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AI数据中心芯片翘曲对热界面材料(TIM)热性能测试结果的影响

发布时间：2026-09-26 18:20:05 最近访问：2026-09-26 18:19:30

芯片翘曲对热界面材料（TIM）热性能测试结果的影响

—— 铜制TTV与真实GPU平台上的TIM评估对比

一、引言

主题预告：今天将探讨芯片翘曲如何影响热界面材料（TIM）的热性能测试结果。（keynot+视频见文末）

二、研究背景

核心问题：在裸芯片封装中，随着封装尺寸增大，超过30%的总热阻来自热界面材料（TIM）。

热阻构成：总热阻可分解为四个部分：冷板、热界面材料、热串扰、封装内部及硅片内部。

关键结论：图表展示了两个不同功率密度的例子，TIM相关的热阻均超过30%，因此TIM是散热堆栈中的关键贡献者。

研究动机：随着AI加速器功率密度的提升，改善TIM层的热阻至关重要。

图1 不同功率密度下散热堆栈各层热阻占比，TIM占比均超过30%

三、研究概述

研究目标：调查多种热界面材料（TIM），并以相变材料（PCM）为基准，评估它们的性能。

测试单元：

铜TTV（700W）：用于TIM的初步筛选和性能调查。
真实GPU（700W）：用于量化TIM在真实芯片环境中的表现。

测试条件：使用PG25冷却液，流量1~1.6 LPM/GPU，冷却液入口温度30°C。

材料对比：表格汇总了正在评估的TIM及其数据手册中的导热系数（K值）。

材料排名（按K值）：石墨（42 W/m-K）＞纯LMT-1（28 W/m-K）＞纯LMT-2（26 W/m-K）＞PC-Metal Foil（18 W/m-K）＞PCM-1（8.5 W/m-K）＞PCM-2（7.5 W/m-K）。

图2 参与评估的TIM材料及其数据手册导热系数（K值）汇总表

四、测试设置

两种测试装置：

TTV装置：使用一个铜质均匀发热的假芯片，提供参数受控的测试环境。
GPU装置：使用真实GPU，提供TIM在真实应用环境中的表现。

共同参数：两个装置均能提供约700W的功率，流量范围1~1.6 LPM，冷却液入口温度30°C，使用PG25冷却液。

温度测量：在两个装置的冷板底部和TTV顶部都放置了热电偶，用于精确捕捉TIM层的热阻。

图3 TTV测试装置与真实GPU测试装置的结构对比

1. GPU装置

目的：了解TIM在真实应用环境中的表现。

测量对象：测量的是“TIM + GPU”的总热阻。

五、TIM性能偏差

核心问题：某些TIM在真实芯片上的性能表现，与TTV（热测试载具）测试结果存在显著差异。

·相变金属箔（PC-Metal Foil）：在TTV测试中表现优异，但在真实GPU测试中性能大幅下降。

·石墨TIM（Graphite TIM）：在数据表中导热系数（K值）最高，但实际测试性能与相变材料（PCM）相近。

1. PC-金属箔的测试结果

TTV测试结果：PC-金属箔的热阻抗比PCM-1低17%（性能更好）。

真实GPU测试结果：PC-金属箔的热阻抗比PCM-1高28%（性能更差）。

关键发现：同一款TIM在两种测试平台上的表现完全相反，性能偏差巨大。

图4 PC-金属箔在TTV与真实GPU平台上的热阻抗对比结果

2. 翘曲变化的示例

根本原因：真实芯片（裸片）存在翘曲（Warpage）现象。

TTV由铜制成，在温度变化时能保持平整。
真实芯片因材料复杂、封装结构多样，在温度变化时会发生弯曲或翘曲。
翘曲直接影响TIM与芯片、冷板之间的接触质量，并改变TIM层的厚度。

（1）预热阶段

状态：TTV和GPU测试单元均预热至70°C。

结果：两者都保持平整，TIM处于最佳工作状态。

（2）测试阶段

状态：实际测试时，温度降至约50°C。

结果：TTV保持平整，但GPU开始出现翘曲（表面呈凸起形状）。

·翘曲导致冷板与芯片之间的间隙增大，尤其在HBM（高带宽内存）侧，间隙比GPU中心更大。

（3）TIM性能

PCM和导热膏：能够适应翘曲引起的间隙变化，因为它们可以流动或在压力下变形，从而保持接触。

PC-金属箔：在工作温度不够高时会变得刚硬，无法适应芯片的形变。

后果：一旦芯片翘曲，空气间隙就会出现，有效热传递面积损失，导致性能急剧下降。

3. 使用实验数据评估翘曲影响

实验方法：比较三个不同GPU单元在低温与高温下的温度差变化。

GPU结温到入口：温度差变化小于1°C，表明GPU中心区域的接触稳定。

HBM结温到入口：温度差变化约4°C，表明翘曲主要影响远离中心的区域（如HBM位置），该处间隙更大。

结论：PC-金属箔的性能下降并非其固有属性问题，而是由温度依赖的芯片翘曲导致物理接触不良所致。

图5 三个GPU单元在低温与高温下的结温至入口温度差变化

六、石墨TIM的性能偏差

1. 性能表现与预期不符

核心发现：石墨TIM的导热系数（K值）是PCM-1的约4倍，但在实际测试中性能并未显著领先。

在TTV测试中，其性能仅略优于PCM-1。
在真实GPU测试中，其性能与PCM-1几乎相同。

原因分析：性能受限并非材料本身问题，而是由接触电阻和芯片翘曲共同导致，这证实了导热系数并非选择TIM的唯一参数。

图6 石墨TIM在TTV与真实GPU平台上与PCM-1的性能对比

2. 接触失效的机理

导热膏类TIM（如Thermal Grease）：能够有效填充冷板与芯片之间的表面粗糙度和装配错位，形成连续的导热路径。

固体类TIM（如石墨）：无法实现与导热膏相同的润湿效果。

表面粗糙度和平面度差异会导致空隙，空隙中充满空气，成为接触热阻的主要来源。
问题加剧条件：当冷板或芯片表面不够平整（存在翘曲）时，空隙问题会更加严重。

图7 导热膏与固体类TIM在界面填充与接触热阻上的差异示意

3. 结论与启示

关键结论：石墨TIM的高导热系数优势，被接触热阻和芯片翘曲带来的负面影响所抵消。这再次强调：导热系数不是评估TIM性能的唯一参数，实际应用中的接触状况和机械变形同样至关重要。

七、TIM热导率测试标准（ASTM D5470）

标准依据：大多数TIM（导热界面材料）制造商采用ASTM D5470标准来测量热导率。

测试条件极其理想化：该标准要求测试表面粗糙度低于0.4微米，平行度公差在5微米以内。这种表面条件极为理想，远优于实际冷板和GPU的表面状况。

实际性能的关键差异：即使材料本身具有优异的热导率，在实际系统中的表现往往由接触质量主导。真实系统中的接触面粗糙度和平行度远高于测试标准，导致实际热阻增大，这一差异对于膏状TIM（导热硅脂）尤为明显。

图8 ASTM D5470标准测试条件与真实系统表面条件对比

八、TIM性能排名总结

PCM（相变材料）：在所有TIM中仍表现出相当不错的散热性能。

液态金属：相比基准线，散热性能提升了约13%。虽然性能优异，但团队仍在研究如何解决其应用风险（如导电性、泄漏等问题）。

排名对比：表格展示了不同TIM的K值（热导率）排名与实际GPU上的性能排名，两者存在明显差异，进一步印证了接触质量对实际性能的主导作用。

图9 TIM导热系数排名与实际GPU性能排名对比表

九、结论

1. TIM的选择与验证

TIM选择原则：必须与封装类型和尺寸紧密匹配，不能只看数据表上的导热系数。

性能验证方法：为准确评估TIM在真实应用中的表现，需使用实际芯片或能模拟真实翘曲的硅基TTV进行热测试。

预筛选建议：优先使用与目标芯片翘曲特性相近的上一代芯片进行测试。
TTV优势：若能使用真实模拟芯片翘曲的硅基TTV，对识别TIM影响非常有帮助。

关键认知：选择正确的TIM，关键在于理解每种材料如何与特定封装及真实世界条件相互作用。

图10 TIM选择与验证方法的核心结论

2. 具体材料性能对比

相变金属箔片TIM：相比相变材料（PCM），其适应翘曲变化的能力较差，因此在真实GPU测试中表现更差。

石墨TIM：虽然其标称导热系数约为PCM的四倍，但由于接触电阻和翘曲的影响，实际热性能与PCM相当。

液态金属：在真实芯片应用中表现出最佳的热性能，但其应用风险仍需彻底评估，团队正在研究如何解决这些风险。

3. 总结

核心要点：选择TIM不能仅看数据表上的数字，必须理解每种材料如何与特定封装和真实世界条件相互作用。

十、行动指南与未来方向

1. 核心行动建议

建立测试与落地标准：制定标准化的测试和实施协议，用于精确量化高性能TIM的性能，特别是考虑芯片翘曲的影响，从而降低行业采用新TIM时的导入风险。

追求高性能且易应用的TIM：寻找并采用既具备高导热性能，又易于施工的导热界面材料，以满足AI应用持续增长的功率密度需求。

参与社区的方式：目前OCP内尚无专门聚焦TIM研究的社区，但“冷却环境项目”是交流与分享知识的最佳平台。

图11 TIM测试标准化、材料选型与社区协作的行动建议

2. Q&A：技术细节探讨

TIM厚度与翘曲量：实验中使用的TIM厚度大约在200到250微米，而芯片翘曲量大约是TIM厚度的一半。

数值模拟中的翘曲建模：团队内有专家能够对芯片翘曲进行数值模拟。

未来研究方向：团队正在研究如何将测试扩展到更长时间，以捕捉真实负载循环下的性能变化，预计在下一届OCP峰会上分享更多成果。

图12 TIM厚度、翘曲量与未来研究方向的问答要点

十一、知识小结

表1核心主题要点汇总

line-height:120%">主题	核心观点	主要论据	文中金句
热界面材料（TIM）性能对比	TIM选择需与封装类型和芯片翘曲特性对齐	相变金属箔在铜制TTV测试中性能优异（比PCM-1低17%热阻抗），但在真实GPU测试中反而差28%	“选择正确的TIM不仅仅是看数据表上的数字，而是要理解每种材料如何与特定封装和真实世界条件相互作用。”
芯片翘曲对TIM性能的影响<o:page></o:page>	温度变化导致真实芯片翘曲，影响接触质量	GPU在50°C时开始向上弯曲形成凸面，增加冷板与芯片间隙；相变金属箔在低温下变硬，无法适应形变	“性能下降并非由于相变金属箔的固有属性，而是由温度依赖的芯片翘曲导致的物理接触损失。”
石墨片TIM性能分析	高导热系数（比PCM-1高4倍）未带来实际性能优势	石墨片无法像导热脂那样填充表面粗糙度和平面度变化，导致气隙产生接触热阻	“热导率不是唯一需要关注的参数。”
TIM测试标准局限性	行业标准（ASTM D5470）测试条件过于理想化	标准要求表面粗糙度<0.4μm、平行度<5μm，但真实系统表面条件远差于此	“即使材料本身具有优异的热导率，实际系统性能可能由TIM接触质量主导，尤其是对于固态TIM。”
不同TIM类型性能排名	PCM（相变材料）性能良好，液态金属性能最佳	液态金属TIM相比基线提升约13%热性能	“在真实芯片应用中，液态金属在热性能方面表现最佳，但仍需解决应用风险。”
行业行动建议	建立TIM测试和实施标准，寻求高性能且易应用的TIM	OCP冷却环境工作组是分享学习成果的最佳平台	“随着AI应用持续推高功率密度，对高性能但应用友好的TIM需求变得更加紧迫。”

表2TTV测试（铜制假芯片）与真实GPU测试对比

line-height:120%">对比维度	TTV测试（铜制假芯片）	真实GPU测试	关键差异
测试条件	受控参数环境，700W功率	真实应用环境，700W功率	芯片材料与结构不同
相变金属箔性能	比PCM-1好17%	比PCM-1差28%	性能反转，差异显著
芯片翘曲影响	铜制TTV保持平坦	GPU在50°C时翘曲形成凸面	翘曲导致接触间隙增大
石墨片性能	与PCM-1相似	与PCM-1相似	高导热系数（4倍）未转化为性能优势
测试温度	预加热至70°C时两者均平坦	温度降至50°C时GPU开始翘曲	温度依赖性翘曲是关键变量

演讲keynote+视频（中文字幕）已上传至星球！