本文來源：Bioengineer

隨著AI大模型、高性能計(jì)算（HPC）對算力的需求呈指數(shù)級增長，半導(dǎo)體行業(yè)早已告別單純依賴晶體管縮放的“摩爾定律”老路。3D堆疊IC技術(shù)憑借垂直集成、高密度互連的優(yōu)勢，成為突破性能天花板的核心方向，但隨之而來的“散熱難題”，正成為制約其商業(yè)化落地的最大攔路虎。

為什么3D堆疊IC，偏偏怕“熱”？

3D堆疊IC就像把多片芯片“疊羅漢”，通過垂直方向的互連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸，大幅提升芯片性能和集成度。但這種緊湊結(jié)構(gòu)，直接放大了熱管理的難度：

高功率密度“聚熱”：多層芯片疊加讓單位面積功率密度暴增，熱量難以橫向擴(kuò)散，容易形成“熱點(diǎn)”；

材料與界面“擋熱”：層間絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱性極差，再加上芯片與封裝之間的復(fù)雜界面，會(huì)嚴(yán)重阻礙熱傳輸；

散熱路徑“受限”：3D架構(gòu)壓縮了傳統(tǒng)散熱空間，常規(guī)散熱方案（如散熱片、熱管）難以適配，熱量積聚會(huì)直接導(dǎo)致芯片性能下降、壽命縮短，甚至引發(fā)故障。

對于AI芯片、超算核心這類高負(fù)載場景，熱管理能力直接決定了3D堆疊IC的性能上限——解決不了散熱，再先進(jìn)的堆疊技術(shù)也無法發(fā)揮價(jià)值。

三大核心方向，破解3D堆疊IC散熱困局

行業(yè)正從材料、界面、表征三大維度發(fā)力，打造適配3D堆疊架構(gòu)的先進(jìn)熱管理方案：

1.新型熱管理材料：既要“導(dǎo)熱快”，也要“好集成”

理想的熱管理材料必須兼顧兩大核心需求：一方面要具備超高導(dǎo)熱性，能快速疏導(dǎo)熱量；另一方面要適配半導(dǎo)體制造工藝，滿足兼容性、可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性。目前研究聚焦于納米復(fù)合材料、高導(dǎo)熱界面材料等，既要突破傳統(tǒng)材料的導(dǎo)熱極限，又要避免影響芯片的電氣性能和可靠性。

2.界面工程優(yōu)化：打通熱傳輸“最后一公里”

芯片層間、芯片與封裝之間的界面，是熱傳輸?shù)闹饕枇碓础Ｍㄟ^界面改性、新型粘結(jié)材料研發(fā)、微結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方式，可減少界面熱阻，讓熱量在不同層級間順暢傳遞，這也是提升3D堆疊IC散熱效率的關(guān)鍵抓手。

3.先進(jìn)熱表征技術(shù)：讓“熱”看得見、可量化

要優(yōu)化熱管理方案，首先得精準(zhǔn)掌握熱量分布和傳輸規(guī)律。當(dāng)前行業(yè)亟需無損在線計(jì)量技術(shù)，能在芯片制造和運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)評估導(dǎo)熱性能、界面質(zhì)量和熱點(diǎn)分布，為材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐，避免“盲目優(yōu)化”。

行業(yè)“新信號”：液冷從“可選”變“剛需”

解決3D堆疊IC的熱管理難題，并非單一技術(shù)能實(shí)現(xiàn)，還需要構(gòu)建完善的支撐體系：

制定清晰研發(fā)路線圖：涵蓋材料生長、集成工藝、表征方法等全鏈條，明確技術(shù)攻關(guān)優(yōu)先級；

推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研協(xié)作：整合高校、科研機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)研究能力與企業(yè)的工程化經(jīng)驗(yàn)，加速技術(shù)落地；

借鑒與創(chuàng)新結(jié)合：吸收前代半導(dǎo)體熱管理的成熟經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)借助納米技術(shù)等新手段，探索顛覆性解決方案。結(jié)語：熱管理突破，開啟高性能半導(dǎo)體新紀(jì)元

3D堆疊IC是AI、超算、高端存儲(chǔ)等領(lǐng)域的核心技術(shù)支撐，而熱管理技術(shù)的成熟，正是其從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化應(yīng)用的“臨門一腳”。隨著新型材料、界面工程和表征技術(shù)的持續(xù)突破，3D堆疊IC的散熱瓶頸將逐步破解，為下一代算力革命提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

未來，當(dāng)“疊得更高”的芯片不再被“熱”所困，我們或許能看到更小巧、更強(qiáng)大的AI終端、超算集群，甚至解鎖更多此前難以想象的技術(shù)場景。

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