2024年半导体材料行业专题报告：芯片功耗提升，散热重要性凸显

1 芯片性能提升催生散热需求，封装材料市场稳健增长

AI 需求驱动硬件高散热需求。根据 Canalys 预测，兼容 AI 的个人电脑将从 2025 年开始快速普及，预计至 2027 年约占所有个人电脑出货量的 60%,AI 有望 提振消费者需求。2023 年 10 月，高通正式发布骁龙 8 Gen 3 处理器，该处理器 将会成为 2024 年安卓旗舰的标配处理器，包含一个基于 Arm Cortex-X4 技术的 主处理器核心，Cortex-X4 超大核是 Arm 迄今最强悍的 CPU 核心，同 X3 相比， X4 的整数功率从 4.1W 暴涨至 5.7W。在高性能 AI 处理器的加持以及消费者需求 下，消费电子终端产品持续向高集成、轻薄化方向发展的大趋势下，芯片和元 器件体积不断缩小，功率密度却在快速增加，消费电子产品的散热方案需要不 断升级。

多个环节决定了芯片的散热性能。其中，固晶胶/膜等封装黏接材料的主要职责 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接近芯片和 芯片载体，以减小芯片黏接导致的热应力，而且具有优良的导热系数，可以有 效地将芯片所产生的热传递到组装材料以利于散热；底部填充料（Underfill） 在先进封装中用于缓解芯片结构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）可以直接改善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，预计 2027 年达 298 亿元。集成电路封装产品中所 使用具体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， 但封装材料成本通常会占到整体封装成本的 40%～60%。根据 SEMI，2022 年全球 半导体封装材料销售额为 261 亿美元，预计到 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。因为环氧树脂 属于稳定的高分子聚合物，所以大多数的树脂黏接剂采用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。导电填料主要提供电学及 热学特性，树脂基体则提供机械特性和密封性。通过调整金属导电填料和树脂 的配比，导电胶可体现出截然不同的电学和机械性能，因此导电胶与金属焊料 有明显的区别。

绝缘胶具有优益的电气绝缘性、黏接性能和成型特性，其广泛应用于集成电路 封装中需要绝缘黏接、灌封的地方，主要应用于芯片背面不需要导电的芯片黏 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 可起到导电互联的作用。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，其被广泛应用于电子器件 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复杂， 对生产设备和工艺条件的要求较高，主要 应用于如 LED 或 OLED 显示器用 PCB 等特殊 PCB 的生产。

固晶胶存在树脂泄漏、芯片集成度低以及固晶胶的均匀性差等缺点。虽然固晶 胶具有工艺温度低、成本低、热应力低、易返修等优点，但同时也存在材料的 热稳定性差，需要高温固化且工艺时间长，同时在工艺流程中可能会发生树脂 泄漏等问题。树脂泄漏是一种表面现象，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占，会对后续的封装过程受到影响。除了树脂泄漏以外，DAP 会使芯片与 基板之间的外沿形成斜坡，导致芯片周围需要额外的距离，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最终导致其性能产生缺陷。 随着下游客户对芯片封装的要求更加严苛，固晶胶已无法满足现今大部分的使 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， 其主要成分也是树脂，但与导电胶不同，其以胶膜的形式应用于芯片粘贴。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 相比 DAP 拥有时间、成本以及性能上的全面优势。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、更薄和低成本封装的要求，厂 商逐渐转而采用封装密度更高的表面布置有电路的聚合物基板来逐步替代金属 型的芯片载体。这类聚合物基板需要降低黏接温度，降低应力并需要避免对表面电路的污染。DAF 的优点便随之凸显，其消除了 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，降低了生产成本；应力小，具有较高的柔性和抗疲劳性，可与多种基板 连接；工艺简单，生产效率高；不含铅等有毒金属成分，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要求，尤其是需要将多个 芯片进行堆叠的封装形式，因此需要将晶圆进一步减薄。而晶圆的厚度下降， 会导致研磨晶圆背面所产生的残余应力使晶圆出现正面收缩，这样可能会引发 晶圆弯曲成弧形；此外随着晶圆变薄，其弯曲度也会增加。因此为了保持晶圆 平整，首先需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时间大大增加，在这样 的情况下，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 的均匀性以降低缺陷率、省去了 切割后的涂胶环节，同时也可为晶圆提供一定的保护。目前 DAF 是 NAND 的 3D 芯片堆叠以及面板显示屏键合中的主要材料之一。

ACF 是绝大部分柔性电子元件中的关键黏接材料。上述主要描述的是绝缘胶膜 的运用，而导电胶膜（Conductive Die Attach Film,CDAF）也同样在封装中起 到了关键作用。CDAF 中的 ACF 应用于几乎所有的柔性电子元件，如可弯曲显示 器和可穿戴设备中的面板与芯片的组装和键合中，主要被应用于 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 拥有传统焊接技术无法实现的精密组件方面的应用。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，因此不能使用焊接进行连接， 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 题是限制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 使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，可应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 年全球黏接材料 市场规模大约为 8.7 亿美元，主要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 年根据全球出货量，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，三者拥有全球 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。

打破海外垄断格局，踏出国产替代第一步。德邦科技现已成功研发出应用于存 储芯片堆叠封装固晶的 DAP 及 DAF，其中 DAF 已有十几个客户通过验证，获得了 四个客户的小批量订单，DAP 已获得客户订单。公司研发出的固晶胶膜产品成功 打破了中国在封装黏接材料方面的产品空白，实现了 0 到 1 的突破。根据投资 者调研，公司预计国内 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：芯片功率提升的重要防线

AI 产业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，散热解决方案从 2019 年左右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 冷却技术，以支持密度在 30-60kW/R 左右的机房。此外，随着散热需求提 升，预计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) 可改善两个表面之间的传 热。电子设备的性能不断提高，但它们消耗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 材料通常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，与两者接触以实现更直接的散热。TIM2 材料作为 第二道防线，通常放置在半导体封装的外部和散热器之间。从技术角度来看， TIM1 的可靠性和性能要求比 TIM2 高得多，需要更高性能的填料和配方。

目前导热界面材料主要有四类： (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，用于填充微小间 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况下，能很 好地顺应接触不规则的表面，填补固体间的空隙，而又不会对元器件造成污 染，用于电子电器产品的控制主板、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，在吸收功率器件热量后，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，它既能吸收热 量，又有良好的传热性，综合了导热硅脂和导热胶垫的优势，既解决了硅脂涂 抹操作难的问题，也解决了导热胶垫因为厚度和界面热阻带来的导热效果的问 题。

流动态导热油脂占据最大市场份额。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，有利于使用过程中的自动化，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，其余热化合物、金属基等材料运用相对较 小。

TIM1 材料必须能够承受从-40°C 到 150°C 的极端温度循环，而温度循环 TIM2 材料的功能上限通常更接近 120°C。虽然这 30°C 的温度上限差异可能看起来 并不多，但它显著降低了配方要求，允许在基础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 应用的竞争 者，不能承受 150°C 的温度而不硬化和分层，导致热故障。出于这个原因，大 多数 TIM1 材料是基于有机硅的化学物质，以满足 150°C 的上限，还必须利用 表面处理功能化的导热填料颗粒，以忍受极端温度随着时间的推移，而不会变 脆，改变其凝胶状的特性，并诱导由于高热膨胀系数不匹配的机械应力。

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，均热片需要以下几点特性: (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。 均热片应用广泛，涵盖多个终端应用领域。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整，均热片的应用领域涵盖 了消费电子、服务器、汽车电子及通讯等多个应用领域。

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，以复合的热交换模式来散热。均热片 主要与在其与已封装的芯片之间的 TIM II 配合进行散热，其本身并不能为器件 降温，只是将热量传递到另一个物体上，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 钻石等不同 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 同的应用领域。

均热片性能的重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微小化，晶体管的数量在相对面积中更加集中，使电路 的设计更加复杂化。然而并不是所有的效能可以百分之百的提升，因此大部分 电能的消耗，其能量会转变成热量的形式散发。而制程的微小化也导致其在相 同的单位面积内，所需要的用电量与相应废热产生也愈来愈大。因此，尤其是 在服务器以及 AI 需求井喷的当下，芯片的散热解决方案需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解决方案最核心的组成 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全球均热片的主要提供商之一，为了更好地响应客户 对均热片的需求，公司在 2023 年新研发出了 5g 芯片均热片的开发及量产，以 及超薄型均热片的开发及量产，进一步提升了公司均热片在市场的竞争力以及 产品矩阵在应用领域的拓宽。公司持续看好均热片业务，公司 2023Q3 均热片营 收同比增长 21%，预计 2024 年均热片收入将进一步提升。

3.3 散热器

散热器（Heat Sink）与均热片的作用基本相同。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（通常为空气或液体冷却剂）中，然后将热量从 设备中散发出去，从而将设备的温度控制在最佳水平。 散热器与均热片不同，通常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，往往散热器会与风扇或 泵结合，以提供强制循环以及主动散热的作用，以提高冷却效率。

4 Underfill：倒装芯片封装的关键材料

底部填充料是集成电路倒装芯片封装的关键材料之一，在先进封装中用于包括 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传递芯片间的热量。从使用场景来看，底部填充胶分 为三种，一是倒装芯片底部填充胶，用于芯片与封装基板互连凸点之间间隙的 填充，精度一般为微米级。二是（焊）球栅阵列底部填充胶，用于封装基板与PCB 印制电路板之间互连焊球间的填充，间隙精度为毫米级，对底部填充胶要求 相对较低。三则是用于晶圆级封装。其中，倒装芯片用市场占比最大。

倒装芯片底部填充料通过填充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作用。底部填充料是影响倒装芯片组装质量的关键 因素之一。芯片、有机基板、焊料连接和填充材料都是不同材质的，这几种材 料的热膨胀系数有所区别。在没有进行底部填充的前提下，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化时，整个封装体容易 发生形变，并且在芯片与有机基板之间的互连点上出现剪应力。底部填充料扮 演调节上述现象的关键角色，使整个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，降低连接点的疲劳应力，从而增加产 品寿命。

Underfill 材料主要由有机粘合剂、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。

按填充阶段划分，底部填充技术可分为后填充和预填充。传统的底部填充技术 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，传统的组装后底部填充技术常常出现 凸点间填充不完全到位、产生孔洞等缺陷，封装互连的可靠性降低。为适应倒 装芯片窄节距互连的填充需求，预成型底部填充技术产生，该技术能简化工 艺，又能对窄节距互连（小于 100um）进行良好的底部填充。预成型底部填充技 术指底部填充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填充固化的工艺同时完成。 依据填充工艺划分，后填充可分为毛细管底部填充(CUF)和塑封底部填充 (MUF)，预填充主要包括非流动底部填充料（NUF）、晶片级底部填充料 （WLUF）、非导电浆料（NCP）和非导电膜（NCF）：

1） 毛细管底部填充(CUF)：依赖毛细作用将材料填充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，使上下凸点互连，接着通过溶剂喷雾等方式进行助焊剂 清洗，沿芯片边缘注入底部填充料，底部填充料借助毛细作用会被吸入芯片 和基板的空隙内，最后加热固化。目前市场上大多数的底部填充料都是毛细 管底部填充料，广泛应用于包括手机在内的许多电子器件小尺寸芯片封装中。

2） 塑封底部填充(MUF)：将底部填充料的填充和器件塑封两个步骤统一，在进行 塑封的同时，底部填充料进入芯片和基板间的空隙中，随后一起固化、密封。 塑封底部填充工艺（MUF）比毛细管底部填充工艺更简单、更快速。

3） 非流动底部填充料(NUF)：该工艺不需要液体的毛细作用。在芯片和基板互连 之前，首先在基板表面涂覆非流动底部填充料，然后在焊料回流过程中同时 完成焊球互连和底部填充料加热固化两个过程。工艺比毛细管底部填充工艺 省去了助焊剂的涂覆和清除步骤，提高了生产效率。

4） 晶片级底部填充料（WLUF）：该填充方式对应晶片级封装。在晶圆上通过合适 的涂层工艺（层压或涂覆等）添加一层底部填充料，并对底部填充料加热除去溶剂进行预固化，然后通过平整化露出互连凸点，接着将晶圆进行切割以 获得带凸点的单个组件，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方式，让凸点和焊盘直接接触实现 电互连，省去了助焊剂相关的工序。材料在固化后仅仅起着形成机械连接并 保持凸点和焊盘的接触压力的作用。

6） 非导电膜（NCF）：NCF 材质柔软，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使用，且作为薄膜材料可应用在圆片级封装中。 NUF 与 NCP/NCF 有所区别，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 合的热压方式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 市场的普及率不断上涨促 使相关封装工艺要求不断提升，同时 AI 应用蓬勃发展，促进先进封装需求高速 提升，底部填充胶作为一类重要的封装电子胶黏剂，市场需求得以持续增长， 在 CoWoS 等 2.5D 先进封装中，需要至少两次 Underfill 点胶工艺。据 GII 数据，2022 年全球底部填充材料市场为 9.4 亿美元，预计 2023 年为 9.8 亿美元， 往后看 2030 年有望增长至 15.8 亿美元，CARG 达 6.77%。 美日垄断市场，国内厂商加速量产。目前全球底部填充胶生产企业主要有德国 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 市场份额主要由国际企业占据。近年国内厂商不断加速，德邦科技等中国企 业，不断突破海外垄断，实现国产替代。

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