AI芯片高热流时代来临,散热需求升级驱动金刚石材料进入爆发期

AI芯片散热需求升级，对传统散热材料与封装结构提出挑战

芯片散热能力由材料体系与封装结构共同决定。

散热问题是当前制约英伟达Rubin架构及更高代际芯片量产的重要卡点，散热方案可行性及产业落地进度有望成为Rubin系列GPU量产的重要观察窗口。从材料端看，散热材料正由传统铜基材料向金刚石铜、纯金刚石等高导热材料替代；从封装结构看，封装方案正由有盖板(Lidded)的多层界面传热结构，向无盖板(Lidless）的少界面传热结构方向演进。

当前主流AI芯片多采用带盖封装（Lidded）结构，热量需经过芯片、TIM材料、散热盖板、外层TIM材料及外部散热器五个层级传导。无盖板（Lidless)结构则是将散热衬底与芯片进行压接或键合，结构上简化了其中1层TIM和散热盖板，简化为3层路径，该设计有望显著降低界面间热阻。

高热流密度背景下，传统铜基散热方案亟待升级。

单卡功耗提升叠加更小制程导致芯片热流密度急速上升，英伟达GB200热峰值功耗已达到2000W以上，未来Rubin架构芯片等高端GPU热流密度迈向500W/cm。在此背景下，传统铜基散热片和多层封装结构逐渐暴露出导热能力不足、热膨胀系数不匹配、界面热阻累积等问题。在高热流密度场景下，传统散热方案主要面临三方面瓶颈：

铜基材料导热能力已接近性能天花板。铜基材料热导率约为400W/m·K，已难以持续满足下一代高功耗AI芯片的超高热量密度散热需求。

高温状态下，铜与芯片热膨胀系数（CTE）的不匹配风险会进一步放大。铜基材料热膨胀系数约为14×106K，而硅基芯片热膨胀系数约为2-3×106/K，二者相差约6倍；在高温和频繁热循环环境下，材料膨胀收缩差异将导致界面应力累积，易引发焊点疲劳、芯片开裂分层等可靠性问题。

高温状态下，现有热界面材料（TIM）可靠性下降。Tim材料起到导热、填充界面缝隙的作用，常规TIM例如导热硅脂热导率多处于1-10 W/m·K级别，即使高端TIM如液态金属/铟箔：可做到10~80 W/m-K。高热流密度下TIM可能出现泵出、移位，导致热阻上升。

金刚石材料有望成为解决AI芯片散热难题的可行方案之一。

金刚石及金刚石铜材料与传统铜材料相比具有高热导率、热膨胀系数低、高稳定性等特性。

热导率：金刚石热导率可达2000W/m·K以上，约为铜、银的4-5倍；金刚石铜兼具铜与金刚石特性，热导率可达600-900W/m·K，显著高于传统铜基材料400W/mK的导热能力。

热膨胀率：金刚石热膨胀系数约1-1.1×10-6/K，金刚石铜则在4-8×10-6/K，铜材料在14×10-/K;相比金刚石及金刚石铜材料在持续高温环境下表现更为稳定。

稳定性：金刚石及相关材料中碳分子占比高，因此金刚石与金刚石铜相较铜材料具备更强的耐高温和化学稳定性。

结合目前产业发展阶段，我们认为金刚石铜散热片有望率先切入产业应用。

从应用方向看，金刚石及金刚石铜主要可用于制作散热片和衬底。短期看，散热片与现有Lidded封装工艺兼容性更高，有望率先开启应用；材料选择上，金刚石铜凭借高可用性、低成本和工艺兼容性，有望率先进入产业化阶段。长期看，纯金刚石导热性能天花板更高。

金刚石铜材料性能造配目前产业需求：金刚石铜热导率600-900W/m-K，适配当前主流高功耗AI芯片散热，纯金刚石散热片散热性能现阶段过剩，但长期看仍是高端散热的必选材料。

金刚石铜材料目前成本优势显著：纯金刚石需依赖CVD设备制备，设备投入大、能耗高、大尺寸良率受限；金刚石铜则是通过金刚石微粉或颗粒与铜材料复合制备，综合成本相对更低。

金刚石铜散热片更易于当前工程化应用：金刚石铜散热片形态接近现有铜盖板，加工性能和封装工艺兼容性较强，同时可进行微通道等加工：金刚石散热片脆性较大，对加工精度和使用环境要求更高，而金刚石衬底目前量产工艺难度仍然较大。

金刚石铜材料制备难度主要为前道材料预制：金刚石铜目前主流采用熔渗法，其核心难点在于解决铜与金刚石互不浸润的问题，需将金刚石颗粒进行金属化镀层。而制备镀层均一性高的颗粒是目前批量化生产的难点；若制备颗粒均一性差，后期金刚石铜材料的致密化与导热均匀性难以保证。

2030年金刚石散热片市场规模有望超500亿元，国内企业有望乘AI大浪潮实现金刚石应用产业突围。

中国具备显著金刚石产业链优势。我国人造金刚石产量占全球的95%，但存在传统产品（加工工具、微粉等）占比高，高端功能化应用材料占比低的特点；对比看海外头部金刚石企业如Element6等已在半导体、光学等功能化应用领域形成稳定布局。我国具备金刚石原材料、设备、能源等显著优势，产业规模效应带来成本竞争力,未来有望乘AI大浪潮实现金刚石功能应用产业突围。

根据我们测算，中性预测下2030年全球金刚石散热片市场规模有望达到592亿元。按照保守/中性/乐观三种情景进行测算，中性预测下2026年全球高端AI芯片用金刚石散热片市场规模有望达到87亿元，2030年有望快速增长至592亿元，CAGR超过50%。金刚石衬底材料生产壁垒更高，价值量更大，若未来应用推广有望进一步拓展金刚石散热市场规模。