當電子行業回顧 2025 年時，一個明顯的轉變已然顯現 —— 行業正向高效化、微型化方向發展，而最關鍵的是，材料選擇變得更為審慎。2025 年是電子行業發展的關鍵階段，這一年誕生的系統能夠滿足數據中心、先進傳感平臺、電氣化系統和下一代半導體封裝日益嚴苛的需求。2025 年，電子行業不再一味追求原始性能，而是被迫在抱負與現實之間尋求平衡，兼顧可持續發展目標、高性能需求以及日益加劇的地緣政治壓力。

“如今，性能提升日益受到以材料為核心的先進封裝技術的推動，” 應用材料公司印度區半導體產品部門負責人蘇拉吉?倫加拉詹（Suraj Rengarajan）表示。隨著新一年的到來，這些因素為我們審視 2025 年電子行業的設計選擇和創新成果提供了清晰的視角。此外，為了更直觀地展現電氣設計在基礎層面的變革，應用材料公司印度區的蘇拉吉補充道，系統級的功率、性能、面積和成本（PPAC）如今通過協同優化鍵合界面、低介電常數（low-k）電介質、重分布層刻蝕、阻擋層 / 種子層、銅填充、化學機械拋光（CMP）以及熱界面來確定，同時將互連電阻和熱通量視為主要設計變量。

在本文將要探討的各個方面，我們將試圖揭示行業新動態如何影響設計工程師的偏好，以支撐數據中心、汽車和工業應用等領域的創新與應用發展。

隨著電氣化浪潮迅速蔓延，功率效能（而非功率容量）已成為首要限制因素。各行業需求的增長不僅大幅提升了能源消耗，同時也收緊了散熱和可持續性方面的限制。這一認知使得電力電子領域成為電氣設計工程師核心的架構考量因素。在這種情況下，行業開始著力大幅提高單位面積的功率處理能力 —— 即功率密度。

人工智能工作負載使得處理器電流從幾百安培飆升至一千多安培，而電路板或封裝尺寸卻幾乎沒有變化，因此，功率效能成為維持計算能力提升的唯一可行路徑。

這一趨勢促使工程師們將注意力集中在電力電子更基礎、更本質的效能層面，并在電子設計的各個環節追求效能優化。為了適應這一新動態，行業開始轉向寬禁帶（WBG）技術，包括碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。這些技術有助于工程師在遵守更嚴格的散熱和封裝限制的同時，減少開關損耗、導通損耗以及單位面積的發熱量，同時還能顯著提升電子產品的系統級效能。

隨著功率密度的提高，散熱變得愈發困難，形成了一個自我強化的循環：為了維持散熱空間，就必須追求更高的效能，而非單純提升性能。

在數據中心，不斷提升的計算密度推動了對緊湊型、高效能電源解決方案的需求。氮化鎵基電源供應器正逐漸獲得市場認可，它能夠提高效能、實現更高的開關頻率、縮小無源元件尺寸并降低散熱需求。在部分架構中，氮化鎵還支持簡化的單級功率轉換，減少損耗和物料清單復雜度，同時支持在靠近負載端提供更高電壓。

“在人工智能工作負載下，處理器電流已從幾百安培增至一千多安培，而物理尺寸基本保持不變。這從根本上推動功率密度和效能成為系統設計的核心，” 班加羅爾印度科學研究所（IISC Bangalore）副教授考希克?巴蘇（Dr Kaushik Basu）表示。

盡管功率效能的提升推動了功率密度的提高，但在絕對功率水平不斷上升以及熱源在更小尺寸內密集排列的雙重驅動下，整體發熱量仍在持續增加。在這種情況下，熱量產生的速度超過了其擴散和消散的速度，導致溫度梯度急劇增大，給材料、互連結構和界面帶來了更大的壓力。與此同時，隨著電子產品向更微型化、高效化和高可靠性設計方向發展，日益先進的散熱解決方案所伴隨的成本、復雜度和可靠性風險也變得越來越難以承受。

“隨著功率密度的提高，散熱難度會不斷增加。這就是為什么效能不再是可選項 —— 根本沒有多余的散熱空間來容納損耗，” 巴蘇博士說。到 2025 年，行業已明確認識到：散熱復雜度無法無限提升以抵消不斷增長的功率密度。這標志著設計理念的根本性轉變，散熱從下游的機械考量因素轉變為設計初期就需要解決的核心架構限制。“設計師們正日益將材料視為首要設計參數。對于先進工藝節點而言，器件物理本質上就是材料物理，” 應用材料公司印度區的蘇拉吉表示。

2.5D 和 3D 封裝等先進封裝方案的日益普及，既受到電氣限制的驅動，也受到熱限制的推動。隨著電流增大，長距離供電路徑由于導通損耗和局部發熱問題變得越來越不可行。先進封裝成為應對熱應力的第一道防線，在保護硅器件的同時，支持更高水平的集成和系統效能。特別是在垂直堆疊的 3D 架構中，多個芯片通過硅通孔（TSVs）互連，由于散熱路徑有限且易形成局部熱點，熱挑戰尤為嚴峻。

在這類結構中，傳統的風冷、液冷方案或日益復雜的散熱硬件往往被證明是不足、昂貴或不切實際的 —— 尤其是在對可靠性和使用壽命有嚴格要求的汽車、工業和基礎設施應用中。盡管先進封裝縮短了互連路徑并降低了電阻損耗，但它也將發熱量集中在更小的空間內，使得熱限制更為突出，而非徹底消除。“如今，團隊會在材料層面，結合邏輯和布局，協同模擬可變性、可靠性、電遷移、偏壓溫度不穩定性和時間相關介質擊穿等問題，” 蘇拉吉說。因此，熱感知系統架構和封裝設計已成為維持性能和可靠性不可或缺的環節。

“2.5D 和 3D 集成等先進封裝方案在很大程度上是為了通過將功率轉換環節靠近負載，最大限度地縮短電流路徑并減少導通損耗。然而，這些方案并未消除熱挑戰，反而使其更為凸顯，” 巴蘇博士表示。最終，為了幫助工程師準確預測和管理發熱量與散熱過程（這對于防止元件故障、優化性能和確保安全至關重要），熱建模和協同仿真已成為現代電子設計不可或缺的組成部分。

2025 年，電子領域中的材料不再是被動的技術規格，而是從一開始就成為塑造系統架構的硬性設計限制因素。持續脆弱的供應鏈、地緣政治不確定性、日益嚴格的環境法規，以及人工智能、高性能計算和電氣化帶來的不斷增長的需求，這些因素共同迫使設計師將材料選擇視為影響性能、可靠性和可制造性的主要限制因素。

2025 年年中，人工智能、高性能計算和電氣化平臺的激增給電子系統帶來了前所未有的熱應力和電應力。能夠承受高功率密度、高溫和長使用壽命的材料成為關鍵設計限制，影響著器件選擇、電源架構和封裝方案。隨著先進工藝節點和 2.5D/3D 集成將微型化推向極限，熱導率、機械強度和互連可靠性成為核心關注點。

到 2025 年末，法規壓力進一步重塑了材料決策。更嚴格的可持續發展和環境合規要求（包括對《關于限制在電子電氣設備中使用某些有害成分的指令》（RoHS）和《關于化學品注冊、評估、授權和限制的法規》（REACH）等標準的嚴格執行），使得無鉛、可回收和低排放材料從優先選擇轉變為強制性設計要求。盡管先進材料和人工智能驅動的材料信息學領域的突破提供了新的優化路徑，但這也要求系統設計師具備更深入的材料知識。

“我們正逐漸意識到，僅靠巧妙的系統級設計已不足以應對當前的挑戰。解決如今的功率和熱問題，越來越需要在材料和器件層面進行改進，” 巴蘇博士表示。

這些因素共同作用，使得 2025 年成為材料可用性、合規性和物理特性相互融合的一年，重新定義了電子設計在實際應用中的可行性邊界。材料選擇不再是下游的優化環節，而是成為決定效能、可擴展性和長期系統可用性的基礎性變量。

功率密度、熱限制和材料不再是相互獨立的設計考量因素；在高性能系統中，每一項因素都定義著其他因素的運行邊界。“未來幾年，熱管理和功率密度仍將是最嚴峻的挑戰，而材料層面的改進盡管至關重要，但需要更長時間才能走向成熟，” 巴蘇博士說。

2025 年帶來的核心啟示在于電子系統設計理念和工程方法的集體轉變。隨著功率效能取代原始性能、熱限制取代激進散熱方案、材料從被動支撐者轉變為主動限制因素，電子設計進入了一個不再由抱負主導、而是更多受物理規律和系統現實約束的時代。“效能優化正從材料層面逐步向上推進，互連結構、電介質、電源供應、散熱和封裝被視為一個相互關聯的系統，” 應用材料公司印度區的蘇拉吉表示。

在數據中心、汽車平臺和工業系統等各個領域，工程師們面臨著熱量、材料和長期可靠性的硬性限制，因此性能不再是需要最大化的目標，而是需要平衡的要素。電力電子成為系統架構的核心，封裝成為關鍵的熱優化和電優化層面，材料選擇在架構設計階段就開始影響整體方案。在這些限制下，創新并未放緩，反而變得更具規范性、集成性和系統意識。

展望未來，2025 年的啟示清晰可見：未來屬于那些并非在紙面上追求峰值性能，而是深刻理解效能、熱現實和材料限制并以此為基礎進行設計的系統 ——2025 年也因此成為 “在限制中設計” 真正成為工程優勢的一年。在一個長期以來以持續規模化擴張為標志的行業中，2025 年將被銘記為 “在限制中設計” 成為終極工程優勢的一年。