L'industria globale dei semiconduttori è entrata in una nuova era guidata dall'intelligenza artificiale (AI) e dal calcolo ad alte prestazioni (HPC), con la gestione termica che diventa gradualmente il collo di bottiglia di base che colpisce se la progettazione e i processi del chip possono sfondare.Poiché le architetture di imballaggio avanzate come lo stacking 3D e l'integrazione 2.5D continuano a spingere la densità del chip e il consumo di energia, i substrati ceramici tradizionali non possono più soddisfare i requisiti di flusso termico.TSMC, il leader nella fonderia di wafer, sta rispondendo a questa sfida con un audace turno di materiale: branco di substrati a cristallo singolo da 12 pollici in carburo da 12 pollici (GAN) gradualmente uscendo dal business del nitruro di gallio (GAN).Questa mossa non solo indica la ricalibrazione di TSMC della sua strategia materiale, ma evidenzia anche che la gestione termica è passata da una "tecnologia ausiliaria" a un "vantaggio competitivo" chiave.
Il carburo di silicio è noto per i suoi ampi semiconduttori di gap di banda, tradizionalmente utilizzati in dispositivi elettronici ad alta efficienza come inverter per veicoli elettrici, controlli del motore industriale e nuove infrastrutture energetiche.Tuttavia, il potenziale di SIC va oltre queste applicazioni, poiché la sua eccellente conducibilità termica di circa 500 W/MK è di gran lunga superiore ai comuni substrati ceramici come l'ossido di alluminio (AL2O3) o lo zaffiro.
Con acceleratori di intelligenza artificiale, processori di data center e occhiali intelligenti AR sempre più distribuiti, il problema di uno spazio termico limitato sta diventando più grave.Ciò è particolarmente problematico nei dispositivi indossabili in cui i componenti di microchip sono posizionati vicino agli occhi e un controllo termico improprio potrebbe influire sulla sicurezza e la stabilità.TSMC, sfruttando la sua lunga esperienza nei processi di wafer da 12 pollici, sta spingendo a sostituire i tradizionali substrati di ceramica con SIC a cristallo singolo di grandi dimensioni, consentendo di introdurre nuovi materiali nelle linee di produzione esistenti senza ricostruire il sistema di produzione, mantenendo i vantaggi di resa e costi.
Sebbene i substrati SIC utilizzati per la gestione termica non debbano soddisfare i rigorosi standard di difetti elettrici richiesti per i componenti di potenza, l'integrità del cristallo rimane cruciale.Molti fattori esterni possono interferire con la conduzione di fononi, riducendo la conduttività termica e potenzialmente causando il surriscaldamento localizzato, che colpisce la resistenza meccanica e la planarità superficiale.Per i wafer di grandi dimensioni da 12 pollici, la deformazione e la deformazione sono questioni critiche, in quanto influenzano direttamente il legame CHIP e la resa avanzata di imballaggio.Pertanto, l'attenzione del settore si è spostata da "eliminare i difetti elettrici" a "garantire una densità di massa uniforme, bassa porosità e alta piattalità superficiale", le condizioni viste come prerequisiti per la produzione di massa ad alto rendimento di substrati di gestione termica SiC.
I rapporti indicano che SIC, con la sua elevata conduttività termica, resistenza meccanica e resistenza agli shock termici, mostra vantaggi unici nelle architetture di imballaggio 2.5D e 3D.Nell'integrazione 2.5D, i chip sono disposti fianco a fianco su strati intermedi di silicio o organici, con connessioni di segnale brevi ed efficienti.La sfida di gestione termica si trova principalmente nella direzione orizzontale.Nell'integrazione 3D, i chip sono impilati verticalmente attraverso il silicio VIA (TSV) o il legame ibrido, con densità di connessione estremamente elevata, ma la pressione termica aumenta di conseguenza.Pertanto, SIC non solo funge da materiale termico passivo, ma può anche essere combinato con soluzioni di raffreddamento avanzate come diamanti o metalli liquidi per formare una soluzione di "raffreddamento ibrido".
In precedenza, TSMC aveva annunciato che sarebbe uscito gradualmente nel settore GAN entro il 2027 e reindirizzerebbe le risorse al campo SIC.Questa mossa riflette la rivalutazione dell'azienda del suo mercato e delle strategie materiali.Rispetto ai vantaggi di GAN nelle applicazioni ad alta frequenza, la gestione termica completa di SIC e la scalabilità si allineano meglio con i piani a lungo termine di TSMC.Il passaggio a wafer di grandi dimensioni da 12 pollici può non solo ridurre i costi unitari, ma anche migliorare l'uniformità del processo.Sebbene SIC affronti ancora sfide nel taglio, nella lucidatura e nell'appiattimento, le capacità esistenti delle attrezzature e del processo di imballaggio di TSMC danno il potenziale per superare questi ostacoli e accelerare la produzione di massa.
In passato, SIC era quasi sinonimo di componenti di potenza per veicoli elettrici.Tuttavia, TSMC sta spingendo SIC in nuove applicazioni, come l'uso di SIC di tipo N conduttivo come substrati di gestione termica in processori ad alte prestazioni e acceleratori di intelligenza artificiale, o SIC semi-insulante come interposer per fornire isolamento elettrico e soluzioni di conduzione termica nella divisione dei chip e nella progettazione di chiplet.Questi nuovi percorsi significano che SIC non è più solo "sinonimo di elettronica di potenza", ma sta diventando il materiale di pietra angolare per la gestione termica nell'intelligenza artificiale e nei chip del data center.
Nel campo dei materiali di fascia alta, il diamante e il grafene hanno una conducibilità termica estremamente elevata (il diamante può raggiungere 1.000-2.200 W/MK e il grafene monostrato può superare i 3.000-5.000 W/MK).Tuttavia, le loro difficoltà di scala e scala di produzione hanno impedito loro di diventare mainstream.Le alternative come metalli liquidi, gel conduttivi e raffreddamento microfluidico hanno potenziali ma affrontano anche sfide nell'integrazione e nei costi di produzione di massa.In confronto, SIC offre il compromesso più pratico, combinando prestazioni, resistenza meccanica e produzione.
Pertanto, la profonda esperienza di TSMC nella produzione di wafer da 12 pollici la distingue dagli altri concorrenti.Non solo accelera la costruzione della piattaforma SIC con le sue fondamenta esistenti, ma sfrutta anche i suoi processi altamente controllati per tradurre rapidamente i vantaggi del materiale in soluzioni termiche a livello di sistema.Nel frattempo, la spinta di Intel per l'erogazione dell'energia sul retro (consegna di energia sul retro) e la co-progettazione termica mostra che le principali aziende globali hanno già reso la gestione termica una forza competitiva principale.