全球半導體行業進入了一個新時代，該時代是由人工智能（AI）和高性能計算（HPC）驅動的，熱管理逐漸成為影響芯片設計和流程是否可以突破的核心瓶頸。隨著先進的包裝體系結構（例如3D堆疊和2.5D集成）繼續推動芯片密度和功耗，傳統的陶瓷基材將不再滿足熱通量要求。Wafer Foundry的領導者TSMC正在以大膽的材料轉變來應對這一挑戰，即逐漸退出氮化碳（GAN）業務，使12英寸的碳化物（SIC）單晶底物（SIC）單晶底物回應。此舉不僅表示TSMC對其物質策略的重新校準，而且還強調了熱管理從“輔助技術”轉變為關鍵“競爭優勢”。
碳化矽以其寬的帶隙半導體而聞名，傳統上用於高效電力電子設備，例如電動汽車逆變器，工業電機控制和新的能源基礎設施。但是，SIC的潛力超出了這些應用，因為它的出色熱導率約為500W/MK，遠遠超過了常見的陶瓷底物，例如氧化鋁（AL2O3）或藍寶石。
隨著AI加速器，數據中心處理器和AR智能眼鏡的部署越來越多，有限的熱空間問題變得越來越嚴重。在可穿戴設備中，這尤其有問題，其中微芯片組件靠近眼睛，並且不當控制可能會影響安全性和穩定性。TSMC利用其在12英寸晶圓工藝中的悠久經驗，正在推動用大尺寸的單晶SIC替換傳統的陶瓷基板，從而使新材料可以在不重建製造系統的情況下將新材料引入現有生產線中，同時保持產量和成本優勢。
儘管用於熱管理的SIC基板不需要滿足功率組件所需的嚴格的電缺損標準，但晶體完整性仍然至關重要。許多外部因素可能會干擾聲子傳導，降低導熱率，並可能導致局部過熱，從而影響機械強度和表面平坦。對於12英寸的大型晶圓，翹曲和變形是關鍵問題，因為它們直接影響芯片粘合和高級包裝產量。因此，行業的重點已從“消除電缺陷”轉變為“確保體積密度，低孔隙率和高表面平坦度”，這是SIC熱管理底物高產質量產生的先決條件。
報告表明，SIC具有高熱電導率，機械強度和熱衝擊性，在2.5D和3D包裝架構中顯示出獨特的優勢。在2.5D集成中，芯片在矽或有機中間層上並排佈置，並具有短有效的信號連接。熱管理挑戰主要在於水平方向。在3D積分中，芯片通過矽VIA（TSV）或雜交鍵合垂直堆疊，連接密度極高，但熱壓相應地增加。因此，SIC不僅可以用作被動熱材料，而且還可以與先進的冷卻溶液（例如鑽石或液體金屬）結合使用，形成“混合冷卻”溶液。
此前，TSMC宣布將在2027年逐漸退出GAN業務，並將資源重定向到SIC Field。此舉反映了公司對其市場和物質策略的重新評估。與GAN在高頻應用中的優勢相比，SIC的全面熱管理和可伸縮性與TSMC的長期計劃更好。向12英寸大質晶片的轉變不僅可以降低單位成本，還可以提高過程均勻性。儘管SIC在切片，拋光和扁平化方面仍然面臨挑戰，但TSMC的現有設備和包裝過程功能使其具有克服這些障礙並加速批量生產的潛力。
過去，SIC幾乎是電動汽車的電源組件的代名詞。但是，TSMC正在將SIC推入新的應用中，例如在高性能處理器和AI加速器中使用導電N型SIC作為熱管理底物，或將SIC作為插入器作為插座和碎屑和chiplet設計中的電氣隔離溶液作為插入器。這些新路徑意味著SIC不再只是“電力電子的代名詞”，而是成為AI和數據中心芯片中熱管理的基石材料。
在高端材料場中，鑽石和石墨烯具有極高的導熱率（鑽石可以達到1,000–2,200W/mk，單層石墨烯可以超過3,000–5,000W/mk）。但是，它們的高成本和製造規模的困難使它們成為主流。液體金屬，導電凝膠和微流體冷卻等替代品具有潛力，但在整合和批量生產成本方面也面臨挑戰。相比之下，SIC提供了最實用的折衷，結合性能，機械強度和製造性。
因此，TSMC在12英寸晶圓製造業中的深入專業知識使其與其他競爭對手區分開來。它不僅可以加速其現有基礎的SIC平台的構建，而且還利用其高度控制的過程將材料優勢快速轉化為系統級的熱溶液。同時，英特爾（Intel）推動了背部電力傳遞（背部動力交付）和熱力機共同設計，這表明，領先的全球公司已經使熱管理成為核心競爭力量。