AI GPU模組功率密度躍升，每個發熱源都逼近各自的熱設計極限
一片AI伺服器用的GPU模組，實際上是由多個獨立發熱源組成的複合系統：GPU運算晶粒本身、堆疊於封裝內或旁側的HBM(高頻寬記憶體)、板級供電用的VRM(電源供應模組)，以及封裝結構與GPU相近的AI Accelerator。這些元件的散熱路徑、封裝方式與熱設計限制各不相同，卻共同承受著同一個模組的功率密度成長曲線。GPU晶粒與封裝內的HBM堆疊，都需要透過晶片級導熱介面材料(TIM-1，即晶粒與均熱板/冷板之間的介面材料)將熱量導出，這層材料的可靠度，直接影響晶片能否維持在安全的接面溫度區間內運作。
本文將先概覽AI GPU模組內幾個主要發熱源各自面臨的散熱課題，作為理解系統性挑戰的背景；接著聚焦於GPU本身的晶片級TIM這項具體議題，說明傳統導熱膏的已知限制，以及LiPOLY PCM900相變化材料的技術規格與可靠度數據。
AI GPU模組內的主要發熱源與各自的散熱課題
在深入TIM材料之前，先釐清模組內部幾個主要發熱源各自面臨的情況，有助於理解為何散熱設計已成為AI伺服器整體架構中的核心變數。
- GPU運算晶粒：AI伺服器GPU的運作型態與傳統資料中心工作負載不同，模型訓練期間經常連續多日維持接近滿載運作，晶片接面溫度長時間處於偏高區間。
- HBM(高頻寬記憶體)：隨著GPU與HBM朝3D堆疊整合發展，垂直方向的熱阻成為新的挑戰。比利時微電子研究中心imec於2025年IEEE IEDM(國際電子元件會議)發表的研究指出，3D HBM-on-GPU架構在未採取任何散熱優化措施時，AI訓練負載下的GPU峰值溫度可達141.7°C，遠超過可運作範圍；透過技術與系統層級的協同優化，峰值溫度才能降至70.8°C，與現行2.5D整合方案相當。這說明HBM的散熱瓶頸主要來自封裝架構本身的垂直熱阻，屬於封裝與系統層級的課題。
- VRM(電源供應模組)：AI GPU模組的板級供電設計，同樣需要處理大電流下的散熱問題。業界技術分析指出，VRM電路的PCB設計(厚銅電源層、低電感佈線、高密度去耦電容陣列)是GPU基板設計中最嚴苛的環節之一，散熱能力與載流能力必須同步考量。
- AI Accelerator：無論是GPU或其他架構的AI Accelerator，其晶片封裝結構與GPU類似，同樣包含運算晶粒、記憶體堆疊、電源管理IC與晶片級導熱介面材料，所面臨的散熱課題與GPU具高度共通性。
以上四類元件雖然共同構成AI GPU模組的散熱挑戰全貌，但個別的介面材料選型考量並不相同(例如HBM的封裝結構、VRM的板級散熱路徑，皆與GPU晶片級TIM的應用情境不同)。本文以下聚焦於GPU本身的晶片級TIM(TIM-1)這項具體議題。
GPU晶片級TIM劣化的實際後果：頻寬節流與效能損失
晶片級TIM的熱阻若隨使用時間逐漸劣化，其後果並非僅止於溫度數字上升，而是會直接反映在GPU的運算效能上。產業分析指出，當高階GPU的接面溫度達到85至90°C的臨界門檻時，硬體會啟動頻寬節流(thermal throttling)機制，自動降低時脈頻率以避免晶片受損；叢集在節流狀態下運作，最多可能損失理論最大效能的25%，對長達數週的大型語言模型訓練任務而言，意味著實質增加的運算時間與成本。學術研究亦提供了具體的量化案例：一篇探討大規模訓練叢集健康管理的論文指出，GPU溫度從50°C上升至77°C時，核心時脈可能從1.93 GHz降至1.38 GHz，對同步敏感的訓練步驟造成明顯延遲。這些數據反映的是GPU接面溫度與效能之間的產業普遍現象，並非針對特定TIM材料的實測結果，但足以說明晶片級TIM可靠度為何是設計必須正視的變數，而非單純的規格數字比較。
傳統導熱膏在晶片級TIM應用上的已知限制
傳統導熱膏(thermal grease)長期是晶片級TIM的主流選擇，具備低初始熱阻、易於施作等優點，但學術文獻的比較研究指出，導熱膏在長期熱循環與功率循環下，存在乾裂(dry-out)、材料被擠出介面(pump-out)、孔隙增加等劣化現象，這些現象會使介面熱阻隨時間上升；相變化材料(PCM)由於免除了塗佈與乾燥製程，較不易出現孔隙、擠出或介面剝離等問題。
相變化材料如何回應這項挑戰：工作原理與物理基礎
相變化材料在常溫下呈固態，便於自動化組裝與運輸儲存；當溫度上升至其相變溫度以上時軟化為半固態，可流動貼合發熱源與散熱器之間的微觀表面凹凸，藉此降低介面熱阻。介面熱阻大致可以R≈BLT÷k的關係式理解：其中BLT(Bond Line Thickness，接合線厚度)為材料實際貼合後的厚度，k為材料的導熱係數；在k值固定的前提下，BLT愈薄，介面熱阻愈低。這也是為何晶片級TIM材料的規格會特別強調「最小BLT可達多少微米」，而非僅比較導熱係數數字本身——對於晶片與均熱板之間僅有數十微米間隙的晶片級應用而言，材料能否貼合出足夠薄的BLT，往往比單純的高導熱係數更直接影響最終熱阻表現。
值得留意的是，學術文獻也指出，為追求更高導熱係數而大幅提高填料含量的相變化材料，可能因此增加洩漏與機械失效的風險；這是相變化材料這一材料類別的一般性技術課題，而非特定產品的實測結果，本文於此僅作為背景說明，選型時仍應以個別產品的可靠度測試數據為準。
PCM900技術規格解析
LiPOLY PCM900為晶片級應用設計的相變化材料，於常溫下維持固態、便於自動化組裝，加熱至約45°C相變溫度後軟化貼合。以下為型錄公開之技術規格：
| 項目 | 數值 | 測試方法 |
|---|---|---|
| 導熱係數 | 9.0 W/m·K | ASTM D5470 |
| 相變溫度 | 45°C | – |
| 最小接合線厚度(BLT) | 24 µm | – |
| 使用溫度範圍 | -60～150°C | – |
| 密度 | 2.70 g/cm³ | ASTM D792 |
| 表面/體積電阻率 | >10¹² Ohm／Ohm·m | ASTM D257 |
常見問題
Q1：PCM900相較於傳統導熱膏，優勢是什麼？
PCM900於常溫下維持固態，可直接進行自動化貼片組裝，免除傳統導熱膏塗佈、脫泡與乾燥等製程；學術比較研究指出，相變化材料因不需經歷塗佈與乾燥流程，較不易出現傳統導熱膏常見的乾裂(dry-out)、材料被擠出介面(pump-out)等長期劣化現象。
Q2：45°C相變溫度在實務應用上代表什麼意義？
PCM900於低於45°C時維持固態，便於裁切、運輸與自動化組裝；當晶片開始運作、介面溫度上升超過45°C後，材料軟化並流動貼合發熱源與均熱板之間的微觀表面凹凸，達到型錄所載最小24µm的接合線厚度(BLT)，兼顧組裝便利性與低接觸熱阻。
Q3：PCM900的可靠度是否經過長期測試驗證？
是。型錄提供熱老化(125°C)、高溫高濕(85°C/85%RH HAST)、熱循環(-40～125°C)及低溫(-60°C)共四項可靠度測試，測試時間最長達1,000小時或500次循環，熱阻變化幅度均控制在原始數值一成左右，顯示PCM900在長時間熱應力條件下具備穩定的介面表現。
Q4：PCM900適合哪些應用場景？
依型錄「Typical Application」分類，PCM900適用於AI/HPC(AI伺服器、GPU)、資料中心(伺服器、網路設備)、消費性電子(PC、SSD、遊戲主機)、電源(電源模組、電源供應器)及車用電子(ECU、BMS、OBC)等多元場景，並提供0.15mm、0.20mm、0.25mm三種厚度規格因應不同應用需求。
LiPOLY PCM900產品資訊
高效能相變化熱介面材料，專為晶片級應用設計，導熱係數9.0 W/m·K、相變溫度45°C，適用於AI伺服器、GPU等AI/HPC應用場景。提供0.15mm、0.20mm、0.25mm三種厚度規格，並可依需求提供捲料(Roll)、片材(Sheet)或裁切件(Die-cut)等型態。
參考資料
- NextPCB. “What Is an AI Server? Architecture, Components & PCB Requirements.”
- NextPCB. “GPU Rack Architecture: How AI Clusters Are Built from PCB to Rack.”
- imec. “Imec Mitigates Thermal Bottleneck in 3D HBM-on-GPU Architectures.” Presented at IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 2025.
- TechRound. “The Hidden Bottleneck of the AI Boom: Why Thermal Throttling Is Slowing Down Your GPUs.”
- arXiv. “Guard: Scalable Straggler Detection and Node Health Management for Large-Scale Training.”
- IEEE Xplore. “A Comparison Study of TIM Degradation of Phase Change Material and Thermal Grease.”
- ScienceDirect. “Synergistically Reinforced Phase Change Thermal Interface Materials for High-Power Electronics: Low Resistance and Long-Term Reliability.”
- LiPOLY Ultra3065 產品資料手冊（中文/英文/日文版）（內部規格來源）
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