半导体芯片作为现代电子设备的核心，其性能提升与功耗增加密不可分。随着芯片功能愈加复杂、集成度愈加密集，单元面积内的发热量显著攀升，给散热带来了前所未有的挑战。有业内人士指出，功率密度急剧增长使得每平方厘米芯片上的热量巨大，这不仅影响芯片的即时性能表现，更直接关系到其寿命和可靠性。功率虽然提升一定受限于节能技术，但单靠降低能耗已难以满足现代芯片散热需求，创新的热管理技术由此成为行业关注焦点。 散热的复杂性不仅来源于高功率，更是在多芯片、三维封装等先进封装技术兴起后，热量传导路径愈发多样且复杂。芯片内活跃的硅层是热源，热量既可向上通过硅片本体向封装背面传导，也可向下传递至印刷电路板（PCB），甚至横向扩散。
不同应用场景和系统结构决定了热流路径，如数据中心高性能芯片主要通过顶部散热，而笔记本电脑则需背部及底座多方向散热协同。 传统的散热方案如铜或铝制散热器搭配风扇依然广泛应用。铜散热器因比热容高，可有效吸收与储存热量，适合脉冲型、高峰功率负载的芯片；铝散热器则因热传导启动快，在持续散热方面表现更优。无论采用哪种材料，散热器的设计均需兼顾与环境交互的效率——空气为热交换介质时需有有效的气流驱动，连接固体散热介质则需要铜散热器以导热为主。 然而，单纯依赖传统散热器的解决方案已难满足芯片未来升温、功率提升的需求。热点问题尤为突出，局部高温区域若无法及时散热，会导致性能瓶颈甚至损坏。
为均匀分散内部热量，芯片封装内置热扩散器成为研发重点，其中金属热扩散板（热摊板）能有效将局部热能平均化，防止热点温度异常升高。热界面材料（TIM）则扮演关键桥梁角色，确保热扩散器与芯片基底及散热器间的紧密结合，消除空气间隙带来的热阻。 近年来，金属TIM逐渐取代传统聚合物材料，其导热性能显著提升，尤其是铟合金金属TIM在降低芯片结温方面表现出色。研究表明，金属TIM能够降低芯片结温超过10摄氏度，这对延长芯片使用寿命意义重大。反之，结温每升高10摄氏度，芯片寿命可能减半。此外，金属TIM较聚合物TIM具有更强的热机械稳定性，可以有效抵抗材料膨胀系数差异带来的热应力，从而避免应用于大尺寸封装时的剥离问题。
针对散热能力极限的突破，液冷技术逐渐走入视野。液冷相比风冷能带走更多热量，因其热容远高于空气，能快速带走芯片产生的巨大能量。尤其是在功率达到数百瓦甚至千瓦级别的高性能计算及数据中心场景，液冷成为不可或缺的冷却方案。闭环液冷系统通过循环冷却液在热源与热交换器之间流动，实现持续散热，尽管系统复杂且成本较高，但为芯片冷却带来质的飞跃。 更为先进的是两相流技术，即液体在热源处汽化吸热，随后冷凝释放热量。这种相变传热方式显著提高了热交换效率，正从研究阶段逐步向商业应用迈进。
同时，浸没式液冷技术通过将整个电子组件浸没在高绝缘性液体中，利用液体的强大热容量直接带走热量，成为极端高功率芯片散热的前沿方案，尽管系统密封和维护挑战仍待克服。 芯片空间有限带来的散热困境催生了蒸汽室和热管技术的广泛应用。蒸汽室基于封闭结构，内部含有少量工作液体，通过液相蒸发和气相冷凝不断循环实现高效传热，常搭配冷板使用，均匀提升热扩散能力。热管则利用毛细结构驱动液体回流，适用于笔记本等空间受限设备，将高温部位热量快速传输至远端散热区域。尽管热管自身冷却能力有限，但其体积小、无活动部件等优点成为便携设备散热方案的不二选择。 此外，微流体散热技术通过在芯片封装内部开设微米级通道，直接让冷却剂流动吸热，这种内冷却技术能有效解决多层堆叠芯片中间层散热难题。
冷却流体沿微通道循环，及时带走局部热量，确保各层芯片温度均衡，显著提升封装的整体散热效率。不过微流体系统集成复杂，制造成本较高，目前多应用于极高端产品。 向下散热的路径同样关键。芯片热量可通过芯片与基板间的焊料层、引线架等结构传递至PCB。提升焊料和连接材料的热导率是继续提升散热性能的关键。金锡焊料因其高达60瓦每米开尔文的热导率备受重视，此外银烧结技术因更高的热导率和良好的机械性能，也正被广泛探索。
不同材料在热传递效率与生产工艺难度间需要权衡，以保证高产能和高性能的统一。 相较传统有机基板，更高导热性的陶瓷基板是未来发展的方向。陶瓷基板不仅具备更高的热导率，还比传统有机材料更平整、更坚硬，有助于提升整体封装的制造良率和热性能。尽管成本较高，但陶瓷基板能够支持更密集的I/O设计和更严苛的热管理要求，对高性能芯片尤为重要。 横向散热也是提升散热效率的有效手段之一。采用模塑封装将空气替换成热导率更高的封装材料，有助于提升堆叠芯片间的侧向散热路径，缓解中间芯片热积累问题。
随着制造工艺迈向2纳米及更先进节点，封装内热机械应力及脆性增强，模塑封装材料的选用可有效降低因热膨胀系数失配带来的封装应力，保障芯片封装的结构稳定性。 面对复杂且多变的热管理需求，行业内多种技术手段往往协同应用。芯片设计阶段的热架构优化逐渐成为可能，利用EDA工具针对散热进行芯片布局、封装设计和系统冷却方案的早期探索，有助于减少后期修改成本并提高整体热管理效率。值得注意的是，不同应用领域对于成本的容忍度存在差异，数据中心和高性能市场可采用更加昂贵且高效的散热技术，而消费电子则更需注重成本效益。 未来芯片散热技术将继续向着更集成化、更高导热、更智能化的方向发展。新材料如钻石填料金属复合界面材料的研究、基于相变的微型冷却系统、集成液冷和气冷复合散热方案将持续涌现。
与此同时，热管理系统的复杂性和成本也是需要考虑的重要因素，平衡性能、成本与可靠性是行业必须面对的挑战。 综上所述，芯片散热作为半导体产业发展的瓶颈之一，其重要性不容忽视。系统性采取多种技术创新手段，聚焦从芯片架构设计到封装材料和冷却系统的全链路优化，是解决散热难题的有效路径。随着技术的进步与成本控制的成熟，更高效、更智能的散热方案必将为下一代半导体芯片性能提升提供坚实保障，推动电子产业迈向更高峰。
