金刚石散热行业: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

核

心

观

点

►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/cm2。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:

1、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。

2、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14×10−6/K，而硅基芯片热膨胀系数约为2-3×10−6/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。

3、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1–10W/m·K级别，即使高端TIM如液态金属/铟箔:可做到10~80W/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。

1、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/m·K的导热能力。

2、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14×10−6/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。

3、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。

1、金刚石铜材料性能适配目前产业需求: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。

2、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。

3、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;纯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。

4、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。

►投资建议：目前金刚石散热行业处于产业初期，国内外企业积极推进相关散热产品研发及下游客户导入。目前国内相关金刚石企业正积极扩产提升大尺寸金刚石材料制备能力，对接海内外头部客户，以应对未来可预见的AI金刚石散热浪潮。随着产能扩产和研发投入，未来2-3年纯金刚石散热产品价格有望大幅降低，正式进入规模化应用阶段。

►建议关注:四方达、国机精工、惠丰钻石、沃尔德、中兵红箭、黄河旋风、力量钻石等;

►风险提示:技术发展不及预期、材料成本高居不下带来的需求不及预期、下游落地场景拓展不及预期、行业规模测算偏差风险研报使用的信息存在更新不及时风险。

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