半导体材料行业专题申报：芯片功耗提升散热重要性凸显

多个环节决定了芯片的散热性能。
个中，固晶胶/膜等封装黏接材料的紧张职责 是将载体与芯片或芯片之间进行黏合，但同时因其热膨胀系数最好靠近芯片和 芯片载体，以减小芯片黏接导致的热应力，而且具有优秀的导热系数，可以有 效地将芯片所产生的热通报到组装材料以利于散热；底部添补料（Underfill） 在前辈封装中用于缓解芯片构造之间热膨胀系数不匹配产生的内应力，以提高 芯片的热循环可靠性；热界面材料（TIM）可以直接改进两个表面之间的散热性 能；散热器则需将发热设备所传导的热量再传导至空气等物质。

封装材料市场规模稳健增长，估量 2027 年达 298 亿元。
集成电路封装产品中所 利用详细材料的种类及其价格按照封装形式和产品种类的不同存在较大差异， 但封装材料本钱常日会占到整体封装本钱的 40%～60%。
根据 SEMI，2022 年环球 半导体封装材料发卖额为 261 亿美元，估量到 2027 年将增长至 298 亿美元， CAGR+2.7%。

2 黏接材料：由 DAP 向 DAF 升级

黏接材料的基本功能可以被概述为将集成电路芯片键合在芯片载体上，或是芯 片与芯片之间的堆叠及黏接。
传统的芯片黏接材料按其方法的不同可被分为黏 接法、焊接法以及低温封接玻璃法。

黏接法是指用高分子树脂把芯片黏到焊盘上，使两者实现连接。
由于环氧树脂 属于稳定的高分子聚合物，以是大多数的树脂黏接剂采取环氧树脂作为主体材 料分为固晶胶和固晶胶膜。
固晶胶：固晶胶（Die Adhesive，DA），又称固晶胶粘合剂（Die Attach Paste，DAP），其根据是否拥有导电需求，可被分为导电胶与绝缘胶。
导电胶是 通过在高分子树脂基体中添加金属导电填料形成的。
导电填料紧张供应电学及 热学特性，树脂基体则供应机器特性和密封性。
通过调度金属导电填料和树脂 的配比，导电胶可表示出截然不同的电学和机器性能，因此导电胶与金属焊料 有明显的差异。

绝缘胶具有优益的电气绝缘性、黏接性能和成型特性，其广泛运用于集成电路 封装中须要绝缘黏接、灌封的地方，紧张运用于芯片背面不须要导电的芯片黏 接。
导电胶则在树脂作为主体材料并填入了如银或铜等导电填料，使其同时也 可起到导电互联的浸染。
导电胶根据导电方向可被分为同性导电胶（Isotropic Conductive Adhesive，ICA）和(Anisotropic Conductive Adheseive，ACA)两 大类。
ICA 是指在各个方向均具有同等性能的导电胶，其被广泛运用于电子器件 的封装。
ACA 则是指只在某一个方向上实现导电，但在其他方向不导电的导电 胶，ACA 的制备过程相对更加繁芜， 对生产设备和工艺条件的哀求较高，紧张 运用于如 LED 或 OLED 显示器用 PCB 等分外 PCB 的生产。

固晶胶存在树脂泄露、芯片集成度低以及固晶胶的均匀性差等缺陷。
虽然固晶 胶具有工艺温度低、本钱低、热应力低、易返修等优点，但同时也存在材料的 热稳定性差，须要高温固化且工艺韶光长，同时在工艺流程中可能会发生树脂 泄露等问题。
树脂泄露是一种表面征象，即由于树脂和基底之间的表面能差， 有机树脂碎片沿着基底表面或半导体芯片侧面迁移，导致芯片附近的基板表面受到侵略，会对后续的封装过程受到影响。
除了树脂泄露以外，DAP 会使芯片与 基板之间的外沿形成斜坡，导致芯片周围须要额外的间隔，同时对更薄的芯片 而言，不平均的斜坡会导致爬胶以及芯片的倾斜并终极导致其性能产生毛病。
随着下贱客户对芯片封装的哀求更加严苛，固晶胶已无法知足现本年夜部分的使 用场景。

固晶胶膜：固晶胶膜（Die Attach Film，DAF）是一种超薄型薄膜黏接材料， 其紧张身分也是树脂，但与导电胶不同，其以胶膜的形式运用于芯片粘贴。
DAF 与 DAP 一样，同样拥有导电胶膜以及绝缘胶膜，而导电胶膜也同样可被分为各 向同性导电胶膜（Isotropic Conductive Film，ICF）和各向异性导电胶膜 （An-isotropic Conductive Film，ACF）。
DAF 比较 DAP 拥有韶光、本钱以及性能上的全面上风。
随着电子集成电路产 品，尤其是消费类电子产品对产品提出了更小、更薄和低本钱封装的哀求，厂 商逐渐转而采取封装密度更高的表面支配有电路的聚合物基板来逐步替代金属 型的芯片载体。
这类聚合物基板须要降落黏接温度，降落应力并须要避免对表面电路的污染。
DAF 的优点便随之凸显，其肃清了 DAP 中的侧边爬胶；减小了芯 片和芯片焊盘之间的间距，提高了芯片设计密度，配套封装材料的用量的显著 减少，降落了生产本钱；应力小，具有较高的柔性和抗疲倦性，可与多种基板 连接；工艺大略，生产效率高；不含铅等有毒金属身分，减少了对环境的污 染。

随着芯片的体积逐渐减小，对晶圆的厚度也有极高的哀求，尤其是须要将多个 芯片进行堆叠的封装形式，因此须要将晶圆进一步减薄。
而晶圆的厚度低落， 会导致研磨晶圆背面所产生的残余应力使晶圆涌现正面紧缩，这样可能会引发 晶圆波折成弧形；此外随着晶圆变薄，其波折度也会增加。
因此为了保持晶圆 平整，首先须要在晶圆背面贴上承载薄膜（Mounting Tape），然后将其固定在 环形框架内。
与此同时，芯片的多层堆叠也会涂胶流程韶光大大增加，在这样 的情形下，固晶胶膜应运而生，DAF 会在切割芯片之前便被贴在晶圆的背面，随 后一同进行切割，这样可以保障每个芯片 DAF 的均匀性以降落毛病率、省去了 切割后的涂胶环节，同时也可为晶圆供应一定的保护。
目前 DAF 是 NAND 的 3D 芯片堆叠以及面板显示屏键合中的紧张材料之一。

ACF 是绝大部分柔性电子元件中的关键黏接材料。
上述紧张描述的是绝缘胶膜 的利用，而导电胶膜（Conductive Die Attach Film,CDAF）也同样在封装中起 到了关键浸染。
CDAF 中的 ACF 运用于险些所有的柔性电子元件，如可波折显示 器和可穿着设备中的面板与芯片的组装和键合中，紧张被运用于 LCD 或 OLED 的 玻璃基板与 IC 芯片或柔性基板之间的电气连接以及物理固定。

CDAF 拥有传统焊接技能无法实现的精密组件方面的运用。
在平板显示器中，透 明电极以图案化的形式呈现在玻璃基板上，以激活液或 OLED 的单个单元,而这 些透明电极必须与激活这些单元的驱动 IC 进行互联；但是，由于用作透明电极 的掺锡氧化铟（ITO）不能与焊料形成共晶体系，因此不能利用焊接进行连接， 而且由于必须在显示器尺寸范围内排列与液晶单元数量相等的电极，另一个问 题是限定电极之间的最大空间或连接间距，以避免相邻电极短路。
随着高清显 示屏的分辨率越来越高，尺寸越来越小，连接间距必须越来越窄。
而 ACF 由于可以实现垂直方向的导电性和水平方向的绝缘特性，使其可以在不 利用焊接的形式对器件实现黏合、垂直的互联以及水平的绝缘三种效果，目前 昭和电工的 ACF 可实现 ACF 20m 的间距，可运用于现今绝大部分的 LCD 以及 OLED 面板当中。

德日高度垄断市场，CR3 拥有绝对垄断地位。
据 Cepem，2019 年环球黏接材料 市场规模大约为 8.7 亿美元，紧张包括导电与非导电的 DAP 以及 DAF。
DAP 以及 DAF 均为德日垄断市场，截止 2019 年根据环球出货量，DAP CR3 市场份额占整 体的 83%，中国德邦子公司东莞德邦拥有 1.2%的市场份额。
DAF 则被德国汉 高、日本日立以及日东垄断，三者拥有环球 99.2%的非存储器用 DAF 市场份额；日东则基本垄断了存储器用 DAF 市场份额，其市场份额达 91.4%；而导电胶膜则 更是被德国汉高独自一人垄断。

冲破外洋垄断格局，踏出国产替代第一步。
德邦科技现已成功研发出运用于存 储芯片堆叠封装固晶的 DAP 及 DAF，个中 DAF 已有十几个客户通过验证，得到了 四个客户的小批量订单，DAP 已得到客户订单。
公司研发出的固晶胶膜产品成功 冲破了中国在封装黏接材料方面的产品空缺，实现了 0 到 1 的打破。
根据投资 者调研，公司估量海内 DAF 膜市场规模约为 5-10 亿元，国产替代空间广阔，预 计随着产品通过验证后在各大封测厂的大批量导入，公司黏接材料营收有望引 来快速发展期。

3 散热材料：芯片功率提升的主要防线

AI 家当发展带动算力需求的快速扩容的背景下，主流厂商 CPU 和 GPU 的功率逐 步提高，从而催生新型散热材料和散热模式。
我们看到，散热办理方案从 2019 年旁边的以风扇为代表的风冷，逐步发展至当下的 3D VC 风冷和开放式液体 冷却技能，以支持密度在 30-60kW/R 旁边的机房。
此外，随着散热需求提 升，估量未来浸没式液冷也将成为主流。

3.1 热界面材料（TIMs）

热界面材料 (Thermal Interface Materials, TIM) 可改进两个表面之间的传 热。
电子设备的性能不断提高，但它们花费更多的电量并产生更多的热量。
如 果热量无法有效散发，设备的性能就会受到影响。
TIM1 型材料被用作第一道防线。
TIM1 材料常日放置在半导体封装内，位于发热 芯片/管芯和散热金属盖之间，与两者打仗以实现更直接的散热。
TIM2 材料作为 第二道防线，常日放置在半导体封装的外部和散热器之间。
从技能角度来看， TIM1 的可靠性和性能哀求比 TIM2 高得多，须要更高性能的填料和配方。

目前导热界面材料紧张有四类： (1)导热灌封胶：用于模块的整体封装； (2)导热硅脂(导热膏)：具有一定流动性或呈黏稠状的膏状物，用于添补眇小间 隙，比如将膏体涂覆在 CPU 和散热器之间，发热堆和壳体之间，将空气挤压出 去，形成散热通道； (3)导热胶垫：是一种柔性可压缩的弹性材料，在施加一定压力的情形下，能很 好地顺应打仗不规则的表面，补充固体间的空隙，而又不会对元器件造成污 染，用于电子电器产品的掌握主板、LED 散热、电机内外部垫脚、锂电池热管理 等； (4)导热相变材料：在常温时处于固态，在接管功率器件热量后，达到一定温度 才融化为液态，因此可以很好地浸润固体界面，从而减少热阻，它既能接管热 量，又有良好的传热性，综合了导热硅脂和导热胶垫的上风，既办理了硅脂涂 抹操作难的问题，也办理了导热胶垫由于厚度和界面热阻带来的导热效果的问 题。

流动态导热油脂霸占最大市场份额。
热界面材料市场规模方面，流动态的导热 油脂用作导热材料，有利于利用过程中的自动化，并且其热阻很小，是当前市 场份额最大的导热界面材料，2020 年其市场规模达 3.6 亿美元，胶膜和胶带紧 随其后，市场规模为 3.2 亿美元，别的热化合物、金属基等材料利用相对较 小。

TIM1 材料必须能够承受从-40C 到 150C 的极度温度循环，而温度循环 TIM2 材料的功能上限常日更靠近 120C。
虽然这 30C 的温度上限差异可能看起来 并不多，但它显著降落了配方哀求，许可在根本材料和填料选择方面有更多的 可变性，如某些环氧树脂或其他热塑性材料，否则可能会成为 TIM1 运用的竞争 者，不能承受 150C 的温度而不硬化和分层，导致热故障。
出于这个缘故原由，大 多数 TIM1 材料是基于有机硅的化学物质，以知足 150C 的上限，还必须利用 表面处理功能化的导热填料颗粒，以忍受极度温度随着韶光的推移，而不会变 脆，改变其凝胶状的特性，并勾引由于高热膨胀系数不匹配的机器应力。

3.2 均热片

均热片（Heat Spreader）是一种半导体器件的热辐射底板，用于器件的有效散 热和热应力的减少。
因此，均热片须要以下几点特性: (1) 较高的热导率 (TC) (2) 与器件材料之间最佳的热膨胀系数 (CTE) (3) 与半导体芯片以及焊料之间的良好粘结性。
均热片运用广泛，涵盖多个终端运用领域。
均热片作为半导体器件封装中的重 要材料，其形状与大小也根据元器件的需求进行调度，均热片的运用领域涵盖 了消费电子、做事器、汽车电子及通讯等多个运用领域。

均热片材料决定了散热性能。
均热片在芯片散热领域中属于“被动性散热组 件”，将导热性佳的金属贴附于发热表面，以复合的热交流模式来散热。
均热片 紧张与在其与已封装的芯片之间的 TIM II 合营进行散热，其本身并不能为器件 降温，只是将热量通报到另一个物体上，让热量安全地从器件上散发出去，因 此制造均热片的材料决定了均热片的热导率以及线性热膨胀系数。
住友电子的 均热片材料包括铜钨、铜钼、铜金刚石、银金刚石、铝碳化硅、CVD 钻石平分歧 材料。
每种材料都具有独特的特性，可与不同种类的半导体相辅相成，用于不 同的运用领域。

均热片性能的主要性随着芯片性能的升级而愈加凸显。
随着芯片效能的进一步 提升与制程上的进一步眇小化，晶体管的数量在相对面积中更加集中，使电路 的设计更加繁芜化。
然而并不是所有的效能可以百分之百的提升，因此大部分 电能的花费，其能量会转变成热量的形式散发。
而制程的眇小化也导致其在相 同的单位面积内，所须要的用电量与相应废热产生也愈来愈大。
因此，尤其是 在做事器以及 AI 需求井喷确当下，芯片的散热办理方案须要在高效能的运算能 力下，将热源更加有效地排出，而均热片作为芯片散热办理方案最核心的组成 部分，对其性能的需求也进一步提升。
中国台湾厂商健策精密是环球均热片的紧张供应商之一，为了更好地相应客户 对均热片的需求，公司在 2023 年新研发出了 5g 芯片均热片的开拓及量产，以 及超薄型均热片的开拓及量产，进一步提升了公司均热片在市场的竞争力以及 产品矩阵在运用领域的拓宽。
公司持续看好均热片业务，公司 2023Q3 均热片营 收同比增长 21%，估量 2024 年均热片收入将进一步提升。

3.3 散热器

散热器（Heat Sink）与均热片的浸染基本相同。
其作为被动散热器件用于将器 件产生的热量转移到流体介质（常日为空气或液体冷却剂）中，然后将热量从 设备中散发出去，从而将设备的温度掌握在最佳水平。
散热器与均热片不同，常日由排列成梳状的金属部件组成，梳状的部分也被称 为散热片，其增加了表面面积，从而提高了散热性能，每每散热器会与风扇或 泵结合，以供应逼迫循环以及主动散热的浸染，以提高冷却效率。

4 Underfill：倒装芯片封装的关键材料

底部添补料是集成电路倒装芯片封装的关键材料之一，在前辈封装中用于包括 缓解芯片、互连材料(焊球)和基板三者的热膨胀系数不匹配产生的内应力，分 散芯片正面承载的应力，同时保护焊球、提高芯片的抗跌落性、热循环可靠 性，在高功率器件中还能通报芯片间的热量。
从利用场景来看，底部添补胶分 为三种，一是倒装芯片底部添补胶，用于芯片与封装基板互连凸点之间间隙的 添补，精度一样平常为微米级。
二是（焊）球栅阵列底部添补胶，用于封装基板与PCB 印制电路板之间互连焊球间的添补，间隙精度为毫米级，对底部添补胶哀求 相对较低。
三则是用于晶圆级封装。
个中，倒装芯片用市场占比最大。

倒装芯片底部添补料通过添补在集成电路芯片与有机基板之间的狭缝中，起到 将连接焊点密封保护起来的浸染。
底部添补料是影响倒装芯片组装质量的关键 成分之一。
芯片、有机基板、焊料连接和添补材料都是不同材质的，这几种材 料的热膨胀系数有所差异。
在没有进行底部添补的条件下，几种材料中芯片与 有机基板的热膨胀系数差异最大，这导致当发生温度变革时，全体封装体随意马虎 发生形变，并且在芯片与有机基板之间的互连点上涌现剪应力。
底部添补料扮 演调节上述征象的关键角色，使全体系统的热膨胀系数介于芯片与基板的热膨 胀系数之间，由此强化焊接连接的强度，降落连接点的疲倦应力，从而增加产 品寿命。

Underfill 材料紧张由有机粘合剂、填料、固化剂、催化剂、偶联剂、润湿剂、 阻燃剂、消泡剂以及其它添加剂组成。

按添补阶段划分，底部添补技能可分为后添补和预添补。
传统的底部添补技能 是完成倒装芯片互连后进行。
随着系统集成度不断提高，倒装芯片上凸点的尺 寸和节距变得越来越小，节距小于 100um，传统的组装后底部添补技能常常涌现 凸点间添补不完备到位、产生孔洞等毛病，封装互连的可靠性降落。
为适应倒 装芯片窄节距互连的添补需求，预成型底部添补技能产生，该技能能简化工 艺，又能对窄节距互连（小于 100um）进行良好的底部添补。
预成型底部添补技 术指底部添补料在芯片互连之前被施加在芯片或基板上，在后续的回流或热压 键合过程中，芯片凸点互连与底部添补固化的工艺同时完成。
依据添补工艺划分，后添补可分为毛细管底部添补(CUF)和塑封底部添补 (MUF)，预添补紧张包括非流动底部添补料（NUF）、晶片级底部添补料 （WLUF）、非导电浆料（NCP）和非导电膜（NCF）：

1） 毛细管底部添补(CUF)：依赖毛细浸染将材料添补在芯片和芯片载体之间，首 先将一层助焊剂涂在带有凸点的基板上，然后将芯片焊料凸点对准基板焊盘， 加热进行焊料回流，使高下凸点互连，接着通过溶剂喷雾等办法进行助焊剂 洗濯，沿芯片边缘注入底部添补料，底部添补料借助毛细浸染会被吸入芯片 和基板的空隙内，末了加热固化。
目前市场上大多数的底部添补料都是毛细 管底部添补料，广泛运用于包括手机在内的许多电子器件小尺寸芯片封装中。

2） 塑封底部添补(MUF)：将底部添补料的添补和器件塑封两个步骤统一，在进行 塑封的同时，底部添补料进入芯片和基板间的空隙中，随后一起固化、密封。
塑封底部添补工艺（MUF）比毛细管底部添补工艺更大略、更快速。

3） 非流动底部添补料(NUF)：该工艺不须要液体的毛细浸染。
在芯片和基板互连 之前，首先在基板表面涂覆非流动底部添补料，然后在焊料回流过程中同时 完成焊球互连和底部添补料加热固化两个过程。
工艺比毛细管底部添补工艺 省去了助焊剂的涂覆和打消步骤，提高了生产效率。

4） 晶片级底部添补料（WLUF）：该添补办法对应晶片级封装。
在晶圆上通过得当 的涂层工艺（层压或涂覆等）添加一层底部添补料，并对底部添补料加热撤除溶剂进行预固化，然后通过平整化露出互连凸点，接着将晶圆进行切割以 得到带凸点的单个组件，组件与基板通过表面安装工艺相连。

5） 非导电浆料（NCP）：可以直接通过热压的办法，让凸点和焊盘直接打仗实现 电互连，省去了助焊剂干系的工序。
材料在固化后仅仅起着形成机器连接并 保持凸点和焊盘的打仗压力的浸染。

6） 非导电膜（NCF）：NCF 材质优柔，可以夹在 PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）之 类的塑料薄膜中作为卷材利用，且作为薄膜材料可运用在圆片级封装中。
NUF 与 NCP/NCF 有所差异，NUF 的非流动性是将封装材料及助焊剂等在焊料回流 时同时进行焊球的互连过程，NCP/NCF 是一种非导电材料（膜），是利用倒装键 合的热压办法将焊球互连及封装材料固化同步完成。

2030 年 Underfill 市场规模将达 15.8 亿美元。
受手机、电脑等便携式电子产 品朝小型化、微型化、薄型化方向逐步发展，CSP/BGA 市场的遍及率不断上涨匆匆 使干系封装工艺哀求不断提升，同时 AI 运用发达发展，促进前辈封装需求高速 提升，底部添补胶作为一类主要的封装电子胶黏剂，市场需求得以持续增长， 在 CoWoS 等 2.5D 前辈封装中，须要至少两次 Underfill 点胶工艺。
据 GII 数据，2022 年环球底部添补材料市场为 9.4 亿美元，估量 2023 年为 9.8 亿美元， 今后看 2030 年有望增长至 15.8 亿美元，CARG 达 6.77%。
美日垄断市场，海内厂商加速量产。
目前环球底部添补胶生产企业紧张有德国 汉高、美国 AIM Solder、日本昭和电工、日本松下、日本信越等国际企业，且 市场份额紧张由国际企业霸占。
近年海内厂商不断加速，德邦科技等中国企 业，不断打破外洋垄断，实现国产替代。

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精选报告来源：【未来智库】。
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