pump-out phenomenon）。該效應(yīng)強(qiáng)度與封裝尺寸呈正相關(guān)性，在1000mm2級(jí)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(jī)械性能。單層石墨烯的理論導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)5300W/mK，是目前為止導(dǎo)熱系數(shù)最高的材料之一。同時(shí)，石墨烯還具備出色的柔韌性和強(qiáng)度，比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。這些獨(dú)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(yùn)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(yàn)基礎(chǔ)上，通過取向工藝成功的進(jìn)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(shì)

1. 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(chǎng)景BLT可達(dá)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。

1. 低熱阻難題的攻克

單層石墨烯的理論導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)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。

1. 大尺寸翹曲難題的應(yīng)對(duì)

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(zhǎng)期使用可靠性。這一性能對(duì)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。

1. 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(shí)驗(yàn)室及量產(chǎn)客戶實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)苛的1000h高溫、高低溫沖擊、雙85老化測(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

1. 高品質(zhì)批量化商用的實(shí)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(yàn)，已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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?jī)?yōu)秀協(xié)作獎(jiǎng)”。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(duì)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(shì)。

1. 與導(dǎo)熱硅脂的對(duì)比

石墨烯導(dǎo)熱墊片沒有蠕變和泵出風(fēng)險(xiǎn)，高彈性貼合應(yīng)對(duì)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(diǎn)。長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)行不會(huì)變干，長(zhǎng)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(chǎng)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。

1. 與銦片的對(duì)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(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化貼裝，不需要繁雜的工藝，大大節(jié)省封裝時(shí)間和設(shè)備投入成本。

六、石墨烯導(dǎo)熱墊片的應(yīng)用場(chǎng)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(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1. 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(yùn)行。這對(duì)于提高AI模型的訓(xùn)練速度和準(zhǔn)確性具有重要意義。

1. 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(yùn)行，提高汽車的安全性和可靠性。

1. 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(yùn)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(jìn)步，石墨烯導(dǎo)熱墊片的性能將進(jìn)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(dòng)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(jìn)一步降低，實(shí)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(jìn)一步提高散熱效率，滿足高性能計(jì)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(jìn)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。

1. 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(bǔ)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(xiàn)。

1. 品質(zhì)保障

鴻富誠縱向石墨烯導(dǎo)熱墊片已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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?jī)?yōu)秀協(xié)作獎(jiǎng)”。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(shí)力和生產(chǎn)能力。

1. 市場(chǎng)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(píng)。

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(jìn)步和社會(huì)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

十、石墨烯導(dǎo)熱墊片的進(jìn)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(duì)石墨烯導(dǎo)熱墊片進(jìn)一步探討的幾個(gè)方面：

1. 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(jìn)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。

1. 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(jìn)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。

1. 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(jìn)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(duì)環(huán)境的影響。

1. 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(jìn)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(jìn)墊片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方式，進(jìn)一步提高石墨烯導(dǎo)熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)和可靠性。

1. 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(jìn)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(shí)現(xiàn)散熱系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)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