液冷散热行业系列报告：金刚石材料——高效散热破局之选.pdf

液冷散热行业系列报告：金刚石材料——高效散热破局之选。核心观点：随着半导体产业更先进制程迈进，芯片尺寸缩小而功率激增，“热点” 问题突出，芯片表面温度过高会导致安全性和可靠性 下降，催生对高效散热方案的需求。金刚石是理想散热材料，热导率可达2000W/m・K，是铜、银的 4-5 倍，也是硅、碳化硅等半导体材 料的数倍至数十倍，且兼具高带隙、极高电流承载能力、优异机械强度与抗辐射性，在高功率密度、高温高压等严苛场景中优势显著。 其应用形式包括金刚石衬底、热沉片及带微通道的金刚石结构，可适配半导体器件、服务器 GPU 等核心散热需求。在制备上，化学气相 沉积法（CVD）为主流，可生产单晶、多晶、纳米金刚石，国内外企业已开发相关产品。伴随算力需求提升与第三代半导体发展，未来 金刚石在高端散热市场空间广阔。

芯片“热点”问题亟待解决。随着半导体产业遵循着摩尔定律逐步向2纳米、1纳米甚至是埃米级别迈进，尺寸不断缩小，功率不断增大， 带来了前所未有的热管理挑战。芯片在运行过程中会产生大量热量，若散热不及时芯片温度将急剧上升，进而影响其性能和可靠性。芯 片内部热量无法有效散发时，局部区域会形成“热点”，导致性能下降、硬件损坏及成本激增。

金刚石是良好的散热材料。传统金属散热材料（如铜、铝）虽然导热性能较好，但其热膨胀系数与高导热、轻量化要求难以兼顾。金刚 石作为一种散热材料，它的热导率可以达到2000W/m·K，是硅（Si）、碳化硅（SiC）和砷化镓（GaAs）热导率的13倍、4倍和43倍，比 铜和银的热导率高出4-5倍。在热导率要求比较高时，金刚石是唯一可选的热沉材料。金刚石作为散热材料主要有三种应用方式：金刚石 衬底、热沉片以及在金刚石结构中引入微通道。

金刚石作为半导体衬底材料优势显著。1）高热导率：金刚石在目前已知材料中热导率最高，能在高功率密度设备中有效散热。2）高带 隙：金刚石的带隙约为5.5eV，能够在高温、高电压环境中稳定工作，特别适用于高温/高功率电子设备。3）极高的电流承载能力：金刚 石的电流承载能力远超传统半导体材料，能适应高电流应用。4）优异的机械强度：金刚石的硬度和抗磨损性使其在苛刻的工作条件下能 够保持稳定性能，增加器件的可靠性和寿命。5）抗辐射性：金刚石的抗辐射性使其适合用于空间、核能等高辐射环境中。