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TIM導熱介面材料

更新 2026-10-23

定義

TIM(Thermal Interface Material,導熱介面材料)用來填補兩個固體表面之間的微小空隙,排除空氣層並降低熱接觸阻抗。AI GPU / ASIC 功耗進入千瓦級後,TIM 不只是「導熱膏」,而是封裝、液冷、材料、表面處理與自動化貼合共同決定的熱路徑。

TIM1 vs TIM2

類型 位置 主要製程位置 典型材料 / 形態 供應鏈重點
TIM1 Die / chiplet → Lid / IHS / Heat Spreader OSAT / 封裝端 散熱膏、相變材料、銦片、石墨烯 / graphite sheet 等 精度、壓合力、厚度均勻性、翹曲控制;7751_竑騰(櫃)聚焦此段設備
TIM2 Lid / IHS / Heat Spreader → Cold Plate / Heat Sink 模組 / 系統組裝端 散熱膏、pad、PCM、液態金屬、軟金屬片 可重工性、泵出、可靠度、冷卻液 / 液態金屬腐蝕控制、表面鍍層

投資語境

市場常把「均熱片」混用於 Vapor Chamber、IHS、Lid、Heat Spreader。判讀供應鏈時需先確認位置:竑騰是 TIM1 貼合設備;健策、奇鋐、高力等多在散熱零組件 / 液冷模組;匯鑽科則較接近表面處理 / 鍍層觀察。

材料類型

材料 優點 限制 / 風險 常見位置
散熱膏 / gel 成熟、成本低、可填補粗糙表面 pump-out、老化、厚度控制影響熱阻 TIM1 / TIM2
Thermal pad / gap filler 容忍公差、組裝簡單 熱阻通常較高,薄型高導熱材料成本高 TIM2、板級散熱
PCM 相變材料 到達相變溫度後降低接觸熱阻,適合量產一致性 熱循環可靠度與滲出需驗證 TIM1 / TIM2
銦片 / 軟金屬 高導熱、可塑性佳、適合高功耗晶片 成本高,氧化與壓合條件需控制 高階 TIM1
石墨 / 石墨烯片 面內導熱佳、輕薄 垂直導熱與界面接觸需設計 TIM1 輔助散熱 / 模組端
液態金屬 導熱率高,適合高熱通量 TIM2 腐蝕、滲漏、電性風險高,需鍍層與密封設計 高階 TIM2 / 液冷

銦片兩種使用模式:焊接式 sTIM vs 壓合式(2026-07-22 查證)

銦片不是只有一種用法,焊接與壓合是兩條不同的工程路線,判讀設備 / 鍍層 / 表面處理供應鏈時需先確認是哪一種:

項目 焊接式 sTIM(solder TIM) 壓合式(compressible TIM,如 Indium Corp Heat-Spring)
接合機制 Reflow 熔融後與金屬化層潤濕,形成冶金接合 常溫靠鎖固壓力使軟銦塑性變形填縫,不熔融、不 reflow
金屬化需求 必要:die 背面 BSM(Ti/Ni/Au 類)+ Lid 內側鍍鎳金,否則熔銦不潤濕 不需金屬化;burn-in 用款(HSK)覆薄鋁阻擋層防沾黏
助焊 / 氣氛 需助焊劑或真空 reflow 控制銦氧化與 void 不需
可重工性 焊死不可重工,開蓋易傷 die 可拆可重複使用
熱阻 業界最低(廠商宣稱 lowest total thermal resistance) 低(優於膏類),受壓力影響
典型位置 高階 TIM1 / TIM1.5(Intel 高階 CPU sTIM 為經典案例) burn-in / 測試座、bare-die 壓貼冷板、浸沒式冷卻;亦有 no-reflow 當 TIM1 的產品
  • 兩種模式都可做 TIM1:Indium Corp 官網 sTIM 產品線明寫「TIM1 and TIM1.5 sTIM solutions」(reflow 路線);Heat-Spring 亦有「ultra-low thermal resistance, no-reflow as TIM1」規格書(壓合路線)。「可拆 = 一定壓合、焊接 = 只能 TIM1」的直覺不成立,TIM1.5 也有 reflow 方案。
  • 對設備判讀的含義:焊接路線 reflow 前仍需點膠(助焊劑)、銦片精準置片、Lid 置放與治具夾持加壓進爐——貼合壓合設備與 reflow 是上下游關係,不是替代關係。7751_竑騰(櫃)銦片設備強調精度 / 壓力 / 氧化管理,與銦焊接製程特徵一致;2026-08-20 第一金座談確認「銦片製程特殊才需要上助焊劑、散熱膏製程不需要」,指向其銦片設備服務的是需助焊劑潤濕的焊接(reflow)路線,先前的待確認事項至此收斂。
  • 對鍍層判讀的含義:走 sTIM 就連動 die BSM 與 Lid 鍍鎳金需求(3653_健策精工(市)鍍層邏輯);純壓合則不需金屬化,鍍層邏輯要另找依據。

Removable Lid / TIM1.5 工法對 TIM 製程的影響(2026-08-20)

NVIDIA 在 Rubin Ultra 世代評估的 Removable Lid(R-Lid,又稱 disposable lid+TIM 1.5)把永久性 Lid 與一層 TIM 拿掉,改以螺絲把 Lid 鎖在 Stiffener 上。設備端觀察(7751_竑騰(櫃),第一金法人座談 2026-08-20):

  • 客戶尚未最終定案;即使採用,Stiffener 仍要貼(Stiffener 的功能是抑制 substrate 翹曲並保護 substrate 周圍,與 Lid 是否可拆無關),貼一個可拆卸 Lid 對既有貼合設備亦非技術障礙。
  • 平面度責任轉移:傳統貼 Lid 由封裝廠以治具壓合確保平面度,過程中 TIM1 材質會被擠壓溢出;改用螺絲鎖固後,平面度與精密度變成客戶(組裝端)要克服的問題。
  • 採用範圍有限:目前僅 NVIDIA 單一顆晶片會用此工法,成本高、產出效率慢;發熱較低的 AI ASIC 不會採用,市場上仍有許多客戶使用傳統散熱膏。對 TIM1 高階材料(如銦片)的替代效果因此侷限於單一產品線。
  • 供應鏈調查更新(珩石筆記,2026-09-29,中信心):客戶已要求健策 4Q26 小量出貨數萬片 Removable Lid(供應鏈稱 TR Lid)送封裝廠做前期測試,可能提前於 Rubin 採用(上述「僅單一產品線」的範圍判斷須留意隨之放寬);ODM 打板後拆除 Lid,直接塗散熱膏、鋪石墨烯片貼緊水冷板,TIM 層數大幅減少;Ring 與 Lid 的熱加壓需兩套不同設備,封裝廠產線預計 2027 年中建置完成。詳見 技術_MCL金屬冷卻蓋、memo_健策_TRLid供應鏈調查_20260929。

Metal TIM 覆蓋率:TIM1 最關鍵的指標是覆蓋率——均熱片與晶片貼合後客戶要求 95%,竑騰 metal TIM 設備可做到 99%;金屬液化後外溢流向周邊元件造成短路的疑慮,以四周噴 UV 膠即可阻絕。其他品牌則採液態金屬路線。metal TIM 設備對台灣 OSAT 預計 2H26 開始大量出機。

散熱方案階梯與 ASP(統一投顧,2026-07)

散熱層數越多熱阻越大,設計方向是盡量減少中間層數——愈往後發展中間層愈少、冷板愈直接貼近裸 die,散熱效率愈好,ASP 也從 10 幾美元一路提升至 200 美元以上。

散熱方案 導入平台 單價(美元)
Stiffener ASIC 10-20
單片式 Lid 現行 Rubin 設計 50
兩片式 Lid 原 Rubin 設計、AMD MI4 系列 150
Removable Lid Rubin Ultra >250(健策私訪 2026-09-18;原統一投顧估 150+,健策揭露之公司側 ASP 更高更具體)
MCL(Microchannel Lid) Rubin Ultra? 200+

ASP 分層交叉核對(健策私訪,2026-09-18)

健策私訪揭露之完整分層:NB/PC ASP <US$1(毛利率 <10%)、CPU Server ASP 約 US$10、ASIC Stiffener ASP US$15–20(與上表 Stiffener 10-20 一致)、NVIDIA GPU One-piece Lid ASP 約 US$50(與上表「單片式 Lid 50」一致)、Two-piece ASP >US$150(與上表「兩片式 Lid 150」一致)、Removable ASP >US$250(高於上表原估 150+,見上表備註)。Server 類產品平均毛利率可 >50%;高階產品初期良率會影響毛利率,良率差異可能造成約 10–20ppt 毛利率變化。

報告_統一投顧_VR登場AI伺服器價值鏈_20260731_013

圖說:單片式 Lid(MCCP)堆疊剖面示意,由上而下為 Cold Plate (Fluid)/Gold 鍍金層/TIM 2 (VnGr 導熱片)/Lid 上蓋/TIM 1 導熱界面材料/SOC 晶片/Substrate 基板(統一投顧,2026-07)。

報告_中信_AI功耗與散熱架構_20260917_006

圖說:Stiffener (Ring) Type(Cold plate+TIM 1.5+兩側 Stiffener)與 2pcs Lid Type(Cold plate+TIM 2+Heat Spreader+TIM 1+Stiffener)結構對照。來源:報告_中信_AI功耗與散熱架構_20260917,中信投顧整理,2026-09-17。

台廠分層佈局(同來源):晶片端(Stiffener、Lid、VC Lid、MCL)以 3653_健策精工(市)、2486_一詮(市) 為主;模組端(Cold plate、Manifold、QD、波紋管)含 3017_奇鋐(市)、3324_雙鴻(櫃)、健策、富世達等;系統級(Fan Wall、RDHx、Sidecar L2A、CDU L2L)含 2308_台達電(市)、光寶、6125_廣運(櫃)、高力、Vertiv 等。L2A 屬過渡方案,未來將往 L2L 演進。中國積極推金剛石(鑽石)複合材料,優點是輕、導熱高,但成本高、硬度高難加工,仍在研發階段未量產,Lid 目前仍以銅為主。

材料升級:鑽石銅(中信投顧,2026-09-17)

隨 AI 晶片 TDP 持續提高、單位面積熱流密度增加,傳統銅材熱擴散能力逐漸不足,散熱廠商積極開發鑽石銅等高導熱材料,與上方「中國積極推金剛石複合材料」段落相互印證,並補上量化數據:

  • 銅:熱傳導率約 380–400 W/m·K,長期為水冷板主要材料。
  • 鑽石銅:熱傳導率可提升至約 600 W/m·K;若進一步採用高導熱鑽石材料,理論上仍有更大提升空間。主要優勢並非僅在提升材料本身導熱率,更重要的是能快速將晶片局部高熱通量向周圍擴散(Spreading),降低局部熱點造成的熱阻,適合高功耗、高熱流密度的 AI 晶片應用。
  • CTE 匹配是關鍵瓶頸:銅與鑽石熱膨脹係數(CTE)存在差異,若直接將鑽石粉與銅粉複合,晶片反覆升降溫的熱循環過程可能產生熱應力、影響材料可靠度。目前廠商發展兩種複合方式:鑽石粉與銅粉混合,以及「銅/鑽石/銅」多層結構,核心皆在兼顧高導熱能力與材料可靠度。
報告_中信_AI功耗與散熱架構_20260917_007

圖說:鑽石銅實物展品照,含標籤「銅+鑽石+銅(0.3+0.3+0.3)」與「鑽石+銅柱狀散熱」,另有鍍膜圓片與方形基板樣品。來源:惠智先進、中信投顧整理,報告_中信_AI功耗與散熱架構_20260917,2026-09-17。

銦 TIM 的失效分析:怎麼看 TIM 裂紋與分層(AMD 新加坡,2026-01)

出處:報告_ChipScaleReview_Winter2026期刊_20260122,Chip Scale Review 2026 冬季號,AMD 新加坡封裝失效分析團隊(部分內容曾發表於 EPTC 2024)。

結構背景:處理器分 lidless(筆電、嵌入式)與 lidded(桌機、伺服器,近年也用在 AI 繪圖晶片)。lidded 設計的 TIM 夾在 die 與 lid 之間,是 die 對外散熱的直接路徑。高效能產品常用軟銦(In)TIM 夾在硬矽 die 與銅 lid 之間。

報告_ChipScaleReview_Winter2026期刊_20260122_018

圖說:處理器兩型截面,a) lidless、b) lidded;標示 I lid、II TIM、III die、IV underfill 與互連、V stiffener、VI substrate、VII BGA。

非破壞檢測的極限:CSAM(超音波掃描)與 2D X-ray 能看到空洞與分層的平面位置,但無法量 BLT、做元素分析或判斷缺陷嚴重度,必須做物理截面。

截面的難點:三種材料莫氏硬度差很大(In 1.2、Cu 3.0、Si 6.5),研磨用的 SiC(9.5)與氧化鋁(9)碎屑會嵌進軟銦裡,蓋住裂紋、干擾元素分析。AMD 比較兩種解法:

方法 耗時 可暴露長度 表面品質 用途
上蠟 SiC 砂紙機械研磨(蠟硬度 <1,讓碎屑嵌在蠟裡;省略氧化鋁拋光) 約 2 天 全長,可 >50mm 仍有碎屑與銅拖曳 BLT 量測、整片 TIM 大裂紋總覽
離子研磨(Ar+,加液氮冷卻台避免銦 156.6°C 熔點附近的熱影響區) 5–7 天 僅約 2.5–4.8mm 無假影 元素分析、次微米量測、細微裂紋與分層

三個案例: - 溫度循環 TCJ 3,000 次(0–100°C):through-scan 暗區經截面確認是 TIM 裂紋,建立「CSAM 訊號對應裂紋」的關聯後,之後可只靠 CSAM 篩檢,不必每次截面驗證。 - 均溫板蓋 VCL(vapor chamber lid):以兩相蒸發冷卻取代一般金屬 lid,導熱更好。但超音波穿不過蒸氣層,CSAM 不適用,改用 X-ray laminography(偵測器斜置、樣品 360° 旋轉重建)只取 TIM 平面看空洞。 - 功率循環 4,600 次:CSAM 軟體標出 TIM 未接觸區,離子研磨截面證實 TIM-die 介面分層,並量到 die 背面 BSM(Al-Ti-NiV-Au)與 lid 的 Ni-Au 鍍層厚度。

報告_ChipScaleReview_Winter2026期刊_20260122_039

圖說:VCL 封裝示意,a) 截面含 wick、vapor space、TIM 與 chip;b) 工作原理為蒸發、蒸氣冷凝後經 wick 回流。

投資含義:AI 晶片 lid 往 VCL 與金屬 TIM 升級後,連失效分析方法都要跟著換,代表 lid 與 TIM 的結構仍在快速變動。均溫板蓋的供應鏈可對照 技術_均熱片。

光模組內的 TIM1/TIM2(東吳,2026-10-22)

光模組內部同樣用 TIM 分層,詳見 技術_光模組散熱:

  • TIM1(光晶片封裝級):填光晶片與蓋板之間的微觀空隙,需低揮發、低析油(避免污染鄰近光學器件)與長期可靠,選型與光晶片封裝設計深度綁定,認證壁壘高。
  • TIM2(模組內部):目前以可點膠導熱凝膠為主(有機矽基材加氧化鋁/氮化鋁填料)。導熱係數需求隨速率上升:400G 約 6–10 W/(m·K),800G/1.6T 高功率方案已用 12–14.5(陶氏 12、漢高 14.5);傲川科技圖示 1.6T 需求 14–20+,TIM 單價從 100G/200G 的 0.5–1 美元升至 1.6T 的 8–15 美元(單一來源)。氮化硼、液態金屬填料與石墨烯墊片為下一步。
  • 凝膠真實厚度約 0.2–0.4 mm,用於 DSP、雷射 TOSA、Driver/TIA 與矽光 PIC 到銅凸台之間。

關鍵參數

指標 意義 觀察重點
Thermal conductivity 材料本體導熱能力 高數字不等於低系統熱阻,仍要看 BLT 與接觸面
BLT(Bond Line Thickness) 介面材料厚度 越薄通常熱阻越低,但需兼顧翹曲、公差與可靠度
Contact resistance 接觸熱阻 表面粗糙度、壓力、鍍層、材料濕潤性都會影響
Pump-out / dry-out 熱循環後材料被擠出或乾化 AI 伺服器長時間高功耗下是可靠度重點
Corrosion / compatibility 與銅、鎳、金、冷卻液、液態金屬的相容性 液態金屬 TIM2 對鍍金 / 鍍鎳等表面處理需求更高
Reworkability 維修與重工難度 模組端 TIM2 通常更重視可拆修與一致性

為什麼 AI 讓 TIM 需求上升

  • 單顆功耗上升:Rubin GPU 功耗 profile 已進入 1.8kW / 2.3kW 級,封裝到冷板的熱阻預算更緊。
  • 熱點更集中:CoWoS / SoIC、chiplet 與 HBM 讓熱源分布不均,TIM 厚度與壓合一致性影響良率。
  • 液冷與液態金屬導入:100% liquid cooled compute tray 使 cold plate、micro-channel cold plate、TIM2 與表面鍍層同時升級。
  • 測試循環增加:burn-in / SLT 等高功耗測試後仍需回到 FT 驗證,封裝後散熱材料與貼合穩定性會影響測試良率與重測成本。

圖解

260521_7751竑騰_康和_005

圖說:晶片散熱架構剖面——Package Substrate 上為 Chip,Chip 與 Heat Spreader(均熱片/Lid)之間為 TIM1,Heat Spreader 與最上層 Heat Sink 之間為 TIM2,熱量由 Chip 往上傳(圖右 Heat 箭頭)。液冷機型的最上層換成 Cold Plate,兩層 TIM 的位置不變。來源:康和投顧 2026-05-21

台股供應鏈映射

環節 公司 角色
TIM1 貼合設備 7751_竑騰(櫃) Chip-TIM1-Lid 段點膠、植片、壓合與 AOI
IHS / Lid / Cold Plate 3653_健策精工(市) 散熱蓋板、水冷板、微通道蓋板與特殊電鍍
散熱模組 / 液冷 3017_奇鋐(市)、8996_高力(市) 冷板、manifold、CDU / 熱交換等系統端整合
表面處理 / 鍍層 8431_匯鑽科(櫃) 散熱件表面處理觀察股,需追蹤實際 AI 訂單與認證
焊接 / 接合材料 3305_昇貿(市) 錫膏、BGA 錫球、Bumping 錫膏、預型錫片等;屬焊接 / 封裝材料,與 TIM 材料需分開判讀

ECTC 2026 新材料進展(SemiAnalysis 2026-07-02)

台積電的直達矽冷卻可完全移除 TIM1,但 SemiAnalysis 判斷近期多數系統仍需更好的矽-均熱片介面材料:

  • SPIL(日月光旗下)液態金屬複合 TIM 實測(55mm×55mm FO-EB 封裝):
  • 鎵基液態金屬 + 矽膠基 HS-TIM:5.7 W/m·K;+ 碳纖維 HCF-TIM:10 W/m·K(商用矽膠 TIM 為 4 W/m·K)
  • 可靠度分化明顯:HCF-TIM 在 150°C 1,000 小時後維持 95% 覆蓋率;HS-TIM 掉到 75%(矽膠基質硬化局部剝離)→ HCF-TIM 性能與可靠度雙優
  • Purdue / Aveiro / UCLA:Cu/Sn microbump 嵌入奈米晶鑽石,互連層面內導熱 500–600 W/m·K(約為傳統 microbump+underfill 的 20 倍);非 TIM1 替代,而是讓熱在 3D 堆疊互連層橫向擴散;仍屬早期(單面測試結構)
  • SiC 作為 TIM1/散熱方案在本屆討論少,SemiAnalysis 判斷距成熟仍遠
EMIB-T HBM4 Challenges Microfluidic Cooling Photonic Interconnects_045

圖說:三種 TIM 30 天後熱阻柱狀圖——S-TIM 0.61、HS-TIM 0.34、HCF-TIM 0.19 °C·cm²/W。來源:SPIL, ECTC 2026 © SemiAnalysis

熱阻佔比與可插拔介面 TIM(OCP 2026)

  • TIM 在接面到冷卻液熱阻中的占比:Meta 實測基準為冷板 45%/TIM 20%/矽 35%;晶片翹曲增加時 41/27/32(TIM 升至 27%);功率密度增加時 38/17/45(TIM 降至 17%)。緯穎拆解為冷板 40–45%、TIM 25–40%、晶片 15–25%(冷板加 TIM 合計 65–85%)。兩家口徑與條件不同,合併來看 TIM 約占 17–40%,量級一致:TIM、材料、微結構與冷板同等重要,單看冷板單價不是唯一槓桿。(報告_OCP2026_Google_Microsoft_Meta_單相冷板極限_20261015、報告_OCP2026_緯穎_鑽石材料直液冷_20261015,2026-10)Google 亦指出只縮微鰭、不降 TIM 阻抗,效益有限。
報告_OCP2026_Google_Microsoft_Meta_單相冷板極限_20261015_p27

圖說:Meta 晶片接面到冷卻液的熱阻分配——基準冷板 45%/TIM 20%/矽 35%;翹曲增加時 41%/27%/32%;功率密度增加時 38%/17%/45%。

  • 緯穎免 TIM 路線:單晶鑽石微通道以銦直接接合矽,省去 TIM,360 W/cm² 下熱阻比銅冷板加 PCM TIM 低 38.2%(模擬 59.5%);單一測試載具實驗,接合品質尚未量產等級,見 技術_水冷板ColdPlate。
  • 可插拔光模組介面的三種 TIM(鴻富瀚,規格+模擬):Thermal Tape(0.1–1.6 mm、PCM+PI、30 W 下界面 ΔT 3–4°C、插拔 ≤200 次、成本低);Thermal Skateboard(0.26 mm、SUS301+PCM、ΔT 4–6°C、>500 次、成本高);Thermal Coating(0.03 mm、矽膠複合、ΔT 4–6°C、≥200 次、成本中)。(報告_OCP2026_鴻富瀚_散熱系統_20261015,2026-10,HFH Thermal,與鴻海關係待查證)

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來源

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