Globalna industrija polprevodnikov je vstopila v novo obdobje, ki jo poganja umetna inteligenca (AI) in visokozmogljivo računalništvo (HPC), pri čemer je toplotno upravljanje postopoma postalo temeljno ozko grlo, ki vpliva na to, ali se lahko prebije oblikovanje čipov in procesi.Ker napredne embalažne arhitekture, kot sta 3D zlaganje in 2,5D integracija, še naprej potiskajo gostoto čipov in porabo energije, tradicionalni keramični substrati ne morejo več izpolnjevati zahtev toplotnega toka.TSMC, vodilni v livarni za rezine, se na ta izziv odziva s krepkim materialnim premikom-zavzema 12-palčni enokristalni substrati silicijevega karbida (SIC), medtem ko postopoma izstopa iz podjetja Gallium Nitride (GAN).Ta korak ne samo pomeni, da je TSMC ponovno umerila svojo materialno strategijo, ampak tudi poudarja, da je toplotno upravljanje prešlo iz "pomožne tehnologije" v ključno "konkurenčno prednost".
Silicijev karbid je znan po svojih širokih polprevodnikih pasu, ki se tradicionalno uporabljajo v elektronskih napravah z visoko učinkovitostjo, kot so pretvorniki električnih vozil, industrijski nadzor motorjev in nova energetska infrastruktura.Vendar pa SIC -ov potencial presega te aplikacije, saj je njegova odlična toplotna prevodnost približno 500W/mk veliko boljša od skupnih keramičnih substratov, kot sta aluminijev oksid (AL2O3) ali safir.
Z AI pospeševalniki, procesorji podatkovnih centrov in AR pametna očala, ki se vedno bolj uvajajo, je vprašanje omejenega toplotnega prostora vse težje.To je še posebej problematično pri nosljivih napravah, kjer so komponente mikročipov postavljene blizu oči, nepravilni termični nadzor pa lahko vpliva na varnost in stabilnost.TSMC, ki izkorišča svoje dolgoletne izkušnje v 12-palčnih procesih rezin, si prizadeva za nadomeščanje tradicionalnih keramičnih substratov z enokristalnim sic velike velikosti, kar omogoča vnos novih materialov v obstoječe proizvodne linije, ne da bi obnovili proizvodni sistem, hkrati pa ohranili prednosti donosa in stroškov.
Čeprav SIC substrati, ki se uporabljajo za toplotno upravljanje, ni treba izpolnjevati strogih standardov električne napake, potrebnih za komponente električne energije, ostaja celovitost kristala ključna.Številni zunanji dejavniki lahko motijo fononsko prevodnost, kar zmanjša toplotno prevodnost in potencialno povzroči lokalizirano pregrevanje, kar vpliva na mehansko trdnost in površinsko ploščo.Za 12-palčne rezine velike velikosti sta izkrivljanje in deformacija kritična vprašanja, saj neposredno vplivajo na vezanje čipov in napreden donos embalaže.Zato se je osredotočenost na industrijo preusmerila od "odpravljanja električnih napak" na "zagotavljanje enakomerne gostote v razsutem stanju, nizko poroznost in visoko površinsko ploščnost", ki se kažejo kot predpogoji za visoko donosno masno proizvodnjo substratov toplotnega upravljanja SIC.
Poročila kažejo, da SIC s svojo visoko toplotno prevodnostjo, mehansko trdnostjo in odpornostjo na toplotni udar kaže na edinstvene prednosti v arhitekturi 2,5D in 3D embalaže.V 2,5D integraciji so čipi razporejeni ob strani na silicijevih ali organskih vmesnih plasteh s kratkimi in učinkovitimi signalnimi povezavami.Izziv toplotnega upravljanja je predvsem v vodoravni smeri.V 3D integraciji se čipi zložijo navpično skozi silicijeve vias (TSV) ali hibridno vezanje, z izjemno visoko gostoto povezave, vendar se toplotno poveča termični tlak.Zato sic ne služi samo kot pasivni toplotni material, ampak ga je mogoče kombinirati tudi z naprednimi hladilnimi raztopinami, kot so diamantne ali tekoče kovine, da tvori raztopino "hibridno hlajenje".
Prej je TSMC sporočil, da bo do leta 2027 postopoma zapustil podjetje GAN in preusmeril vire na polje SIC.Ta korak odraža ponovno oceno podjetja o njegovih tržnih in materialnih strategijah.V primerjavi z GAN-jevimi prednosti v visokofrekvenčnih aplikacijah se celovito toplotno upravljanje in razširljivost SIC bolj ujemata z dolgoročnimi načrti TSMC.Prehod na 12-palčne rezine velike velikosti ne more samo zmanjšati stroškov na enoto, ampak tudi izboljšati enakomernost procesa.Čeprav se SIC še vedno spopada z izzivi pri rezanju, poliranju in sploščenju, mu obstoječa zmogljivost opreme in embalaže TSMC daje potencial za premagovanje teh ovir in pospešitev množične proizvodnje.
V preteklosti je bil SIC skoraj sinonim za komponente električne energije za električna vozila.Vendar pa TSMC potisne v nove aplikacije, na primer uporaba prevodnih N-tipov kot termičnega upravljanja substratov v visokozmogljivih procesorjih in AI pospeševalniki ali pol-izolacijski sic kot interposer za zagotavljanje električnih izolacij in relucij toplotne prevodnosti pri oblikovanju čipov in čipov.Te nove poti pomenijo, da SIC ni več "sinonim za elektroniko moči", ampak postaja temeljni gradivo za toplotno upravljanje v AI in čipi podatkovnih centrov.
Na področju materialov višjega cenovnega razreda imata diamant in grafen izjemno visoko toplotno prevodnost (diamant lahko doseže 1.000–2.200W/mk, monoplastni grafen pa lahko presega 3.000–5.000 W/mk).Vendar pa njihove težave z visokimi stroški in proizvodnimi lestvicami preprečujejo, da bi postale glavne.Alternative, kot so tekoče kovine, prevodni geli in mikrofluidno hlajenje, imajo potencialno, hkrati pa se soočajo tudi z izzivi v stroških integracije in množične proizvodnje.Za primerjavo, SIC ponuja najbolj praktični kompromis, združuje zmogljivosti, mehansko moč in izdelavo.
Zato ga globoko znanje TSMC v 12-palčni proizvodnji rezin ločuje od drugih konkurentov.Ne le pospešuje konstrukcijo platforme SIC s svojimi obstoječimi podlagami, ampak tudi izkorišča svoje zelo nadzorovane procese, da hitro prevede materialne prednosti v toplotne rešitve na sistemski ravni.Medtem pa Intelova prizadevanja za dostavo moči zadnjega dela (zadnje moči moči) in sooblikovanje termične moči kažejo, da so vodilne globalne družbe že postavile toplotno upravljanje kot temeljno konkurenčno moč.