2025年液冷散热行业系列报告：金刚石材料——高效散热破局之选

散热需求持续提升，“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、1.6纳米甚至是1.4纳米迈进，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。当电子设备温度过高 时，工作性能会大幅度衰减，当芯片表面温度达到70-80℃时，温度每增加1℃，芯片的可靠性就会下降10%。

金刚石具有优异的高导热性和低膨胀特性

金刚石作为一种散热材料，它的热导率可以达到2000W/m·K，是碳化硅（SiC）、硅（Si）和砷化镓（GaAs）热导率的4 倍、13倍和43倍，比铜和银的热导率高出4-5倍。在热导率要求超过500W/m·K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。

Akash Systems的钻石冷却GPU技术可以有效降低GPU热点温度10-20摄氏度，风扇速度减少50%，超频能力提升25%，并 延长服务器寿命一倍，预计可为数据中心节省数百万美元的冷却成本，同时温度降低高达60%，能耗降低40%。此外， Akash Systems还计划生产人造钻石晶圆，供Nvidia和高通等制造商用于芯片制造。

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5.5V，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。

陶瓷类封装材料具有气密性高、热膨胀系数低等优点，但成型温度高，导热性能差，不适合高频、大功率、超大规模集 成电路的封装。塑料类封装材料成本低，工艺简单，适合大规模生产，但密封性差、热膨胀系数高、热导率低。金属封 装散热材料中，Kovar合金和Invar合金虽然能够适应芯片的热膨胀系数，但导热性能较差，AI、Cu以及Mo-Cu和W-Cu等 虽然导热性能好，但与芯片的热膨胀系数不匹配，容易引起热应力，导致芯片失效。

复合封装散热材料通常以金属作为基体加入增强相，铜本身热导率较高，化学稳定性较好，结合金刚石高热导率和低膨 胀系数，金刚石金属基复合材料兼具了金刚石的高导热性、低密度、低热膨胀系数等优异特性，且与新一代芯片具有良 好的热匹配性能，具有非常广泛的应用前景。

大尺寸金刚石制备以化学气相沉积法为主

全球人造金刚石行业主要有高温高压法（HTHP）和化学气相沉积法（CVD）两种制备方法。其中，CVD法因其耐高压、 大射频、低成本、耐高温等优势，成为制备金刚石半导体衬底的主流方法。

单晶金刚石：CVD法人造单晶金刚石通过晶圆拼接技术，可以制成大面积的单晶晶圆，作为半导体芯片衬底，能够彻底 解决散热问题，并充分发挥其多项超强物理和化学特性。多晶金刚石：多晶金刚石在高功率芯片、电子器件散热等方面 表现出色。

CVD法根据衬底的不同，可分为：①异质外延法：在不同的材料表面生长金刚石薄膜。②同质外延法：在金刚石衬底上 继续生长金刚石，获得高质量的单晶金刚石。

化学气相沉积（CVD） 因能制备高品质、高性能的金刚石材料，成为当前金刚石薄膜与涂层的主流制备技术。根据厚度 与功能差异，CVD金刚石可分为两类：金刚石薄膜：厚度通常为纳米至几十微米，是独立功能层，具备结构完整性和自 支撑剥离特性，适用于光学元件、量子传感器等对厚度精度要求高的场景；金刚石涂层：厚度为1微米至几百微米，直 接沉积于基体表面，强调与基体的结合强度，核心作用是提升基体的耐磨性、耐腐蚀性，典型应用包括机械刀具、生物 植入体。

气体输送与活化：将CH₄和H₂等气体通入反 应腔室，通过热丝、等离子体或火焰燃烧等 方式激发，生成含碳活性基团和氢自由基。

表面吸附与分解：活化后的基团到达基底表 面并发生吸附和化学反应，形成金刚石结构 所需的sp³杂化碳原子，同时氢自由基能够去 除石墨等非金刚石相。

成核与生长：当表面活性碳原子浓度达到临 界值时，开始形核，并不断通过sp³键合形成 纳米团簇，最终实现晶体的稳定生长。

我国金刚石制品产业分布情况

我国金刚石制品产业主要分布在河南、山 东、江苏等地。这些地区拥有较为完善的 金刚石制品产业链和配套体系，具有较强 的生产能力和市场竞争力。河南的金刚石 单晶产量占全国的80%，其中中南钻石、 黄河旋风、郑州华晶、力量钻石等企业占 据全国近70%的市场份额。此外，商丘柘 城微粉产业集群也占据国内微粉市场的较 大份额。

金刚石精密加工工艺

半导体衬底材料要求具有亚纳米级的表面粗糙度及超低的表面/亚表面损伤。金刚石精密加工主要环节包括：切割： CVD单晶金刚石的切割主要依靠激光切割技术。研磨与抛光：单晶金刚石的表面粗糙度和面形精度需要满足功能器件的 高精度要求，对英寸级单晶金刚石进行高精度研磨与抛光是一个技术难题。

金刚石加工工艺：激光抛光加工、离子束抛光加工、热化学抛光加工、摩擦化学抛光加工、机械抛光加工、化学机械抛 光加工（CMP）。CMP方法在平坦化大尺寸金刚石材料和实现超光滑、低损伤表面方面具有优势，但其去除率低仍是限 制其应用的主要瓶颈。

金刚石复合材料

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。金刚石因其导热 率可超过1000 W·m⁻¹·K⁻¹，被认为是理想的增强相材料。

芯片主动散热通过在芯片外部封装增加散热器，其中微通道液冷凭借出众的性能脱颖而出。最新的“片上微通道冷却” 技术，直接在基板上加工微通道结构并通入液体，实现芯片级主动冷却。金刚石拥有超高热导率，且线膨胀系数低，与 铜复合形成的金刚石铜复合材料，不仅线膨胀系数大幅降低，热导率更远超钨铜、金刚石铝等传统复合材料，完美契合 第三代半导体的热管理需求。

金刚石薄膜生产技术——香港大学

目前，超薄金刚石主要通过切片大块金刚石或在异质基底上通过CVD（化学气相沉积）生长获得。但CVD法无法获得与 硅基半导体技术完全兼容的大面积、分层形式的金刚石膜；切片法可以产生高质量的单晶金刚石，但该方法不适用于工 业应用，因为所获得膜的尺寸和表面粗糙度受到激光和聚焦离子束处理的限制。

北京大学联合研究团队成功开发了切边后使用胶带进行剥离金刚石膜的方法，能够大量制备大面积（2英寸晶圆）、超 薄（亚微米厚度）、超平整（表面粗糙度低于纳米）、超柔性（可360°弯曲）的金刚石薄膜。制备的高品质薄膜具有 平坦的可加工表面，能够允许进行微纳加工操作，超柔性特点使得能够直接用于弹性应变工程，以及变形传感应用，这 是更厚的金刚石薄膜无法实现的。

超薄金刚石膜主要通过切割大块金刚石或在异质衬底上用CVD法生长获得。切割方法虽能产生高质量单晶金刚石，但尺 寸和表面粗糙度受限，不适合工业应用。异质生长可控制厚度，但金刚石和硅（Si）生长衬底之间的晶格失配往往会形 成一种多晶金刚石，使膜面变得粗糙，导致与微加工/纳米加工、异质集成和散热管理不相容。虽然机械和化学抛光可以 有效地使膜变平，但将膜从生长基底中分离出来仍然需要复杂的程序，如等离子体蚀刻和硅基板的化学侵蚀。此外，蚀 刻策略的制造时间长，膜尺寸有限（通常最多毫米），使得大规模生产具有挑战性。

华为钻石散热专利

2024年12月，华为申请公布使用金刚石散热层的半导体器件专利。在申请的半导体器件中，钝化层位于第一外延层和金 刚石散热层之间，钝化层朝向金刚石散热层的一侧表面设置有凹槽，该结构不仅可以增加金刚石散热层与钝化层的接触 面积，从而增加金刚石散热层与钝化层之间的结合力，还可以减小栅极与金刚石散热层之间沿半导体器件的厚度方向的 热扩散距离，大幅提高半导体器件的散热效率。2023年10月，华为与哈尔滨工业大学联合申请公布一项专利《一种基于 硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法》。通过采用混合键合方法，可以实现硅和金刚石的高效集成，将芯片产生 的热量快速地导出，并减少热阻，从而提高芯片的散热效率，提高芯片的性能和可靠性。

报告节选：

编辑：火腿肠