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첨단 반도체 패키징용 열관리 시스템 및 재료 시장(2027-2037년)

The Global Market for Thermal Management Systems and Materials for Advanced Semiconductor Packaging 2027-2037

발행일: | 리서치사: 구분자 Future Markets, Inc. | 페이지 정보: 영문 217 Pages, 87 Tables, 6 Figures | 배송안내 : 즉시배송

    
    
    



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열 관리는 패키징 결정에 따른 하류 제품별 요소에서 그 결정 요인으로 변화했습니다. 현재, 디바이스 수가 아닌 전력 밀도가 속도를 결정하고 있습니다. AI 워크로드를 실행하는 GPU는 140 W/cm² 정도의 열유속을 방출하지만, 3차원 아키텍처에서는 평균 열유속이 300 W/cm²에 육박하며, 국소적인 핫스팟에서는 500-1,000 W/cm²를 기록하고 있습니다. 단일 패키지의 열 설계 전력(TDP)은 kW 수준을 돌파하여 3,000-5,000 W 범위로 향하고 있습니다. 제약 요인은 기존의 열 스택(실리콘, 금속 배선, 마이크로 범프, 언더필, TIM1, 리드, TIM2, 콜드 플레이트)의 누적 저항입니다. 대책으로는 열전달 경로를 단축하여 계면 저항을 저감하는 방법과, 열교환에 활용할 수 있는 면적을 확대하는 방법, 이 두 가지가 고려됩니다. 이 두 가지 접근 방식이 병행하여 진행되고 있으며, 패키지 내부에서 ‘재료’와 ‘냉각 시스템’의 경계는 사실상 해소되었습니다.

패키지 면적의 확대가 양산화의 주요 원동력이 되고 있습니다. 5.5배의 레티클 스케일을 가진 CoWoS_L 플랫폼은 2026년에 양산을 시작하며, 약 12개의 HBM3E 또는 HBM4 스택을 탑재하고 있습니다. 2027년까지는 약 9.5배의 레티클 스케일을 가진 패키지가 등장할 것으로 예측됩니다. 풀 실리콘 인터포저는 레티클 스케일이 약 3.3배를 초과하면 수율과 비용의 한계에 직면하기 때문에 업계는 임베디드 실리콘 브리지, 유리 기판, 패널 형식으로 전환하고 있습니다. 이들 모두 뒤틀림이나 열팽창 계수(CTE) 불일치를 유발하여, 결과적으로 본딩 라인의 균일성을 제어하기가 더욱 어려워집니다.

2026년 중반까지 몇 가지 기술적 진전이 이 분야의 양상을 완전히 바꿔 놓았습니다. TSMC는 3D Fabric 플랫폼에 마이크로플루이딕스 냉각 기술을 통합하여, 전력 공급 및 상호 연결과 함께 냉각을 설계 및 기술의 공동 최적화 대상으로 포함시켰습니다. 마이크로채널 리드가 과도기적 아키텍처로 등장하여, 인증 가능한 TIM1 인터페이스를 유지하면서 냉각제를 다이 근처로 유도하고 있습니다. 열 구조는 메모리 스택 내부로 이동했습니다. SK하이닉스의 iHBM은 다이 간 물리층에 통합된 냉각 요소를 내장하고 있으며, 기존의 매스 리플로우 성형 언더필 공정과의 호환성을 유지하면서 열 저항을 30% 이상 저감한다고 주장합니다. 또한, 삼성의 Heat Path Block도 유사한 핫스팟을 대상으로 하며, HBM5 기반 다이는 2nm 공정으로 전환되고 있습니다.

소재 측면에서는 액체 금속이 자유로운 도포가 아닌, 봉입(섬유 매트릭스, 엘라스토머에 내장된 액적, 하이브리드 댐 구조)을 통해 제조 가능한 형태를 찾아내고 있으며, 펌프 아웃, 누출, 알루미늄과의 적합성 등의 과제를 해결하고 있습니다. 인공 다이아몬드는 CMOS 호환 저온 성장 및 본딩 지원 표면 덕분에 제조 가능성이 높아지고 있지만, 결정립 구조는 여전히 결정적인 요인으로 남아 있습니다. 최고 수준의 전도성을 실현할 수 있는 것은 미세결정 및 단결정 등급뿐입니다. 공급업체 기반은 통합이 진행되고 있으며, 요구 사항이 점점 더 엄격해짐에 따라 고성능 분야에서의 인증 대상 범위가 좁아지고 있습니다.

『2027-2037년 첨단 반도체 패키지를 위한 열 관리 시스템 및 재료 세계 시장』은 첨단 패키지가 얼마나 많은 전력을 방출할 수 있는지를 결정하는 재료, 하드웨어 및 냉각 아키텍처에 대한 종합적인 평가입니다. 예측은 2037년까지 2025년 달러를 기준으로 한 고정 가격으로 이루어졌으며, 열 인터페이스 재료, 패키지 수준 열 하드웨어, 패키지 내 및 실리콘 직접 냉각의 3가지 계층별로 모델링되었으며, 모든 부문의 수치는 단일하고 일관된 합계값으로 집계되었습니다.

목차에는 다음 내용이 포함됩니다.

  • 집행 요약 - 조사 범위, 주요 조사 결과 및 본판의 변경 사항
  • 서론 - 열 설계 전력, HPC 칩의 첨단 패키징, 열적 특성 및 이점, GPU용 평면 다이 패키징 분야의 진화
  • 2.5D 및 3D 패키징 기술 - 최신 패키징 기술, 상호 연결, CoWoS 및 대형 2.5D, 패널 및 유리 플랫폼, 범프 형성 기술, 마이크로 범프 및 구리-구리 하이브리드 본딩, 제조 수율, 비용 분석, 실리콘, 유기, 유리 기판의 진화
  • 전력 관리 - 전력 공급 시스템 및 네트워크, 전원 노이즈, DVFS, 전력 및 클럭 게이팅, 인터포저에 통합된 전압 조정기, 스위치드 커패시터 컨버터, 자기 집적, 패키지 내 전압 조정, 디커플링 커패시터, 저저항 상호 연결
  • 신규 열 관리 소재 - 다이 부착 기술, 3D 패키지의 TIM1, 선정 및 최적화, 탄소나노튜브 TIM, 그래핀, 에어로겔, 메타물질 열 확산기, 생물학적 영감을 받은 접근법, 고대역폭 메모리를 위한 패키지 내 냉각, 밀폐형 및 복합형 액체 금속 계면, 인공 다이아몬드 및 구리-다이아몬드 복합재료, 웨이퍼 레벨 열 스택, 능동형 구리 및 첨단 다이 부착
  • 액체 냉각 - 랙 수준의 전력 제한, 칩 수준의 접근 방식, 하이브리드 및 열전 통합, 열 회수 및 재이용, 신뢰성 및 중복성, 마이크로채널 리드 및 마이크로채널 액체 콜드 플레이트, 실리콘 통합형 마이크로플루이딕스 및 직접-투-실리콘(DTS) 냉각, 코패키지된 광학 소자의 열 관리
  • 열 모델링 및 시뮬레이션 - 다중 물리 요구 사항, AI를 활용한 설계 최적화, 실시간 모니터링 통합
  • 2037년까지 세계 시장 전망 - 범위, 정의 및 재구성; 총 시장 규모; 유형, 재료 선정, 면적, 매출액, 패키지 아키텍처, 패키지 내 냉각 기술, 지역별 세분화; 인접 데이터센터의 액체 냉각 시장; 첨단 열 재료의 진화; 시나리오 분석; 공급업체 동향 및 업계 재편
  • 기업 프로파일 - 소재, 하드웨어, 냉각 분야에 걸친 61개 기업의 프로파일. 2D Generation, 2D Photonics/CamGraphIC, 3M, Accelsius, Akash Systems, Apheros, Arieca, Asia Vital Components(AVC), Asperitas Immersed Computing, Auras Technology, Black Semiconductor, BNNano, Boston Materials, Boyd Corporation, Carbice, First Graphene, Carbon Waters, Cooler Master, CoolSem Technologies, Destination 2D, Dexerials, Diamond Quanta, Element Solutions/MacDermid Alpha Electronics Solutions, Engineered Fluids, Fabric8Labs, Fujitsu Laboratories, Global Graphene Group, Graphmatech, Green Revolution Cooling(GRC), 헨켈(Henkel), 헌츠맨(Huntsman), 아이소토프(Iceotope), 인듐 코퍼레이션(Indium Corporation), 젠테크 프리시전 인더스트리얼(Jentech Precision Industrial), 제트쿨 테크놀로지스(JetCool Technologies) 등.

목차

제1장 주요 요약

제2장 서론

제4장 전력 관리

제5장 첨단 패키징을 위한 혁신적인 열전도 재료 및 솔루션

제6장 액체 냉각

제7장 세계 시장 예측

제8장 기업 개요(61개사 기업 개요)

제9장 참고 문헌

LSH 26.08.20

Thermal management has moved from a downstream consequence of packaging decisions to a determinant of them. Power density, not device count, now sets the pace: GPUs running AI workloads dissipate heat fluxes on the order of 140 W/cm², while three-dimensional architectures record average fluxes near 300 W/cm² with localised hotspots between 500 and 1,000 W/cm². Single-package thermal design power has passed the kilowatt level and is advancing toward the 3,000-5,000 W range. The binding constraint is the accumulated resistance of a conventional thermal stack - silicon, metal interconnect, micro-bumps, underfill, TIM1, lid, TIM2, cold plate. Two levers are available: shortening the path and reducing interfacial resistance, or expanding the area available for heat exchange. Both are being pursued simultaneously, and the boundary between "material" and "cooling system" has effectively dissolved inside the package.

Package area growth is the dominant volume driver. The 5.5× reticle-scale CoWoS_L platform entered volume production in 2026 carrying around twelve HBM3E or HBM4 stacks, with roughly 9.5× reticle-scale packages expected by 2027. Full silicon interposers face yield and cost limits beyond about 3.3× reticle, pushing the industry toward embedded silicon bridges, glass substrates and panel formats - each of which makes warpage and CTE mismatch, and therefore bond line uniformity, harder to control.

Several developments reshaped the field through mid-2026. TSMC is integrating microfluidic cooling into its 3DFabric platform, bringing cooling into design-technology co-optimisation alongside power delivery and interconnect. Micro-channel lids have emerged as the transitional architecture, retaining a qualifiable TIM1 interface while moving coolant close to the die. Thermal structures have migrated inside the memory stack: SK hynix's iHBM embeds integrated cooling elements at the die-to-die physical layer, claiming over 30% lower thermal resistance while remaining compatible with existing mass reflow molded underfill processes, and Samsung's Heat Path Block targets the same hotspot, with the HBM5 base die moving to a 2 nm process.

Materially, liquid metal has found a manufacturable form through confinement - fibre-matrix, elastomer-embedded droplet and hybrid dam architectures - rather than free application, addressing pump-out, leakage and aluminium compatibility. Engineered diamond has moved toward manufacturability via CMOS-compatible low-temperature growth and bond-ready surfaces, though grain structure remains decisive: only microcrystalline and single-crystal grades deliver headline conductivity. The supplier base is consolidating, narrowing the qualified field at the high-performance end precisely as requirements become more demanding.

The Global Market for Thermal Management Systems and Materials for Advanced Semiconductor Packaging 2027-2037 is a comprehensive assessment of the materials, hardware and cooling architectures that determine how much power an advanced package can dissipate. Forecasts run to 2037 in constant 2025 US dollars, modelled across three layers - thermal interface materials, package-level thermal hardware, and in-package and direct-to-silicon cooling - with all segmentations reconciling to a single consistent total.

Contents include:

  • Executive summary - scope, key findings, and what has changed in this edition
  • Introduction - thermal design power, advanced packaging in HPC chips, thermal properties and benefits, evolution of planar die packaging area for GPUs
  • 2.5D and 3D packaging technologies - modern packaging technology, interconnection, CoWoS and large-format 2.5D, panel and glass platforms, bumping technologies, micro-bump and copper-to-copper hybrid bonding, manufacturing yield, cost analysis, substrate evolution across silicon, organic and glass
  • Power management - power delivery systems and networks, supply noise, DVFS, power and clock gating, integrated voltage regulators in interposers, switched capacitor converters, magnetic integration, on-package voltage regulation, decoupling capacitors, low-resistance interconnects
  • Novel thermal materials - die-attach technology, TIM1 in 3D packaging, selection and optimisation, carbon nanotube TIMs, graphene, aerogels, metamaterial heat spreaders, bio-inspired approaches, in-package cooling for high-bandwidth memory, confined and composite liquid metal interfaces, engineered diamond and copper-diamond composites, wafer-level thermal stacks, active copper and advanced die-attach
  • Liquid cooling - rack-level power limitations, chip-level approaches, hybrid and thermoelectric integration, heat recovery and reuse, reliability and redundancy, micro-channel lids and micro-channel liquid cold plates, silicon-integrated microfluidics and direct-to-silicon cooling, thermal management for co-packaged optics
  • Thermal modelling and simulation - multi-physics requirements, AI-enhanced design optimisation, real-time monitoring integration
  • Global market forecasts to 2037 - scope, definitions and restatement; total market; segmentation by type, material selection, area, revenues, package architecture, in-package cooling technology, region; adjacent data centre liquid cooling market; advanced thermal materials evolution; scenario analysis; supplier landscape and consolidation
  • Company profiles - 61 profiles across materials, hardware and cooling inlcuding 2D Generation, 2D Photonics/CamGraphIC, 3M, Accelsius, Akash Systems, Apheros, Arieca, Asia Vital Components (AVC), Asperitas Immersed Computing, Auras Technology, Black Semiconductor, BNNano, Boston Materials, Boyd Corporation, Carbice, First Graphene, Carbon Waters, Cooler Master, CoolSem Technologies, Destination 2D, Dexerials, Diamond Quanta, Element Solutions / MacDermid Alpha Electronics Solutions, Engineered Fluids, Fabric8Labs, Fujitsu Laboratories, Global Graphene Group, Graphmatech, Green Revolution Cooling (GRC), Henkel, Huntsman, Iceotope, Indium Corporation, Jentech Precision Industrial, JetCool Technologies and more.....

Table of Contents

1 EXECUTIVE SUMMARY

  • 1.1 Scope of this edition
  • 1.2 Market size and growth
  • 1.3 Key findings
  • 1.4 What has changed in this edition
  • 1.5 Advanced semiconductor packaging-2D architectures to advanced 2.5D and 3D integration technologies
  • 1.6 Challenges
    • 1.6.1 Power delivery
    • 1.6.2 Thermal management
  • 1.7 TSV Performance
  • 1.8 Transition from lateral to vertical power delivery
  • 1.9 Thermal interface material selection for TIM1 applications
  • 1.10 Cooling Technologies for HPC

2 INTRODUCTION

  • 2.1 Thermal design power (TDP)
  • 2.2 Advanced Semiconductor Packaging Technologies in HPC chips
    • 2.2.1 Thermal properties
    • 2.2.2 Thermal Benefits
    • 2.2.3 TDP in Advanced Packaging
  • 2.3 2.5D and 3D Packaging in GPUs
  • 2.4 Evolution of planar die packaging area for GPUs
  • 2.5 Thermal management of high-power advanced packages
  • 3.1 Introduction
  • 3.2 Modern semiconductor packaging technology
  • 3.3 Optimization of advanced semiconductor packaging technologies
  • 3.4 Interconnection technology
  • 3.5 2.5D packaging
    • 3.5.1 Chip-on-Wafer-on-Substrate (CoWoS)
    • 3.5.2 Large-format 2.5D, panel and glass platforms
  • 3.6 Bumping technologies
    • 3.6.1 Overview
    • 3.6.2 Challenges
    • 3.6.3 Micro-bump technology
    • 3.6.4 Copper-to-copper hybrid bonding
  • 3.7 Manufacturing Yield
  • 3.8 Cost Analysis
  • 3.9 Substrate Technology Evolution (Silicon vs Organic vs Glass)
  • 3.10 Assembly and Test Challenges for Advanced Packages

4 POWER MANAGEMENT

  • 4.1 Introduction
  • 4.2 Power delivery systems
  • 4.3 Ecosystem for HPC chips
  • 4.4 Advanced Power Delivery Networks (PDNs)
  • 4.5 Power supply noise
  • 4.6 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS)
  • 4.7 Power Gating
  • 4.8 Clock Gating
  • 4.9 Integrated Voltage Regulators (IVRs) in Interposers
  • 4.10 Switched Capacitor Voltage Converters
  • 4.11 Magnetic Integration in Package Substrates
  • 4.12 AI-Driven Dynamic Power Management
  • 4.13 Thermal Management Runtime Loops
  • 4.14 On-Package Voltage Regulation (OPVR)
  • 4.15 Decoupling Capacitors (Decaps)
  • 4.16 Low-Resistance Interconnects
  • 4.17 Challenges

5 NOVEL THERMAL MATERIALS AND SOLUTIONS FOR ADVANCED PACKAGING

  • 5.1 Introduction
    • 5.1.1 Progression toward three-dimensional packaging architectures
  • 5.2 Die-attach technology
  • 5.3 TIM1 in 3D Semiconductor Packaging
    • 5.3.1 Overview
    • 5.3.2 Applications
    • 5.3.3 Selection and optimization of TIM1 materials
    • 5.3.4 Liquid Cooling Technologies
  • 5.4 Emerging Thermal Technologies
    • 5.4.1 Carbon Nanotube Thermal Interface Materials
    • 5.4.2 Graphene
    • 5.4.3 Aerogel-Based Thermal Solutions
    • 5.4.4 Metamaterial Heat Spreaders
    • 5.4.5 Bio-Inspired Thermal Management Approaches
    • 5.4.6 In-package cooling for high-bandwidth memory
    • 5.4.7 Confined and composite liquid metal interfaces
    • 5.4.8 Engineered diamond and copper-diamond composites
    • 5.4.9 Wafer-level thermal stacks
    • 5.4.10 Active copper and advanced die-attach for thermal paths
  • 5.5 Thermal Modelling and Simulation
    • 5.5.1 Multi-Physics Simulation Requirements
    • 5.5.2 AI-Enhanced Thermal Design Optimization
    • 5.5.3 Real-Time Thermal Monitoring Integration

6 LIQUID COOLING

  • 6.1 Overview
  • 6.2 Liquid Cooling Technologies
  • 6.3 Rack-level power limitations
  • 6.4 Chip-level cooling approaches
  • 6.5 Advanced Cooling Integration
    • 6.5.1 Hybrid Cooling Systems (Air + Liquid)
    • 6.5.2 Thermoelectric Cooling Integration
    • 6.5.3 Heat Recovery and Reuse Systems
    • 6.5.4 Cooling System Reliability and Redundancy
  • 6.6 Micro-channel lids and micro-channel liquid cold plates
  • 6.7 Silicon-integrated microfluidics and direct-to-silicon cooling
  • 6.8 Thermal management for co-packaged optics
  • 6.9 Cooling Technology Comparison

7 GLOBAL MARKET FORECASTS

  • 7.1 Scope, definitions and restatement
  • 7.2 Total market
  • 7.3 By type
  • 7.4 TIM1 and TIM1.5 material selection
  • 7.5 By area
  • 7.6 By revenues
  • 7.7 By package architecture
  • 7.8 In-package and direct-to-silicon cooling
  • 7.9 Adjacent market: data centre liquid cooling
  • 7.10 Advanced thermal materials market evolution
  • 7.11 Geographic market distribution
  • 7.12 Scenarios
  • 7.13 Supplier landscape and consolidation

8 COMPANY PROFILES (61 company profiles)

9 REFERENCES

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