先端半導体パッケージの熱マネジメントに貢献する材料①

先端半導体パッケージでは3D集積の弊害として局所的に高温となるホットスポットという領域が生じ、信頼性や性能低下の原因となります。

このため、対策として演算負荷の集中でホットスポットが生じやすいCPU、GPU、HBM周辺の材料を高熱伝導、低熱抵抗化し、発生した熱を効率的に外部に逃がすことが重要です。

TIMは半導体パッケージとヒートスプレッダーやヒートシンクの間の隙間を埋める材料で、半導体パッケージで生じた熱を外部に逃がす役割を担います。効率よく放熱するために、半導体パッケージやヒートスプレッダー^※1の表面の微細な凹凸を埋めて接触熱抵抗を低減させること、高熱伝導率であることが求められます。

TIMはパッケージとヒートスプレッダーの間で使用されるTIM1とヒートスプレッダーとヒートシンクの間で使用されるTIM2に大別されます。 TIM1はTIM2よりも熱源であるチップへの距離が近いため、より低熱抵抗、高熱伝導であることが求められます。このため、TIM1にはTIM層を薄くすることができ、高熱伝導のフィラーを多く配合できるペースト状のTIMが用いられます。

一方、半導体パッケージの高性能化に伴い拡大している大サイズチップ向けには、信頼性確保のためシート状の高熱伝導TIMが適用されます。データセンター向けGPUでは、パッケージを液冷ヒートシンクやコールドプレートで直接冷却する構成が増加しています。

このようなリッドレスパッケージでは、ヒートスプレッダーを介さずにパッケージを冷却するため、放熱経路の短縮と界面数の削減による総合熱抵抗の低減というメリットがあります。

この構成で用いられるTIMは半導体パッケージとヒートシンクの間に配置され、TIM1.5と呼ばれます。TIM1.5はTIM1と同様に極めて高い熱伝導率、低熱抵抗が求められるため、ペースト状のTIMないしはシート状の高熱伝導TIMが使用されます。