A industria global de semiconductores entrou nunha nova era impulsada pola intelixencia artificial (AI) e a informática de alto rendemento (HPC), coa xestión térmica converténdose gradualmente no pescozo de botella que afecta se o deseño e os procesos de chip poden romper.Como arquitecturas avanzadas de envases como o apilado 3D e a integración de 2.5D seguen a impulsar a densidade de chip e o consumo de enerxía, os substratos cerámicos tradicionais xa non poden cumprir os requisitos de fluxo térmico.TSMC, o líder en Wafer Foundry, está a responder a este reto cun cambio de material audaz, que supón substratos de un só cristal de silicio de 12 polgadas (SIC) mentres sae gradualmente do negocio de nitruro de galio (GAN).Este movemento non só significa a recalibración da súa estratexia material de TSMC, senón que tamén destaca que a xestión térmica pasou dunha "tecnoloxía auxiliar" a unha "vantaxe competitiva" clave.
O carburo de silicio é coñecido polos seus amplos semiconductores de banda de banda, usados tradicionalmente en dispositivos electrónicos de potencia de alta eficiencia como inversores de vehículos eléctricos, controis de motores industriais e novas infraestruturas enerxéticas.Non obstante, o potencial de SIC supera estas aplicacións, xa que a súa excelente condutividade térmica de aproximadamente 500W/mk é moi superior a substratos cerámicos comúns como o óxido de aluminio (AL2O3) ou o zafiro.
Con aceleradores de AI, procesadores de centros de datos e lentes intelixentes AR cada vez máis despregados, o problema do espazo térmico limitado é cada vez máis grave.Isto é especialmente problemático nos dispositivos que se poden levar onde os compoñentes de microchip se colocan preto dos ollos, e o control térmico inadecuado pode afectar a seguridade e a estabilidade.O TSMC, aproveitando a súa longa experiencia en procesos de oblea de 12 polgadas, está a presionar para substituír os substratos tradicionais de cerámica por SIC de gran cristal de tamaño, permitindo introducir novos materiais nas liñas de produción existentes sen reconstruír o sistema de fabricación, mantendo o rendemento e as vantaxes de custos.
Aínda que os substratos SIC empregados para a xestión térmica non precisan cumprir os estritos estándares de defectos eléctricos necesarios para os compoñentes de enerxía, a integridade do cristal segue sendo crucial.Moitos factores externos poden interferir na condución de fonóns, reducindo a condutividade térmica e provocando un sobrecalentamento localizado, o que afecta a resistencia mecánica e a platitude superficial.Para as obleas de gran tamaño de 12 polgadas, a deformación e a deformación son problemas críticos, xa que afectan directamente a unión de chip e o rendemento avanzado de envases.Polo tanto, o foco da industria pasou de "eliminar defectos eléctricos" a "garantir a densidade a granel uniforme, a baixa porosidade e a alta platitude superficial", as condicións vistas como requisitos previos para a produción en masa de alto rendemento de substratos de xestión térmica SIC.
Os informes indican que SIC, coa súa alta condutividade térmica, resistencia mecánica e resistencia aos choques térmicos, mostra vantaxes únicas en arquitecturas de envases 2.5D e 3D.Na integración de 2.5D, os chips están dispostos cóbado con cóbado en capas intermedias de silicio ou orgánico, con conexións de sinal curtas e eficientes.O desafío de xestión térmica está principalmente na dirección horizontal.Na integración 3D, os chips son amoreados verticalmente a través de vías de silicio (TSV) ou unión híbrida, cunha densidade de conexión extremadamente alta, pero a presión térmica aumenta de xeito correspondente.Polo tanto, SIC non só serve como material térmico pasivo, senón que tamén se pode combinar con solucións de refrixeración avanzadas como metais de diamantes ou líquidos para formar unha solución de "refrixeración híbrido".
Anteriormente, TSMC anunciou que sairía gradualmente do negocio GAN para o 2027 e redireccionaba os recursos ao campo SIC.Este movemento reflicte a reevaluación da compañía do seu mercado e estratexias materiais.En comparación coas vantaxes de GAN en aplicacións de alta frecuencia, a xestión térmica e a escalabilidade de SIC aliñan mellor cos plans a longo prazo de TSMC.O cambio cara ás obleas de gran tamaño de 12 polgadas non só pode reducir os custos unitarios, senón que tamén mellorar a uniformidade do proceso.Aínda que o SIC segue afrontando retos en cortar, pulir e aplanar, o equipo existente de TSMC e as capacidades do proceso de envasado danlle o potencial de superar estes obstáculos e acelerar a produción en masa.
No pasado, SIC era case sinónimo de compoñentes de enerxía para vehículos eléctricos.Non obstante, o TSMC está a empurrar a SIC a novas aplicacións, como o uso de SIC de tipo N condutivo como substratos de xestión térmica en procesadores de alto rendemento e aceleradores de AI ou SIC semi-illante como interposador para proporcionar solucións de illamento eléctrico e condución térmica en deseños de división de chip e chipiplete.Estas novas vías significan que SIC xa non é só "sinónimo de electrónica de potencia", senón que se está convertendo no material fundamental para a xestión térmica en IA e chips do centro de datos.
No campo de materiais de alta gama, o diamante e o grafeno teñen unha condutividade térmica extremadamente alta (o diamante pode alcanzar os 1.000-2.200W/mk, e o grafeno monocapa pode superar os 3.000-5.000W/mk).Non obstante, as súas dificultades de alto custo e escala de fabricación impiden que se convertan en correntes.Alternativas como metais líquidos, xeles condutores e refrixeración microfluídica teñen potencial, pero tamén afrontan retos nos custos de integración e produción en masa.En comparación, SIC ofrece o compromiso máis práctico, combinando o rendemento, a resistencia mecánica e a fabricación.
Polo tanto, a profunda experiencia de TSMC na fabricación de obleas de 12 polgadas distingue a outros competidores.Non só acelera a construción da plataforma SIC coa súa base existente, senón que tamén aproveita os seus procesos altamente controlados para traducir rapidamente vantaxes materiais en solucións térmicas a nivel do sistema.Mentres tanto, o impulso de Intel para a entrega de enerxía posterior (entrega de enerxía posterior) e o co-deseño de enerxía térmica demostra que as empresas líderes mundiais xa fixeron que a xestión térmica fose unha forza competitiva fundamental.