AI时代散热迎来“金刚石解法”:专家共话材料、器件与应用

本期大师课汇聚来自厦门云天半导体科技有限公司、阿基米德半导体（合肥）有限公司、西安电子科技大学、郑州大学的四位产业与科研一线专家，围绕金刚石散热片集成创新、功率半导体应用、金刚石材料生长与电子器件、微纳光学元件及其应用展开深度分享，与线上行业同仁共同探讨金刚石材料从生长制备、器件集成到散热与光学应用的技术进展，以及从基础研究迈向工程化和产业化应用的关键路径。

于博士指出，随着AI芯片功耗从400W不断向千瓦乃至万瓦级演进，传统依靠Bump、布线和顶部热沉导热的散热路径正逐渐逼近极限。面向未来高热流密度芯片，需要重新构建散热通道，探索金刚石中介层、芯片背面贴附金刚石热沉、微流道液冷，以及在硅通孔中沉积金刚石等方案，实现热量更快速、更高效地导出。

不过，金刚石具备高热导率，并不意味着能够直接转化为芯片的实际散热能力。于大全强调，芯片与金刚石之间的界面热阻，是材料走向工程应用必须突破的核心难点。为此，团队正推进低温生长与键合工艺研究，目标将工艺温度降至400℃以下，并通过纳米金属层键合技术改善界面质量、降低热阻。

在异质集成方面，厦门大学团队已实现65颗硅芯片与4英寸金刚石晶圆的集体键合，相关2.5D封装验证中芯片结温降低超过24℃。此外，团队开发的碳化硅—金刚石复合材料热导率达到700—800 W/(m·K)，部分样品突破1000 W/(m·K)，其热膨胀系数与硅接近，并在−55℃至150℃的500次热循环测试中保持良好稳定性。

这些研究成果表明，金刚石正从单一高导热材料，逐步走向与芯片、封装和冷却系统深度融合，为AI算力芯片及航空航天等高可靠性应用提供新的散热路径。

周博士指出，随着功率器件向高功率密度、高频化与高可靠性方向发展，未来5年相关功率密度需求预计提升1.3—8倍，封装所面临的挑战也由单一散热问题，转向电、热、力多物理场耦合。传统封装的杂散电感可达几十纳亨，已难以充分发挥高频器件的性能优势。将芯片埋入PCB的嵌入式封装，有望将杂散电感降至2纳亨以下，并有效降低开关损耗，成为高集成、低杂感封装的重要方向。

不过，大功率嵌入式封装走向量产仍需跨越多重门槛，包括埋入芯片后无法返修所带来的良率风险、高压绝缘与局部放电、多芯片并联均流，以及高功率密度下的散热难题。

针对热管理需求，周博士重点分析了金刚石材料在功率模组中的应用价值。单晶和多晶金刚石性能优异，但成本约为复合材料的1000—2000倍，短期内大规模产业化仍有难度。相比之下，金刚石—碳化硅等复合材料在导热性能、可靠性与成本之间取得更好平衡，更具落地潜力。

从系统层面看，采用金刚石复合材料替代氮化铝等传统陶瓷基板，可使模块输出功率提升约33%，并将并联芯片数量由8颗减少至6颗，以材料升级带动芯片减量和模组降本。阿基米德半导体三电平模块Demo进一步显示，采用金刚石材料后，模组热阻平均降低49.3%，最高降幅达到55%。

周博士表示，金刚石的价值不应只看单一材料成本，而应从功率密度、芯片数量和系统成本综合评估，这也为其在功率半导体封装中的产业化应用提供了新思路。

西安电子科技大学 教授 任泽阳博士带来《金刚石材料生长和电子器件应用》的主题报告。

任博士指出，缺少低成本、大尺寸衬底，是限制金刚石半导体产业发展的关键问题之一。针对单晶尺寸受限的难题，团队采用马赛克拼接技术，已实现2英寸单晶金刚石稳定生长，并初步完成3英寸拼接。同时，团队还在探索蓝宝石、硅等衬底上的异质外延生长，希望进一步突破单晶金刚石的尺寸限制，为规模化制备和器件应用奠定基础。

在材料质量及探测器应用方面，团队自主制备的单晶金刚石已接近国际先进水平，基于该材料开发的探测器电荷收集效率超过97%，展现出在辐射探测等领域的应用潜力。

面向电子器件性能提升，团队围绕金刚石不同晶向及表面终端结构开展探索。基于（111）晶向金刚石研制的微波功率器件，实现了1.35A/mm的高电流密度，微波输出功率密度达到3W/mm以上；通过复合终端结构设计，相关高压功率器件的击穿电压超过1kV，工作电压可达200V，进一步验证了金刚石在高频、高压器件中的性能优势。

此外，团队开发了可在400℃以下生长的纳米晶金刚石薄膜，并将其用于氮化镓器件表面钝化。测试结果显示，该方案可使器件散热效率提升35%—40%，并有效缓解有源区热量积聚。

从大尺寸材料制备到器件性能验证，再到与氮化镓的异质集成，任泽阳团队的系列研究为金刚石半导体突破材料与工艺瓶颈、加快走向实际应用提供了重要支撑。

以金刚石微纳光学元件拓展极端环境应用边界

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郑州大学 副教授 李鎏博士带来《金刚石微纳光学元件及其应用研究》的主题报告。

李博士指出，金刚石兼具高硬度、高热导率、宽光谱透过、化学稳定及抗激光损伤等优势，是极端环境光学元件的理想材料。实验显示，金刚石超透镜在经历王水、强碱浸泡及喷砂处理后，仍能保持完整结构和稳定的成像功能，展现出面向深空探测等恶劣环境的应用潜力。

在温度适应性方面，金刚石超透镜在−100℃至500℃的宽温域范围内，其点扩散函数等关键指标几乎保持不变。相比之下，传统二氧化钛或硅基透镜容易因温度变化产生明显的热诱导相差。这一特性使金刚石光学元件能够适应高温、低温及温度剧烈变化的应用场景。

面向特殊波段应用，金刚石在220—280nm日盲紫外波段具有较高透过率，折射率约为2.4，可用于导弹跟踪、火灾预警和非视距通信等领域，实现高信噪比成像。在30W高功率激光照射下，金刚石超透镜的焦点未出现明显漂移，而传统物镜的焦点漂移可达200μm，显示出其在高功率激光系统及光镊操控中的优势。

加工方面，团队已建立较为稳定的金刚石微纳加工流程，可实现40nm线宽和10∶1深宽比的结构刻蚀，并积极探索纳米压印技术，以提升加工效率、降低制造成本。随着单晶金刚石衬底价格持续下降，未来几年1cm×1cm尺寸衬底的价格有望降至百元以下。

从耐极端环境到特殊波段成像，再到高功率激光操控，金刚石微纳光学元件正展现出广阔的应用前景。

本期大师课设置了互动问答环节。线上观众围绕金刚石散热路线、材料选择、异质集成、可靠性验证及微纳光学加工等问题，与四位嘉宾展开深入交流。

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