液冷散熱行業系列報告：金剛石材料——高效散熱破局之選.pdf

液冷散熱行業系列報告：金剛石材料——高效散熱破局之選。核心觀點：隨著半導體產業更先進制程邁進，芯片尺寸縮小而功率激增，“熱點” 問題突出，芯片表面溫度過高會導致安全性和可靠性 下降，催生對高效散熱方案的需求。金剛石是理想散熱材料，熱導率可達2000W/m?K，是銅、銀的 4-5 倍，也是硅、碳化硅等半導體材 料的數倍至數十倍，且兼具高帶隙、極高電流承載能力、優異機械強度與抗輻射性，在高功率密度、高溫高壓等嚴苛場景中優勢顯著。 其應用形式包括金剛石襯底、熱沉片及帶微通道的金剛石結構，可適配半導體器件、服務器 GPU 等核心散熱需求。在制備上，化學氣相 沉積法（CVD）為主流，可生產單晶、多晶、納米金剛石，國內外企業已開發相關產品。伴隨算力需求提升與第三代半導體發展，未來 金剛石在高端散熱市場空間廣闊。

芯片“熱點”問題亟待解決。隨著半導體產業遵循著摩爾定律逐步向2納米、1納米甚至是埃米級別邁進，尺寸不斷縮小，功率不斷增大， 帶來了前所未有的熱管理挑戰。芯片在運行過程中會產生大量熱量，若散熱不及時芯片溫度將急劇上升，進而影響其性能和可靠性。芯 片內部熱量無法有效散發時，局部區域會形成“熱點”，導致性能下降、硬件損壞及成本激增。

金剛石是良好的散熱材料。傳統金屬散熱材料（如銅、鋁）雖然導熱性能較好，但其熱膨脹系數與高導熱、輕量化要求難以兼顧。金剛 石作為一種散熱材料，它的熱導率可以達到2000W/m·K，是硅（Si）、碳化硅（SiC）和砷化鎵（GaAs）熱導率的13倍、4倍和43倍，比 銅和銀的熱導率高出4-5倍。在熱導率要求比較高時，金剛石是唯一可選的熱沉材料。金剛石作為散熱材料主要有三種應用方式：金剛石 襯底、熱沉片以及在金剛石結構中引入微通道。

金剛石作為半導體襯底材料優勢顯著。1）高熱導率：金剛石在目前已知材料中熱導率最高，能在高功率密度設備中有效散熱。2）高帶 隙：金剛石的帶隙約為5.5eV，能夠在高溫、高電壓環境中穩定工作，特別適用于高溫/高功率電子設備。3）極高的電流承載能力：金剛 石的電流承載能力遠超傳統半導體材料，能適應高電流應用。4）優異的機械強度：金剛石的硬度和抗磨損性使其在苛刻的工作條件下能 夠保持穩定性能，增加器件的可靠性和壽命。5）抗輻射性：金剛石的抗輻射性使其適合用于空間、核能等高輻射環境中。