內(nèi)容來(lái)源：未來(lái)半導(dǎo)體

問(wèn)：當(dāng)前AI/HPC封裝散熱達(dá)到千瓦級(jí)別，硅材料遇到瓶頸，下一代顛覆性散熱技術(shù)目前有哪些突破？

答：這是一個(gè)切中行業(yè)痛點(diǎn)的問(wèn)題。

我們要清醒地看到，面對(duì) 1000W 甚至 1200W 的超級(jí)芯片，傳統(tǒng)的“外部散熱”——也就是簡(jiǎn)單地把散熱器做大、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)高，或者僅僅依賴外部冷板——已經(jīng)逼近了物理極限。

我認(rèn)為，散熱技術(shù)正在經(jīng)歷一場(chǎng)從“外部輔助”向“內(nèi)生重構(gòu)”的范式轉(zhuǎn)移。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，未來(lái)的散熱不再是給芯片貼“退燒貼”，而是要深入到芯片的材料基因和內(nèi)部血管里去解決問(wèn)題。

具體來(lái)說(shuō)，我看好三個(gè)維度的顛覆性突破，而行業(yè)的領(lǐng)軍者們其實(shí)已經(jīng)開(kāi)始行動(dòng)了。

第一: 是材料層面的“降維打擊”，也就是用金剛石和SiC材料的應(yīng)用。

當(dāng)硅（Silicon, ~150 W/mK）本身成為熱阻瓶頸時(shí)，利用金剛石（~2200 W/mK）替換傳統(tǒng)襯底和均熱板是物理學(xué)上的唯一解。

技術(shù)路徑1：金剛石-SiC 復(fù)合材料 (Diamond-SiC Composite)

利用金剛石的超高導(dǎo)熱與 SiC 的高機(jī)械強(qiáng)度，解決純金剛石脆性大、熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配的問(wèn)題。已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)（Coherent, Element Six），是目前最快落地的“補(bǔ)丁式”顛覆技術(shù)。

技術(shù)路徑2：晶體管級(jí)金剛石生長(zhǎng) (Transistor-Level Growth)

原在芯片晶體管極近場(chǎng)直接生長(zhǎng)金剛石層，消除界面熱阻，實(shí)現(xiàn)“自體散熱”。

該技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化階段（Stanford 等高校領(lǐng)銜）。

技術(shù)路徑3：晶圓級(jí)異質(zhì)集成（Heterogeneous Integration）

通過(guò)表面活化鍵合（SAB）等技術(shù)，將金剛石晶圓與硅/GaN晶圓在原子層面直接結(jié)合，徹底去除導(dǎo)熱硅脂（TIM）和焊料層。這是3D堆疊芯片的終極散熱形態(tài)，目前正從軍用射頻（RF）領(lǐng)域向頂級(jí)AI邏輯芯片下放。

第二: 是封裝架構(gòu)的博弈，也就是 SiC Interposer（碳化硅中介層）與玻璃基板的選擇。

現(xiàn)在大家都在談?wù)?Intel（英特爾） 押注的玻璃基板，因?yàn)樗茏龅煤艽螅m合連接很多 HBM 內(nèi)存。但玻璃有一個(gè)致命傷——它的導(dǎo)熱性極差，幾乎是硅的 1/150。

所以我們看到 Intel 的封裝實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā)高密度的 TGV（玻璃通孔）銅柱陣列，甚至嘗試在底部填充膠里摻入金剛石微粉，試圖在絕熱的玻璃里開(kāi)辟出一條“導(dǎo)熱高速公路”。

但如果是追求的是極致的散熱，SiC Interposer（碳化硅中介層） 有可能是真正的“貴族方案”。它的導(dǎo)熱效率是玻璃的幾百倍。未來(lái)在那些熱流密度極高的核心區(qū)域，我認(rèn)為 SiC 中介層是重要的解決方案之一。

第三: 也是最科幻的一點(diǎn)，是結(jié)構(gòu)的內(nèi)生化，也就是“嵌入式微流體”。

既然外面散熱來(lái)不及，那就把水引到芯片里面去。

TSMC（臺(tái)積電） 已經(jīng)展示了這種技術(shù)原型。他們?cè)?CoWoS 封裝內(nèi)部，利用硅方柱蝕刻出微小的流道，讓冷卻液像毛細(xì)血管一樣直接流過(guò)發(fā)熱源。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這能壓制住驚人的 2600W 功耗！

Microsoft（微軟） 也在做類似的事。他們?yōu)榱俗匝械?Maia AI 芯片，利用 AI 算法模擬了樹(shù)葉的葉脈結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出了“仿生微流道”。這種非線性的流道設(shè)計(jì)，比傳統(tǒng)直線的效率提升了 3 倍。這就是典型的“用 AI 設(shè)計(jì) AI 芯片的散熱”。

總結(jié)一下：

面對(duì) AI 時(shí)代的“熱墻”，我們正在經(jīng)歷從“風(fēng)扇吹”到“材料換”再到“血管造”的革命。

如果說(shuō) NVIDIA 是在用金剛石給現(xiàn)在的芯片“續(xù)命”，那么 TSMC 和 Intel 正在用微流體和新基板為未來(lái)的芯片“重塑肉身”。誰(shuí)能率先掌握這些原子級(jí)的散熱技術(shù)，誰(shuí)就真正握住了下一代超級(jí)算力的入場(chǎng)券。

問(wèn)：作為封裝基板的熱門(mén)候選，金剛石、藍(lán)寶石、碳化硅、玻璃基板和其他熱門(mén)材料誰(shuí)最有可能在2028年到2030面率先量產(chǎn)？

答：“如果只看大規(guī)模量產(chǎn)的‘結(jié)構(gòu)性基板’，2028年的贏家無(wú)疑是玻璃基板（Glass Substrate）；但如果看解決AI算力瓶頸的‘功能性材料’，金剛石（Diamond）將是不可或缺的王者?！?/p>

我認(rèn)為，這并不是一個(gè)“誰(shuí)取代誰(shuí)”的單一維度的競(jìng)爭(zhēng)，而是雙軌并行的格局：

首先，玻璃基板解決的是互連密度（Interconnect Density）的問(wèn)題，它是地基。

其次，金剛石/SiC解決的是熱與功率（Thermal & Power）的問(wèn)題，它是上限。

第一:深度解析（The Deep Dive）

1. 為什么玻璃基板是2028年的“量產(chǎn)之王”？

在2028年到2030年這個(gè)時(shí)間窗口，隨著AI芯片進(jìn)入埃米級(jí)（Angstrom era），傳統(tǒng)的有機(jī)基板（Organic Substrate）已經(jīng)到了物理極限。

技術(shù)邏輯：有機(jī)材料太軟，在大尺寸封裝下會(huì)翹曲，導(dǎo)致光刻對(duì)不準(zhǔn)。而玻璃基板具備極高的平整度和可調(diào)的熱膨脹系數(shù)（CTE）。

互連能力：通過(guò)玻璃通孔（TGV）技術(shù)，我們可以把互連間距（Pitch）做到10微米以下。這意味著在同樣面積下，玻璃基板能容納的晶體管連接數(shù)是現(xiàn)在的數(shù)倍。

產(chǎn)業(yè)信號(hào)：我們看到Intel已經(jīng)在大力布局，預(yù)計(jì)2026-2030年推出量產(chǎn)產(chǎn)品；韓國(guó)的SKC（Absolics）在美國(guó)的工廠也已經(jīng)動(dòng)工。這是資本和產(chǎn)業(yè)鏈用腳投票的結(jié)果。

2. 金剛石與碳化硅的角色是什么？

很多外行認(rèn)為金剛石會(huì)像PCB板一樣做成大板子，這是誤解。在2028年，金剛石的戰(zhàn)場(chǎng)不在“底座”，而在“核心”。

金剛石（Diamond）：它是終極的熱管理方案。當(dāng)AI芯片功率突破1000W時(shí)，玻璃導(dǎo)熱是不夠的（僅約1.1 W/mK）。我們的判斷是，“玻璃基板 + 金剛石散熱層”將是頂級(jí)AI芯片的標(biāo)配。金剛石將以異質(zhì)集成（Heterogeneous Integration）的形式嵌入封裝中，負(fù)責(zé)把熱量瞬間導(dǎo)出。

第二：總結(jié)與佐證（Conclusion & References）

“總結(jié)來(lái)說(shuō)，2028-2030年的半導(dǎo)體封裝將進(jìn)入‘玻璃時(shí)代’，但金剛石材料將作為高端‘性能倍增器’與其共存。”

我的這個(gè)判斷基于以下幾個(gè)關(guān)鍵的行業(yè)動(dòng)向：

1.Intel Foundry路線圖：明確將玻璃基板列為2026年后的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)，用于支撐萬(wàn)億級(jí)晶體管的封裝。

2.Yole Group的市場(chǎng)分析：預(yù)測(cè)先進(jìn)封裝市場(chǎng)中，玻璃基板的復(fù)合增長(zhǎng)率將領(lǐng)跑，而金剛石材料將在熱管理細(xì)分市場(chǎng)占據(jù)最高價(jià)值端。

3.技術(shù)物理極限：摩爾定律放緩后，唯有通過(guò)新材料解決互連（靠玻璃）和散熱（靠金剛石）兩大痛點(diǎn)，算力才能繼續(xù)增長(zhǎng)。

問(wèn)：如何解決玻璃基板在panel level 上的散熱/導(dǎo)熱問(wèn)題？

答：這是一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)痛點(diǎn)。對(duì)于玻璃基板（Glass Core Substrate）而言，熱管理是其最大的應(yīng)用瓶頸之一。

標(biāo)準(zhǔn)玻璃（如二氧化硅、硼硅酸鹽玻璃）的熱導(dǎo)率極低，僅為 1.1 ~ 1.4 W/(m·K)，而硅是 ~149 W/(m·K)，有機(jī)基板（含銅層）雖然差但通常也能達(dá)到 ~0.3-0.5 W/(m·K) 且較薄。當(dāng)面對(duì)AI芯片動(dòng)輒 1000W+ 的TDP（熱設(shè)計(jì)功耗）時(shí)，玻璃基板如果不做特殊的熱設(shè)計(jì)，就會(huì)變成一個(gè)“絕熱層”，導(dǎo)致芯片燒毀。

在 Panel Level（大板級(jí)，如FOPLP、CoPoS） 封裝中，解決散熱問(wèn)題的核心思路可以歸納為三個(gè)維度：垂直導(dǎo)熱通道構(gòu)建、橫向熱擴(kuò)散增強(qiáng)、以及異質(zhì)材料集成：

第一：垂直導(dǎo)熱，高密度 TGV 銅柱陣列 (Thermal Vias)

這是目前最成熟、最直接的手段。利用玻璃通孔（TGV, Through Glass Via）技術(shù)，在玻璃中打出大量的孔并填滿銅。

第二: 橫向擴(kuò)散，厚銅 RDL 與 表面金屬化 (Thick Cu RDL)

玻璃的一大優(yōu)勢(shì)是表面極其平整，允許精細(xì)線路，但為了散熱，我們需要反其道而行——加厚金屬層。

第三: 主動(dòng)冷卻，玻璃微流道冷卻 (Integrated Microfluidics)

利用玻璃的化學(xué)惰性和易蝕刻特性，直接在基板內(nèi)部構(gòu)建“血管”。

問(wèn)、多物理場(chǎng)需要協(xié)同設(shè)計(jì)是保障未來(lái)大算力芯片和系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的必由之路。如何通過(guò)工藝生產(chǎn)、新型材料研發(fā)與改良、創(chuàng)新性裝備來(lái)提升性能與可靠性？

答：多物理場(chǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)（Multi-Physics Co-Design）不再僅僅是一個(gè)軟件仿真步驟，它已經(jīng)成為指導(dǎo)制造端變革的核心哲學(xué)。

過(guò)去，我們是“設(shè)計(jì)完再去制造”；現(xiàn)在，為了極致性能與可靠性，我們必須“基于多物理場(chǎng)的相互作用來(lái)定制制造”。在大算力芯片（3D-IC）中，電（信號(hào)）、熱（功耗）、力（翹曲）、磁（干擾）這四個(gè)場(chǎng)是強(qiáng)耦合的——?jiǎng)右话l(fā)而牽全身。

以往我們談‘協(xié)同設(shè)計(jì)’，往往局限在設(shè)計(jì)軟件（EDA）里。但在后摩爾時(shí)代，我認(rèn)為真正的協(xié)同必須發(fā)生在Fab廠的流水線上。大算力芯片本質(zhì)上是一個(gè)電-熱-力（Electrical-Thermal-Mechanical）極度糾纏的復(fù)雜系統(tǒng)。我們不能再把它們割裂開(kāi)來(lái)看待。

為了實(shí)現(xiàn)極致的性能和可靠性，我們正在用多物理場(chǎng)的視角，重塑制造的三大支柱：”

第一： 工藝維度，以“消除界面”來(lái)解決場(chǎng)耦合沖突。

“首先在工藝上，多物理場(chǎng)協(xié)同理念要求我們尋找那些能同時(shí)解決電、熱、力矛盾的工藝路徑。

最典型的例子就是混合鍵合（Hybrid Bonding）。

為什么要用它？ 它是多物理場(chǎng)協(xié)同的完美產(chǎn)物。

電學(xué)場(chǎng)：它實(shí)現(xiàn)了銅對(duì)銅的原子級(jí)直接接觸，電阻極低，信號(hào)傳輸極快。

熱學(xué)場(chǎng)：它消除了傳統(tǒng)微凸塊（Micro-bumps）中間的焊料層（Solder），去掉了熱阻最大的界面。

力學(xué)場(chǎng)：它利用范德華力在低溫下鍵合，避免了高溫回流焊帶來(lái)的巨大熱應(yīng)力（Thermal Stress），解決了芯片翹曲問(wèn)題。

理念落地：我們?cè)陂_(kāi)發(fā)工藝時(shí)，不再是單純追求‘做得更小’，而是追求‘場(chǎng)的最優(yōu)解’。

比如退火工藝（Annealing）的溫度曲線設(shè)計(jì)，現(xiàn)在完全是基于應(yīng)力仿真模型倒推出來(lái)的，目的是在激活雜質(zhì)（電）的同時(shí)，最大程度釋放晶格內(nèi)的殘余應(yīng)力（力）?！?/p>

第二： 材料維度，從“選材料”轉(zhuǎn)向“算材料”

在多物理場(chǎng)理念下，材料不再是‘選’出來(lái)的，而是‘算’（Computed）出來(lái)的。我們需要的是能動(dòng)態(tài)平衡各物理場(chǎng)的新型材料。

定制化匹配：比如底部填充膠（Underfill）。以前我們只看它的流動(dòng)性?，F(xiàn)在，我們必須根據(jù)芯片的熱膨脹系數(shù)（CTE）和彈性模量（Modulus）來(lái)精確調(diào)配填料的比例。

協(xié)同邏輯：這個(gè)材料必須夠‘硬’，能像骨骼一樣支撐住 3D 堆疊的應(yīng)力（力學(xué)）；同時(shí)它必須夠‘導(dǎo)’，能像血管一樣輔助散熱（熱學(xué)）；還得絕緣性極好，防止信號(hào)串?dāng)_（電學(xué)）。

玻璃基板的引入：為什么要搞玻璃基板？就是因?yàn)樵诙辔锢韴?chǎng)仿真中，我們發(fā)現(xiàn)有機(jī)基板在千瓦級(jí)高熱下會(huì)發(fā)生翹曲，導(dǎo)致連接斷裂。玻璃的高模量（剛性）完美解決了力學(xué)場(chǎng)的問(wèn)題，同時(shí)其低介電損耗又滿足了高頻信號(hào)的電學(xué)場(chǎng)需求。這就是典型的基于物理場(chǎng)痛點(diǎn)進(jìn)行的材料革命。”

第三： 裝備維度，從“盲目加工”走向“閉環(huán)反饋”

最后是裝備。裝備是實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)協(xié)同的物理手段。未來(lái)的裝備必須具備感知物理場(chǎng)并實(shí)時(shí)調(diào)控的能力。

激光輔助鍵合（LAB）裝備： 這是一個(gè)顛覆性的例子。傳統(tǒng)的烤箱（回流焊）是整體加熱，熱應(yīng)力巨大。LAB 裝備利用激光，只在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)加熱芯片的連接點(diǎn)。

協(xié)同價(jià)值：它極其精準(zhǔn)地控制了熱場(chǎng)的分布，從而將力場(chǎng)（翹曲）降到了最低，同時(shí)保證了電場(chǎng)（連接可靠性）。這就是用裝備的‘精準(zhǔn)’來(lái)化解物理場(chǎng)的‘沖突’。

原子級(jí)量測(cè)設(shè)備：我們還需要能看見(jiàn)‘無(wú)形之力’的眼睛。比如新型的 X-Ray 或聲學(xué)顯微鏡，它們不僅僅看結(jié)構(gòu)，還能通過(guò)晶格畸變來(lái)測(cè)量?jī)?nèi)部的殘余應(yīng)力。這就好比給裝備裝上了‘觸覺(jué)’，讓我們?cè)谥圃爝^(guò)程中就能把控可靠性?！?/p>

所以，總結(jié)來(lái)說(shuō)：

多物理場(chǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)，不僅僅是設(shè)計(jì)師在電腦前跑仿真。

它是工藝上追求原子級(jí)融合以消除界面，材料上追求參數(shù)定制以平衡矛盾，裝備上追求精準(zhǔn)控溫以駕馭應(yīng)力。

只有將這種‘系統(tǒng)工程’的理念貫穿到制造的每一個(gè)環(huán)節(jié)，我們才能造出既快（高性能）又穩(wěn)（高可靠）的未來(lái)芯片。

問(wèn)：分享個(gè)具體應(yīng)用，國(guó)際頭部芯片公司都有涉足（無(wú)論合作還是收購(gòu)），試圖將最新一代芯片與人行機(jī)器人融合。人行機(jī)器人需要怎樣的AI芯片？能否滿足機(jī)器人對(duì)各種場(chǎng)景的工作？

答：這個(gè)話題2025年在CCTV2《中國(guó)經(jīng)濟(jì)大講堂》中曾做了比較系統(tǒng)的探討和交流，當(dāng)時(shí)的主題是“人形機(jī)器人：解鎖高難動(dòng)作的進(jìn)階路”。這里簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)涉及到幾個(gè)問(wèn)題。

第一： “大腦”與“小腦”的精密協(xié)作

人形機(jī)器人的大小腦控制系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)的核心組件?！按竽X”負(fù)責(zé)環(huán)境感知與決策，整合來(lái)自觸覺(jué)傳感器、攝像頭、激光雷達(dá)等設(shè)備的信號(hào)；“小腦”則專注于運(yùn)動(dòng)傳感，控制動(dòng)作生成，主要依賴力傳感器與慣性傳感器的數(shù)據(jù)反饋，比如黑芝麻、地平線等公司有相關(guān)業(yè)務(wù)。與人類模糊的控制機(jī)制不同，機(jī)器人通過(guò)量化傳感數(shù)據(jù)并持續(xù)反饋，將復(fù)雜任務(wù)拆解為多個(gè)步驟，借助機(jī)器學(xué)習(xí)逐一完成。

人形機(jī)器人大腦模擬人類的思考推理、交互溝通、任務(wù)理解與編排以及記憶能力，其核心技術(shù)依托高算力、高帶寬的人工智能芯片（AI芯片）與多模態(tài)大模型。然而，研發(fā)AI芯片面臨雙重挑戰(zhàn)：一方面需追求高AI算力，另一方面要保證高內(nèi)存帶寬。先進(jìn)的芯片制程工藝雖能提升性能，但高密度設(shè)計(jì)導(dǎo)致功耗劇增；同時(shí)，多內(nèi)存控制器的布局會(huì)占用大量芯片面積，難以實(shí)現(xiàn)合理配置。

第二: 傳感的小型化、功能集成化

人形機(jī)器人的傳感器是實(shí)現(xiàn)類人感知與精準(zhǔn)交互的核心基礎(chǔ)，正朝著多模態(tài)融合、高集成化、低功耗、仿生智能的方向演進(jìn)。主要達(dá)到低功耗與高能效（如事件驅(qū)動(dòng)傳感、感算一體架構(gòu)）、仿生感知（如靈巧手）、高度集成、低成本等。

以靈巧手為例，人形機(jī)器人的靈巧手是其關(guān)鍵技術(shù)之一。業(yè)界常言“制造人形機(jī)器人，半數(shù)難度在靈巧手”。人類手掌能憑借27塊骨骼、50余塊肌肉及100多個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)同，完成從捏取繡花針到搬運(yùn)冰箱的極端操作。

另外，人形機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)類人化運(yùn)動(dòng)，不僅需要靈巧的雙手完成精細(xì)操作，更依賴“仿生腳掌”實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走。然而，平衡控制一直是全球人形機(jī)器人研發(fā)的核心難題，失衡、打滑、摔倒等狀況頻發(fā)。人類行走時(shí)，足底神經(jīng)能實(shí)時(shí)感知地面硬度、坡度及細(xì)微變化并反饋給大腦；對(duì)機(jī)器人而言，由力傳感器構(gòu)成的“腳底神經(jīng)”感知網(wǎng)絡(luò)，正是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡與環(huán)境交互的關(guān)鍵。

問(wèn)：半導(dǎo)體封裝是連接芯片與外界電路并保護(hù)芯片的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涉及多學(xué)科知識(shí)，面對(duì)下一代先進(jìn)封裝技術(shù)所需要的核心工藝和材料，微電子學(xué)院/集成電路學(xué)院該如何培育更優(yōu)質(zhì)高效的年輕工程師，來(lái)實(shí)現(xiàn)與國(guó)家需求、企業(yè)痛點(diǎn)的緊密結(jié)合？

答：半導(dǎo)體封裝是典型的交叉領(lǐng)域，在人才培養(yǎng)方面，首先是加強(qiáng)基礎(chǔ)教育。我一直提倡大一開(kāi)始上分子動(dòng)力學(xué)，大二學(xué)習(xí)量子力學(xué)，大學(xué)四年就能夠較好地掌握多場(chǎng)多物理建模理論和方法。這對(duì)后續(xù)的科研和工作都會(huì)有很大幫助。

另一方面，教育應(yīng)該與產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，這對(duì)于半導(dǎo)體及封裝領(lǐng)域是更為迫切的。所以我們提倡在人才培養(yǎng)階段與行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)密切合作，這樣培養(yǎng)的人才才能夠既有大的產(chǎn)業(yè)視野，又有深入的科學(xué)思考。

問(wèn)：您曾講科研像接力賽，自己跑好一棒，未來(lái)需更多年輕人參與，給予我們當(dāng)代年輕在職工程師和在讀工程博士、碩士一段鼓勵(lì)的話！

答：年輕人是行業(yè)的未來(lái)，但是年輕人也應(yīng)該要敢于挑重?fù)?dān)，走難走的路，攀難攀的山，經(jīng)過(guò)了狂風(fēng)暴雨的磨礪，成長(zhǎng)才會(huì)更健康、更全面也更快。

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