晶片，太熱了！

長期以來，在晶片整合度提升、尺寸微縮的發展趨勢下，晶片功能和性能得到進一步升級和強化，但晶片的功耗和發熱量也隨之攀升，帶來了日益嚴重的電力消耗及散熱問題。

這些曾經基本上被「無視」的軟性指標，現已成為晶片設計中的重要考量。過高熱量帶來的不良影響更不容忽視：

• 效能下降：過高的溫度會導致晶片效能下降，甚至出現死機、藍色畫面等故障。
• 可靠性降低：高溫會加速電子元件的老化，縮短設備的使用壽命。
• 安全性隱憂：極端情況下，過熱可能引發火災等安全事故。
• 能源浪費：過多的電力消耗不僅增加了營運成本，也加劇了能源危機。

不難看到，若無法及時有效地散熱，過高的溫度不僅會影響晶片的性能和穩定性，還會對整個電子系統的可靠性造成威脅，縮短其使用壽命。

特別是在摩爾定律持續推動下，5G、AI、汽車電子等新興市場算力需求不斷增長，晶片整合度和功耗不斷提高，

面對日益嚴峻的散熱挑戰，以及對晶片算力、性能、整合度提升的孜孜以求，如何在確保晶片性能的前提下，有效解決散熱問題，成為業界關注的焦點。

越來越「熱」的晶片，如何「降溫」？

目前，業界最受歡迎的散熱解決方案是使用風冷、液體冷卻技術，以及散熱材料的使用和創新。

在散熱材料方面，目前業界主要以熱界面材料（TIM）、金屬和陶瓷基導熱材料為主。

• 熱界面材料（TIM）：由於裝置製造公差和表面粗糙度的存在，裝置之間通常會有微小的空隙。這些空隙含有空氣，而空氣是熱的不良導體，常溫下導熱係數僅為0.026W/(m·K)，因此就造成了比較大的接觸熱阻。因此，導熱界面材料（TIM）被用來填補這些空隙，排出空氣，提供更好的熱傳導路徑，降低界面熱阻，進而提升散熱效率。

熱界面材料（TIM）是用於塗在散熱器件與發熱器件之間，降低它們之間接觸熱阻所使用的材料的總稱。

以AI終端設備中的高功耗晶片為例，通常透過倒扣焊接製程實現散熱，晶片的熱量沿著「晶片－TIM－封裝－TIM－散熱器」路徑傳導至外部。

• 金屬和陶瓷基導熱材料：金屬導熱材料（如銅、鋁等）憑藉著優異的導熱性，常用於極端環境下的晶片散熱。金屬的高導熱係數使其能夠快速將熱量從發熱源傳遞出去，適合高熱通量應用場景。同時，金屬材料具備較高的機械強度和抗熱衝擊能力，廣泛應用於需要在惡劣環境下持續高效散熱的AI晶片中。

陶瓷導熱材料（如氮化鋁、氮化矽）不僅具有良好的導熱性，還具備電絕緣性，是許多AI晶片封裝和高功率應用中的理想選擇。陶瓷材料的導熱性介於金屬和傳統聚合物材料之間，且其熱穩定性使其能夠在高溫或腐蝕環境下使用。例如，氮化鋁的導熱係數高達170-180 W/(m·K)，廣泛用於極端環境下的AI晶片封裝。

散熱技術則包含風冷、液冷、熱管、VC均熱板、散熱器等多種方案。

• 風冷：目前，晶片散熱採用的最廣泛方式是風冷，風冷散熱是將冷空氣吹過散熱器或直接吹向晶片表面，進而將晶片產生的熱量轉移到空氣中。

風冷散熱的優點在於系統設計簡單，成本較低，安裝方便，且應用廣泛，也可以與熱管/3DVC/冷管等組合使用。但風冷的散熱效率受限於空氣的熱導率較低，在高負荷和密集運算的AI晶片中效果有限。

隨著晶片功率的不斷提升，超過300W後，使用傳統的散熱器進行散熱，效果已經不明顯。液冷散熱技術被認為是AI時代的理想散熱方案。

• 液冷：液冷技術透過將液體（如水或冷卻液）作為傳熱介質，利用其高熱容量和高導熱性，將晶片產生的熱量迅速帶走。液冷系統通常由冷卻液管路、冷板或散熱片、幫浦和散熱器組成，冷卻液吸收熱量後送到散熱器，再以空氣或水冷卻的方式散熱。

液冷相較於風冷具有更高的散熱效率，因此常用於資料中心和HPC中，比風冷更適合支援高功率AI晶片持續工作。但液冷系統複雜且成本較高，安裝和維護需求較高，實體空間佔用較大。此外，若係統出現洩漏，可能導致設備損壞。

TrendForce調查數據顯示，輝達Blackwell新平台預定第四季出貨，助益液冷散熱方案滲透率明顯成長，從今年10%左右至2025年突破20%。全球ESG意識提升，加上CSP加速佈建AI伺服器，有助帶動散熱方案從風冷轉向液冷。

• 熱管：熱管技術透過相變原理進行高效導熱。熱管內部包含導熱液體，液體在靠近熱源的部分吸收熱量蒸發成氣體，氣體沿著熱管移動到冷端釋放熱量並凝結成液體，液體再透過毛細作用或重力回到熱源端循環。這種循環使得熱管能夠迅速傳導熱量。

熱管具有極高的導熱效率，且體積較小，重量輕，適合應用於空間受限的設備。但儘管熱管導熱效率高，但其散熱能力受到熱管數量和設計的限制，主要用於中等功耗或空間受限的場景，難以在超高功率晶片中單獨使用。

• VC均熱板：在熱管的結構基礎上，二維均溫技術（VC均熱板）、三維的一體式均溫技術（3D VC均熱板）逐漸被開發。均熱板與熱管的原理相似，都是讓冷卻液吸收熱源的能量，然後經過蒸發（吸熱）、冷凝（放熱）的相變過程，將熱量分散導向外部。

均熱板可設計成任意形狀以適應不同的熱源佈局，以二維甚至三維方式幫助裝置散熱，接觸面積更大，散熱更均勻，相比熱管，傳熱效率提高了20%-30%。同時其緊湊的設計也更利於安裝在小型化設備中。

VC均熱板的限制在於其製造成本相對較高，尤其是在複雜三維結構的設計和製作上。此外，均熱板的散熱能力在極高功率密度下可能仍存在限制，難以單獨應對某些高熱負載場景，通常需要與其他散熱技術結合使用。

• 散熱器：在晶片設計和電子設備製造中，散熱器扮演著至關重要的角色。散熱器的主要功能是透過高效的熱傳導和輻射，將晶片運作過程中產生的熱量迅速散發到周圍環境中，從而防止晶片過熱，確保設備的穩定性和性能。

散熱器透過與晶片緊密接觸，將晶片產生的熱量傳導到其自身。大多數散熱器由高熱導率的金屬材料製成，如鋁或銅，這些材料具有出色的熱傳導性能，能夠迅速吸收晶片的熱量。為了增加散熱面積，散熱器通常設計有多片鰭片（fins），這些鰭片大大增加了散熱器的表面積，從而提高了與周圍空氣的接觸面積和散熱效率。

散熱器利用空氣對流來散發熱量。自然對流和強制對流是兩種主要的散熱方式。在一些高性能應用中，散熱器還需要與熱界面材料（TIM）結合使用，確保熱量能夠更快傳導到散熱器上。

為滿足不同應用的需求，散熱器的設計也不斷演進與創新。近年來，液冷式散熱器和均熱片技術開始廣泛應用於高端領域。液冷式散熱器透過液體冷卻劑循環，能夠更有效率地帶走熱量，適用於需要極高散熱性能的場景。而均熱片作為散熱器的輔助組件，透過將熱量均勻分佈到整個散熱器表面，進一步提高散熱效率。

綜合實際情況來看，傳統的風冷、液冷散熱已經逐漸無法滿足當下高性能晶片的散熱需求。因此，對晶片散熱技術進行最佳化研究，並對當下的散熱方式加以創新調整對於保障電子晶片的穩定運作至關重要。

在新發展時期，推動新型高效的電子晶片散熱技術研究發展迫在眉睫。

晶片冷卻，創新技術興起

除了上述晶片冷卻、散熱技術外，業界正在積極探索新的技術，相繼取得了許多進展。

• 創新的晶片冷卻器－環路熱管(LHP)

近日，根據外媒消息報導，研究人員從大自然中獲得靈感，設​​計出創新的晶片冷卻器，未來可能會應用於人工智慧資料中心

環路熱管(LHP) 的仿生陶瓷芯靈感來自葉片氣孔。

在這些有前景的解決方案中，研究人員目前正在研究仿生學——從大自然中汲取靈感——尋找最終可能徹底改變人工智慧資料中心的創新技術。

中國科技大學葉宏教授領導的研究團隊開發出一種用於環路熱管(LHP) 的突破性仿生陶瓷芯，其靈感來自葉片氣孔的自然蒸騰過程。他們的研究發表在Langmuir上，解決了傳統LHP的一個關鍵限制，即使用孔徑均勻的芯，由於蒸汽阻塞和熱阻增加，導致高熱通量下的效率降低。

新開發的仿生燈芯具有非對稱孔隙結構，透過克服這些挑戰優化了熱傳遞，為高功率晶片冷卻提供了更有效的解決方案。

該設計模仿了葉片的氣孔，直指狀的孔隙充當蒸汽通道，大大降低了蒸汽傳輸阻力，增強了散熱效果。這種結構可以實現更高的臨界熱通量，從而更好地管理高功率晶片的冷卻。這些燈芯使用陶瓷代替金屬，也提高了耐腐蝕性和熱穩定性，這對於先進電子產品的長期性能至關重要。

生產製程採用相轉化流延成型技術，該技術通常用於生產多孔陶瓷膜。這種創新方法不僅能夠一步創造所需的多尺度孔結構，還能確保輸出穩定一致的產品。

LHP系統中仿生芯的初步測試已顯示出良好的結果。透過優化毛細力和流動阻力之間的平衡，仿生芯可有效輸送工作流體並提高系統的熱性能。這項進步有可能擴展到計算硬體以外的領域，應用於航空航太、微電子和能源領域。

這種開創性的方法可以重新定義資料中心為人工智慧提供動力的熱管理策略，為受自然界啟發的更有效率、更永續的解決方案鋪平道路。研究人員希望，這些仿生結構的持續開發和改造將有助於克服現有的挑戰，並滿足下一代電子產品的需求。

• 直接作用於晶片上的無水兩相液冷技術

為了應對這些挑戰，ZutaCore開發了一種直接作用於晶片上的無水兩相液體冷卻技術——HyperCool，並且該技術已被證明可以為功率超過1500W的處理器提供冷卻，目前每個機架的有效冷卻能力為100KW。

ZutaCore公司執行長Erez Freibach指出：「無水、直接作用於晶片的液體冷卻技術滿足了新一代GPU的特定冷卻需求，這種技術特別適用於1500W的高功率GPU，同時將機架處理密度提高了300%。這對於推動人工智慧（AI）和高效能運算（HPC）的未來發展具有革命性意義。

ZutaCore公司的HyperCool系統採用了一種革命性的閉環設計，能夠在低壓環境下高效地將處理器產生的熱量排出伺服器。此系統不僅適用於新建資料中心，也適用於現有資料中心的升級改造，能夠提升十倍的運算效能並減少50%的成本、實現熱量的100%回收利用，同時減少二氧化碳的排放，為實現綠色永續的資料中心營運提供了可能。

目前，已有包括戴爾技術、華碩、和碩和超微等在內的多家知名伺服器製造商的產品獲得了與HyperCool系統的兼容性認證，這標誌著支援HyperCool的伺服器生態系統正在逐步形成。

• 台積電新專利：解決半導體管芯的熱管理難題

在當前全球半導體產業深陷競爭與技術變革的浪潮中，台積電再次引領潮流，近期申請了一項名為「半導體元件及其形成方法」的新專利。這項專利的主要創新點在於其對半導體管芯熱管理的深刻考量，標誌著半導體封裝技術的進一步提升。此舉無疑讓我們看到了台積電在追求更有效率裝置和解決產業痛點上的堅定決心。

根據專利摘要，台積電的半導體封裝件採用了先進的熱模組技術。其核心設計是將設置在基板上的IC管芯透過熱管連接至上下板之間的熱模組。這樣的結構設計，不僅優化了散熱路徑，還允許熱量有效從上下板散出，使得半導體裝置在高負載下仍能保持低溫運作。此外，專利中提到的一種液體冷卻板的使用，更是為應對高功率密度元件帶來了更高效的散熱方案。

台積電在此時推出這項專利，不僅是技術上的突破，更是一種市場策略上的佈局。眾所周知，半導體產業正在經歷前所未有的競爭，尤其是在AI、大數據和5G等尖端技術推動下，對高性能晶片的需求日益增長。能夠在熱管理方面取得突破，無疑將為台積電在未來的市場競爭中贏得更多的優勢。

這項專利的推出，也可以看成是對競爭對手的一種間接施壓。在現今的市場環境中，技術障礙的建立尤其重要，台積電透過不斷的創新，力求在熱管理這一關鍵領域佔據制高點。業內人士普遍認為，成功的實施此項技術可能會促使其他廠商加快研發步伐，進一步推動整個產業的技術進步。

• 華為與廈大合​​作創新，鑽石熱管理技術

廈門大學與華為公司合作，在這一領域取得了重要進展，研發了一種以鑽石為基礎的創新熱管理技術。該技術透過異質整合的方式，將鑽石直接整合到晶片和玻璃中，實現了顯著的散熱性能提升。這項研究不僅展示了鑽石作為熱擴散器的巨大潛力，也為未來高性能電子封裝的散熱技術提供了新的解決方案。

鑽石以其極高的各向同性熱導率（約1500 W/m·K）成為了理想的熱擴散材料。過去幾十年，科學家們透過多種方法嘗試將鑽石應用於電子裝置的散熱管理。例如，透過化學氣相沉積（CVD）在半導體上直接生長多晶鑽石，或透過高溫高壓條件下將鑽石與半導體直接結合。這些方法雖然展現出了一定的效果，但由於製程溫度過高（通常超過400℃）或引入較大的熱阻，限制了其在現代晶片封裝中的廣泛應用。

為了克服這項挑戰，廈大與華為提出了一種低溫結合技術，透過奈米層Cu/Au再結晶，將鑽石與矽晶片進行結合，並整合到玻璃中，形成「鑽石-晶片-玻璃」異質整合封裝。這種新型封裝結構在保持高性能散熱的同時，顯著降低了界面熱阻，提高了封裝的散熱效率。

研究團隊也將鑽石整合封裝的散熱性能與現有的先進散熱技術進行了比較。結果顯示，鑽石整合封裝的散熱效果優於多種現有技術。例如，奈米銀燒結技術在高熱通量條件下的溫度降低為14.1℃，而AuSn焊接技術的溫度降低僅為5.2℃。相比之下，鑽石整合封裝在相同條件下實現了更大的溫度降低，表現出了更優越的散熱性能。

與未整合鑽石的封裝相比，整合了鑽石的封裝在多個高熱通量加熱條件下，晶片的最高溫度降低了約24.1℃，熱阻降低了28.5%。這一結果表明，鑽石的加入大大提升了封裝的散熱性能。

透過有效降低熱阻，這項技術為現代電子裝置的熱管理提供了全新的解決方案，尤其是在高功率、高性能晶片封裝領域。未來，這項技術有望進一步擴展到其他高效能冷卻裝置的整合中，如熱電設備、微通道冷卻器和蒸汽腔冷卻器。

總之，這項研究不僅推動了鑽石在熱管理中的應用進程，也為未來高性能電子元件的散熱設計提供了重要的技術支援。透過將此低溫結合技術應用於實際晶片封裝中，為解決異質整合系統的熱管理難題邁出了重要一步。

• xMEMS全球首款1mm主動散熱「芯」突破

2024年8月, xMEMS Lab公開了名為「Fan-on-Chip」的高性能冷卻技術，發布了最新的行業變革創新：xMEMS XMC-2400 µCooling晶片，首款全矽微型氣冷式主動散熱晶片，以1mm厚度實現了前所未有的主動散熱「芯」突破，專為超便攜設備和下一代人工智慧（AI）解決方案設計。

在XMC-2400出現之前，一直沒有主動冷卻解決方案，該技術未來可能會對智慧型手機和平板電腦等超小型裝置帶來重大變革。

XMC-2400的尺寸僅9.26 x 7.6 x 1.08毫米，重量不到150毫克，比非矽基主動冷卻替代方案小96%、輕96&。與傳統的冷卻解決方案相比，XMC-2400 µCooling晶片在極為緊湊的設計下實現了高效的冷卻，能夠有效解決超小型設備的發熱問題。

單一XMC-2400晶片在1000Pa的背壓下每秒可移動多達39立方公分的空氣。這種全矽解決方案提供了半導體的可靠性、零件之間的一致性、高魯棒性，高耐撞並且具有IP58防塵防水等級。

據悉，xMEMS計劃在2025年第一季向客戶提供XMC-2400樣品，預計2026年應用於實際設備。

• 普渡大學魏體偉：晶片級「兩相衝擊噴射冷卻」技術，將散熱效率提升百倍

普渡大學機械工程系魏體偉教授領導的研究小組將開發一種創新的「晶片級直接兩相衝擊射流冷卻」方案，可大幅提高資料中心整體熱性能，同時降低泵浦系統的流體輸送功率，為數據中心散熱提供了一種新策略。

如何降低熱阻是當前業界在晶片散熱技術領域最具挑戰性的核心議題。

目前，傳統的晶片散熱技術的熱阻最低可達到0.3K/W左右，而採用兩相射流衝擊冷卻技術的晶片散熱熱阻值則可降至0.0035 K/W，降低了兩個數量級。這樣的降溫效果使晶片的溫度能夠被降低到非常低的水平，與傳統散熱技術相比，散熱效率提升了50至100倍。

在技​​術原理方面，「兩相衝擊射流冷卻」技術是將充滿液體的微通道直接構建在微晶片封裝內部，當晶片產生熱量時，液體被加熱至沸騰，產生的蒸汽帶走熱量，隨後蒸汽冷凝並再次循環，重新開始冷卻過程。

魏體偉表示，「我們開發的這種散熱技術並不僅僅是簡單地打個孔通，其中包含了多層微納加工的微小結構設計，形成了一個非常複雜的多層氣液輸運分佈系統。這樣的設計不僅能夠高效散熱，還能夠減小液體流動阻力。

通常情況下，CPU 的封裝外層為金屬材質的蓋板（Lid），蓋板上塗覆熱界面材料，然後與散熱器相連。在金屬蓋板和晶片之間也填充熱界面材料。然而，由於多層熱界面材料和複雜的熱界面接觸，導致晶片的整體熱阻很高，散熱效果無法滿足未來高功率密度資料中心的散熱需求。

「液體冷卻方案越靠近晶片，晶片結溫到流體的整體熱阻就會降低，散熱效率也會提高。」魏體偉指出，「我們的散熱方案直接跳過了兩層熱界面材料，將晶片背面全部暴露出來，讓液體噴射直接衝擊在晶片背面上，真正實現了晶片級的封裝冷卻散熱。在晶片封裝內部流動進行散熱。

除此之外，這個研究計畫的獨特之處在於跨尺度和多層級散熱優化，不僅需要關注半導體微晶片和晶片封裝層面的散熱設計，還需要考慮散熱組件、機架、系統層面，以及數據中心本身的佈置，從微觀到宏觀，所有這些方面都需要緊密相連，共同實現高效冷卻及節能。

魏體偉強調，除了「晶片級兩相衝擊噴射冷卻」技術外，我們也正在同步推進多項晶片散熱技術的研發。其中，我們正在研發一種具有超高熱導率的各向異性熱界面材料。簡單來說，就是在晶片的外層封裝金屬蓋板上整合我們開發的新型熱界面材料，透過與高效的液態散熱冷卻板的結合也能夠實現更佳的散熱效果。這種設計能夠消除冷卻液體直接接觸晶片矽背面可能帶來的可靠性風險。 」

同時，魏體偉團隊目前也正在與英特爾、Meta 等公司進行洽談，討論並探索更靈活、可拆的封裝級液態散熱整合方案。

• 一種晶片自適應微流散熱新進展

微流散熱將冷卻工質引入微納尺度通道中，透過強制對流熱交換將晶片熱量迅速轉移，是一種新型高效散熱手段。為滿足可靠性需求，通常根據晶片極端高功耗計算恆定散熱功率閾值。但極端功耗工況運轉時間不足10%，將導致散熱資源的閒置與浪費。

因此，根據高功率晶片的功耗特性，設計一種自適應調節散熱功率閾值的方法對於提升系統能效具有重要意義。

今年4月，中國科學院微電子研究所焦斌斌研究員團隊在晶片自適應微流散熱領域取得最新進展。

本研究提出一種自適應動態閾值散熱方法取代傳統恆定閾值散熱方法。當晶片工作處於極端高功耗工況時，此方法利用仿生髮汗行為，透過犧牲冷卻工質提供額外散熱能力。採用此方法製備的矽基微流冷板，可透過微通道強制對流實現的固定閾值及透過自適應蒸發實現的動態閾值，利用記憶合金溫敏閥體結構控制「毛孔」開閉並調節工質在蒸發區內“蒸發汗液”，實現散熱功率閾值的動態調控。

相較於傳統的微流散熱結構，此冷板既能滿足極端高功耗散熱需求，又能在常規功耗下有效降低散熱資源消耗，且自適應調控過程所需能量全部來自晶片自身產熱，無需消耗額外能量。實驗顯示，在晶片極端功耗工況下，自適應蒸發可提升80%的散熱能力，使結溫降低22.3℃。透過進一步優化蒸發區親水性調節，排液控制及相變狀態調控等工作，晶片在額定工作溫度下功率密度可提升208W/cm2。

研究成果以「n adaptive thermal management method via bionic sweat pores on electronic devices 」為題已發表在《Applied Thermal Engineering》。

• 相變冷卻技術，持續創新

隨著晶片功率密度的不斷提高，傳統散熱方法（如風冷和液冷）在應對這些複雜熱管理需求時顯得力不從心。相變冷卻技術因其高效的熱管理能力，正成為頗具前景的散熱解決方案。

相變冷卻技術特別適合用於高功率晶片的散熱管理，尤其在功率密度高、散熱要求苛刻的應用中，已在多個高功率晶片散熱前沿領域得到驗證。

例如，三星電子在其高性能晶片的散熱設計中，採用了石蠟類相變材料。石蠟作為典型的有機相變材料，具有較低的熔點和高潛熱特性，使其在40-60°C的溫度範圍內能夠有效地吸收熱量。在具體應用中，三星電子透過優化晶片封裝結構，將石蠟材料直接整合在晶片封裝內，使其與晶片的熱源緊密接觸。

此封裝方案不僅利用了石蠟材料的高潛熱特性，還透過精密的封裝工藝，確保熱量能夠高效地傳導至相變材料中，從而在晶片高負載工作時保持溫度的穩定。研究表明，這種設計使得晶片的峰值溫度降低了約15%，顯著提升了晶片的熱穩定性和工作壽命。

微通道相變冷卻系統：麻省理工學院的奈米顆粒增強PCM：麻省理工學院（MIT）的研究團隊開發了一種結合微通道和奈米顆粒增強相變材料的先進冷卻系統，專門針對高功率密度晶片的散熱需求。在這個系統中，研究人員在相變材料中加入了高導熱性的金屬奈米顆粒，如銅或鋁奈米顆粒，以顯著提升相變材料的導熱性能。透過這種方法，奈米顆粒不僅提高了相變材料的整體熱傳導性，也加速了相變過程，使散熱效果更加顯著。

此外，研究團隊設計了一種微通道結構，使得相變材料在微通道內高速流動，進一步加速了熱的傳導和擴散。這種設計使得晶片在高功率工作狀態下，溫度能穩定維持在較低水平，同時大幅減少了熱積聚現象。實驗結果顯示，該系統在處理每平方公分200W的功率密度時，能夠將晶片溫度降低20°C以上，遠超傳統散熱方法。

循環冷卻系統與長時間穩定性：東京大學的高導熱金屬PCM：日本東京大學研究人員開發了一種循環使用的相變冷卻系統，應用於資料中心和超級電腦等需要長期穩定運作的高功率設備。該系統利用一種新型的高導熱金屬相變材料，如銀合金或銦合金，不僅具有高潛熱，還具備優異的導熱性能和穩定的相變溫度。

此冷卻系統的核心在於相變材料的循環使用：當相變材料吸收熱量並發生相變後，透過液冷系統將其從熱源區域移出，經過冷卻器重新固化後，再次循環回到熱源區域進行散熱。此過程透過精確控制相變材料的流動和相變過程，實現了晶片溫度的持續穩定控制。長期測試表明，該系統在一年不間斷運行中，晶片溫度波動控制在±2°C以內，且相變材料未出現明顯的性能退化。這種高效穩定的散熱方案，已在日本國內的多個超級電腦專案中得到應用和驗證。

整體來看，相變冷卻技術在高功率晶片散熱中的應用，展現了高效熱管理、被動冷卻與能源效率、設計靈活性與空間利用等諸多方面的獨特優勢。

隨著相變冷卻技術的成熟，標準化和模組化設計將推動其在各行業的廣泛應用，如資料中心、5G基地台、消費性電子產品等。各行業的標準化推動將有助於相變冷卻技術的普及和成本降低。

儘管面臨挑戰，但透過持續的技術創新和研究進展，這項技術必將在更多高端應用中展現出強大的潛力和價值。隨著科技的不斷進步，相變冷卻技術將成為未來電子設備熱管理的重要組成部分，為實現更有效率、更可靠的電子設備提供堅實的技術支援。

• SK海力士：HBM MR-MUF熱控技術

如今，領先的記憶體產品正迅速發展，以滿足人工智慧時代下的高需求。然而，這些進步也帶來了一項可能阻礙下一代產品發展的挑戰——熱量過高。

為解決這個問題，SK海力士取得了前所未有的突破，開發出了一種名為批量回流模製底部填充（MR-MUF, Mass Reflow-Molded Underfill）的新型創新封裝技術，可以有效改善晶片的散熱性能。自2019年以來，MR-MUF技術已應用於SK海力士開創性產品HBM2中，使該公司在市場競爭中脫穎而出。

作為唯一一家採用MR-MUF技術的公司，應用該技術的HBM產品的散熱性能獲得客戶一致好評，SK海力士毫無疑問地成為HBM市場的領導者。

在第二代HBM產品HBM2之前，SK海力士的HBM產品一直採用業界標準性熱壓非導電膜（TC-NCF，Thermal Compression Non-Conductive Film）技術。然而，隨著HBM產品的進步，需要更薄的晶片來容納更多的晶片層，因此相應的封裝技術需要控制更多的熱量和壓力。

SK海力士在開發第三代HBM產品－HBM2E時，將傳熱控製作為改進的主要焦點。於2019年推出了新型封裝技術MR-MUF，進而徹底改變了HBM市場的未來。

MR-MUF技術能夠同時對HBM產品中所有的垂直堆疊晶片進行加熱和互聯，比堆疊晶片後填充薄膜材料的TC-NCF技術更有效率。此外，與TC-NCF技術相比，MR-MUF技術可將有效散熱的熱虛設凸塊數量增加四倍。

MR-MUF技術另一個重要特性是採用了一種名為環氧樹脂模塑膠（EMC, Epoxy Molding Compound）的保護材料，用於填充晶片間的空隙。 EMC是一種熱固性聚合物，具有卓越的機械性、電氣絕緣性和耐熱性，能夠滿足對高環境可靠性和晶片翹曲控制的需求。由於應用了MR-MUF技術，HBM2E的散熱性能比上一代HBM2提高了36%。

此後，MR-MUF技術持續升級迭代，引入了業界首創的晶片控制技術（Chip Control Technology）和改善散熱效果的新型保護材料。在此過程中，因其在先進MR-MUF技術中應用的新型EMC與原始MR-MUF技術中的EMC相比，使散熱性能提高了1.6倍，SK海力士再次實現材料創新。

時至2024年，SK海力士已成為首家量產HBM3E的公司，這是最新一代、擁有全球最高標準性能的HBM產品。在應用先進的MR-MUF技術後，與上一代8層HBM3相比，HBM3E在散熱性能方面提高了10%，成為人工智慧時代炙手可熱的記憶體產品。

展望未來，公司將繼續保持在HBM領域的市場主導地位，並宣布計劃將下一代HBM4產品的量產提前至2025年。

寫在最後

未來，隨著AI、3DIC、先進封裝及其它新興技術的不斷推進，晶片的性能和功耗將面臨更大挑戰。

隨著半導體技術的不斷發展，如何有效管理和降低晶片的熱量問題，將是行業可持續發展的重要課題，也將持續推動更多創新的散熱技術和方法的出現，以滿足不斷增長的高性能計算需求。

文章參考：

• 朱俞翡：Industrial Technology Innovation
• 問芯：專訪普渡大學魏體偉：研發晶片級「兩相衝擊噴射冷卻」技術將散熱效率提升百倍，正籌建公司實現技術轉化
• Carbontech：華為、廈大合作創新，鑽石熱管理技術！
• 粉體圈：解決AI晶片散熱難題：導熱材料如何助力？
• Applied Thermal Engineering
• 駕馭資本：揭秘新一代晶片散熱技術，保障性能穩定
• 熱管理行家：高功率晶片散熱中的相變冷卻技術
• Wayne Williams：Bionic ceramic wick for Loop Heat Pipes (LHPs) was inspired by leaf stomata
• Electronics360：液冷技術支援NVIDIA 先進GPU，實現永續AI (半導體產業觀察)