金刚石散热是 AI 散热前沿方向

AI 芯片功耗提高，金刚石散热成为未来重要解决方案。随着 2.5D/3D 异构集成技术（如 CoWoS、SOIC）的普及，芯片内部的热流密度呈指数级上升。局部热点不仅会导致漏电流增加，更会引发电迁移和热应力，严重影响芯片寿命和算力释放。在众多导热材料中，金刚石凭借其优异的物理特性脱颖而出：

• 极高的热导率：室温下，CVD 单晶金刚石的热导率可达 2200 W/(m·K)，是铜（401W/(m·K)）的 5 倍以上，是硅（149 W/(m·K)）的近 15 倍。

• 优异的绝缘性：金刚石具有极高的电阻率和击穿电压，使其能够直接贴装在裸片表面，而无需额外的绝缘层。

• 低热膨胀系数（CTE）：金刚石的 CTE 约为 1.1 ppm/K，与硅（2.6 ppm/K）较为接近，能够有效降低热循环中的热应力。

NVIDIA GPU 功耗演进趋势与散热材料热导率对比

数据来源：半导体产业研究

金刚石散热的技术路径包括四种：CVD 金刚石热沉片、金刚石/金属复合材料、CVD金刚石涂层、金刚石材料与微通道液冷集成散热。

金刚石散热的四大技术路线

数据来源：半导体行业研究

金刚石热沉片

通过化学气相沉积（CVD）法，在特定衬底上生长出一层多晶或单晶的金刚石薄膜，将其加工成薄片，并作为均热板（Heat Spreader）直接集成在发热元件上，其核心作用是将芯片表面的局部高温热点迅速扩散到更大面积上，再传递给次级散热器，从而极大降低热流密度。

金刚石热沉片

数据来源：芯聚能科技

金刚石/金属复合材料

将高导热的人造金刚石颗粒与金属基体通过特定的工艺复合，形成一种全新的固体材料，热量通过金刚石颗粒进行高效传导，金属基体则负责将热量在不同金刚石颗粒间传递，并提供了良好的可加工性和焊接性。

金刚石铜/铝复合材料

数据来源：芯聚能科技

CVD 金刚石涂层

该技术直接在需要散热的部件（基底）表面，通过 CVD 工艺沉积一层多晶金刚石薄膜，这层薄膜可以显著增强基底表面的热扩散能力。

金刚石材料与微通道液冷集成散热

例如金刚石-SiC 复合冷板，结合了液冷微流道与金刚石材料，为超高功率（>1kW）芯片提供系统级散热解决方案。

热膨胀系数不匹配导致“翘曲”。金刚石与硅（Si）、碳化硅（SiC）等芯片常用衬底的热膨胀系数差异较大。通过 CVD 工艺在异质衬底上高温生长出来的金刚石，在降温剥离时内部会积聚巨大的应力，导致毫米甚至厘米级的形变。这种微小的翘曲对于纳米级精度的 AI 芯片晶圆工艺是致命的，会导致后续的抛光、切割、金属化等工序良率暴跌。

高额的“界面热阻”。如果金刚石无法与芯片实现原子级的紧密键合，中间微小的缝隙或常规导热膏（TIM）就会变成新的散热瓶颈。如何实现低应力、无缝的原子级键合，直接决定了其散热性能能否真正体现出来。

材料加工难。金刚石是自然界中硬度最高的物质，这导致对其进行后道加工极其困难。超精密表面减薄与抛光极慢：为满足半导体产线需求，金刚石晶圆的表面粗糙度通常需要控制在 Ra < 1nm。因为太硬，常规的机械抛光效率极低，需要采用昂贵的化学机械抛光（CMP）或等离子体抛光，加工周期长，产能受限。切割与金属化困难：将大尺寸金刚石晶圆切割成适配 GPU 核心大小的微型热沉时，常规刀具完全失效，必须依赖精密激光切割。但在激光高温作用下，金刚石容易转化为石墨（碳化），导致边缘精度的控制难度和报废率极高。

经济性难点。虽然多晶金刚石（PCD）已经在向 4 英寸、8 英寸晶圆迈进，但热导率 2000W/m·K 以上的高质量、大尺寸金刚石制备成本依然较高。虽然采用金刚石散热可以使芯片整体温度降低、能耗下降，但前期昂贵的材料引入成本和低良率带来的溢价，让很多下游服务器厂商和云服务商在算力 ROI（投资回报率）上感到压力。

金刚石散热较为早期，各家公司都处于早期技术研发、测试阶段，收入体量较小。

随着金刚石散热在 AI 芯片散热领域的应用前景愈加明晰，全球产业链正加速布局。美国企业在直接键合和系统级应用上占据先发优势，而中国大陆企业则依托在超硬材料领域的深厚积累，迅速向半导体级金刚石转型。

数据来源：半导体产业研究

数据来源：半导体产业研究

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