金刚石散热产业全景解析:AI芯片局部热瓶颈催生的材料新赛道

最近金刚石散热受到关注，核心原因不是培育钻石价格反弹，而是AI芯片正遇到棘手的散热问题。

液冷能够把服务器产生的热量带走，但热量首先要从芯片内部传到封装盖板和冷板。如果这个环节，导热速度跟不上，服务器冷却能力再强，芯片局部仍可能过热。

金刚石的价值，就是在芯片与液冷系统之间增加一条高效率的热传导通道。

培育金刚石结束扩产周期，价格开始企稳

培育钻石与培育金刚石本质上是同一种材料，都是通过高温高压法，也就是HPHT，或化学气相沉积法，也就是CVD，在工厂中人工制造。前者更多用于消费级钻石和工业颗粒，后者更适合制造高纯度、大面积的金刚石薄片。

过去几年，培育钻石经历了一轮明显的产能扩张。2021年以来，国内培育钻石产能年均复合增速一度达到80%。由于设备投放速度远高于需求增长，全球培育钻石零售价格从2022年的约4500美元/克拉，下降至目前约2000美元/克拉，而同期产能增加了三至四倍。

到2025年第四季度，价格开始触底并出现一定回升。一方面，长期降价推动部分低效率产能退出；另一方面，生产所需有色材料等成本上涨。需求保持平稳、供给增速放缓，推动了工业级和消费级金刚石价格的上涨。

AI芯片需要解决的不只是整机温度，还有局部热点

AI芯片的发展，正朝着更高功耗、更高集成度和更复杂封装发展。单个AI计算模块的功耗从约700W，逐步提高到1000W甚至2000W。先进封装又把计算芯片、存储和互联单元放在更小的空间内，热量越来越集中。

传统风冷和液冷，主要解决服务器或机柜层面的散热问题。液冷系统通过冷却液把热量带走，但在热量进入冷板之前，还要经过芯片、封装材料和盖板。如果这段路径的导热能力不足，芯片表面就会形成局部热点，引发降频，并限制算力释放。

铜的导热率大约为400W/(m·K)，铝约为200W/(m·K)。多晶金刚石导热率可达到约1500—1800W/(m·K)，部分高性能产品还可继续提升；高质量单晶金刚石则可以超过2000W/(m·K)。

除了高导热率，金刚石的热膨胀系数也较低，有利于减少温度变化对封装结构的影响。它不是替代液冷，而是与液冷协同：先在芯片附近快速摊平热量，再把热量传递给冷板和冷却液。

金刚石可以进入多个位置，包括芯片封装盖板、热扩散片、冷板功能层和芯片背面衬底。距离芯片越近，散热效果通常越直接，但对材料纯度、尺寸、表面处理和封装适配的要求也越高。

四条技术路线处在不同产业化阶段

第一条路线是金刚石—铜或金刚石—铝复合材料。

这种方案把金刚石微粉加入铜、铝等金属材料中，导热率通常可以提高到1000W/(m·K)以内。它兼顾导热性能、加工难度和成本，HPHT设备与金刚石微粉供应也较成熟，因此最容易先实现规模应用。

但复合材料的进入门槛相对较低，铜粉、铝粉、金刚石微粉及复合材料企业都可以参与。它更像是传统金属散热材料的升级方案，而不是金刚石直接进入芯片封装的最终形态。

第二条路线是CVD多晶金刚石热沉片，也是当前产业化进展最快的方向。

CVD设备已经可以国产，但生产成本仍然较高，其中电力约占总成本的60%。多晶热沉片的关键不只是把金刚石“长出来”，还要解决大尺寸均匀性、切割加工、封装连接和下游材料匹配等问题。

尺寸是降低成本的重要变量。多晶金刚石母片从4英寸向8英寸、12英寸升级后，一次生长可以切割出更多、规格更丰富的热沉片，单位成本随之下降。黄河旋风正在推进12英寸多晶产品，行业也在关注大尺寸产品能否稳定量产并通过客户验证。

第三条路线是CVD单晶金刚石。

单晶金刚石晶格方向更一致，导热性能更好，未来既可用作高端热沉，也可能进入器件衬底。但单晶材料的大尺寸制备、缺陷控制和良率难度明显高于多晶，目前仍缺少大英寸规模落地案例。

第四条路线是金刚石半导体。

金刚石具备成为新一代半导体材料的潜力，但从散热材料走向有源器件，需要解决晶圆、掺杂、器件制造和成本等一系列问题，产业化周期可能达到5—10年，属于更远期的技术方向。

产业链竞争将从“做出样品”转向“稳定交付”

金刚石散热产业链上游包括HPHT和CVD设备、生产能源及金刚石原料；中游包括微粉、铜铝复合材料、多晶热沉片和单晶材料；下游则是芯片封装、服务器冷板、AI计算模块及其他高功率器件。

按照材料口径，中国培育金刚石产能占全球90%以上，产业链完整。CVD生产中电力成本占比较高，新疆、内蒙古等低电价地区具备成本优势。黄河旋风、四方达、力量钻石、沃尔德等企业，正在推进CVD设备、热沉材料或下游客户开发。

若金刚石散热未来渗透率达到5%—10%，按照10%的情景测算，潜在市场空间约为50多亿美元。但这仍属于情景假设，当前行业离大规模放量还有距离。

未来几个季度，行业需要观察四个指标：能否稳定生产更大尺寸的多晶母片，良率能否提升，单位成本能否下降，以及客户认证能否转化为实际订单。

金刚石散热的技术优势已经比较明确，下一阶段的难点不在实验室性能，而在工程化。只有同时解决尺寸、成本、良率和封装协同，金刚石才可能从高性能材料样品，进入AI芯片的规模化散热体系。

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