金刚石：热管理领域的“终极材料”

 01 金刚石热管理材料 

 目前金刚石材热管理领域主要以单晶金刚石、金刚石铜以及金刚石铝、金刚石/SiC基板以及作为金刚石微粉等几种体系为主，各自对应不同的应用场景和性能需求。 

 （1）单晶金刚石 如果说金刚石是热管理领域的“终极材料”，那么单晶金刚石就是这场竞赛中的“冠军”。它的热导率可达到惊人的 2000~2200 W/m·K（天然金刚石），远超铜（约400 W/m·K）和铝（约240 W/m·K）。这种极高的导热能力意味着，单晶金刚石可以在极短时间内把芯片产生的热量传导出去，显著降低器件的工作温度。 除了导热率，单晶金刚石还有其他独特优势： •  电绝缘性高：天然绝缘材料，不会引入短路风险；  •  硬度极高：机械强度强，耐磨损，适合复杂封装和精密加工；  •  热稳定性优异：可耐高温环境，性能随温度变化小。 

   单晶金刚石的高导热特性，使其在高端电子器件散热中极具吸引力。在AI数据中心、激光器热沉、高功率器件、微波器件等领域有着广阔的应用潜力。虽然单晶金刚石性能卓越，但要大规模应用仍有难点：如高质量单晶金刚石价格昂贵，限制了大面积应用；制备尺寸受限，难以覆盖大面积散热需求；金刚石与金属或半导体的接触界面传热效率可能成为瓶颈，需要特殊界面处理。简而言之，虽然单晶金刚石是“性能之王”，但在成本、加工和界面工程上仍需不断突破。 

 （2）金刚石-铜 / 金刚石-铝复合材料 通过将金刚石优异的导热性能与金属相结合，制备高导热的金刚石复合材料成为当前散热材料研究的趋势之一。1995年，美国率先开发了一种名为Dymalloy的金刚石/Cu复合材料，其热导率为 420 W/mK。但正是由于复合材料界面问题多、制备工艺复杂、成本高昂，最终无法走向市场。 

 A：金刚石/铜 如果说单晶金刚石是“性能之王”，那么金刚石-Cu复合材料就是“高性能实用派”。它通过在铜基体中引入高导热金刚石颗粒，实现了高导热与良好加工性的平衡，典型导热率可达 600~W/m·K，同时热膨胀系数接近 SiC，有利于功率器件封装。 

 金刚石/Cu复合材料不仅显著提升导热性能，降低器件结温，还具备良好的加工性，可切割、焊接和机械加工，适合封装和散热器件。目前常用的金刚石/铜复合材料的制备工艺主要包括高温高压法，真空热压烧结法，熔体浸渗法， 放电等离子烧结法等，其优缺点如表所示 

 金刚石/Cu复合材料在芯片散热、高功率半导体封装、激光器及光通信模块热沉、航空航天高端微电子散热结构件等领域具有广泛应用，但界面热阻和成本仍是产业化的关键挑战。 

 B：金刚石铝 金刚石铝则偏向轻量化和高导热结合，通过在铝基体中引入金刚石颗粒，实现了高导热、轻量化和良好加工性，典型导热率约 500~W/m·K。相比金刚石-铜，其密度更低，适合航空航天、便携式高功率电子设备等对重量敏感的应用，同时通过调节金刚石含量可匹配器件材料的热膨胀系数。 

 工业上主要通过粉末冶金法，将金刚石粉末与铝粉混合高温压制烧结，或采用熔融浸渍法将铝液浸入金刚石骨架形成复合材料。粉末冶金法可以灵活调控含量，实现导热和膨胀优化，而熔融浸渍法则可获得界面热阻更低、导热更均匀的复合材料。金刚石-铝复合材料在航空航天电子散热、便携式高功率电子模块以及光通信模块和激光器热管理中展现出广阔应用前景，但界面润湿性、热稳定性和成本仍是制约大规模应用的关键因素。 

 （3）金刚/SiC复合基板 电子封装基板是芯片对外散热的直接通道，其导热能力直接决定了封装整体的散热性能。自集成电路诞生以来，半导体器件不断向大功率、高频率、微型化、轻量化、低成本和高可靠性方向发展，随之而来的高热流密度对封装基板提出了更高的导热要求。传统的铜基或陶瓷基板在面对现代功率半导体和高密度芯片时，往往难以兼顾高导热性与热膨胀匹配性，这就为金刚石/SiC复合基板的应用提供了广阔空间。 

 金刚石/碳化硅复合材料因其高导热、热膨胀系数匹配、密度低、稳定性好等特点，被认为是理想的电子封装材料。但由于制备困难、成本高、工艺不成熟，目前仍无法实现大规模应用。尤其是现有工艺难以直接制备满足封装基板要求的大尺寸、薄厚度的高导热金刚石/SiC复合材料，同时其高硬度和脆性也几乎无法通过后期机械加工满足精密尺寸要求。2025 年，Coherent Corp 推出一款金刚石/碳化硅陶瓷复合材料，专为人工智能数据中心和高性能计算（HPC）系统的先进热管理设计。这款专利材料热导率超过 800 W/m·K，性能是铜的两倍，同时与硅的热膨胀特性相匹配，主要应用于芯片散热、微通道冷板和半导体器件基板，为高密度电子器件提供高效可靠的散热解决方案。 

 02 金刚石半导体封装热管理解决方案 

 目前，常见的Si、SiC和 GaN等半导体材料热导率都相对较低，通常不超过 500 W·m-1K-1，而大功率电子器件功率密度可达 1000 W·cm-2；同时，不同功能区域间的功率密度差异会导致芯片内部温度分布的不均，局部热点甚至是芯片平均发热功率密度的 5~10倍。 

 金刚石片或膜是目前自然界存在的最高热导率热沉材料，有望将积累的热量有效导出，达到理想的散热效果，已被广泛认为是提高半导体器件散热能力的未来方案之一。无论是单晶金刚石，还是多晶金刚石，其热导率均远大于其他衬底材料，可作为替代其他散热衬底材料的更优方案。 

 金刚石与半导体器件的连接方式决定了散热效果的优劣。金刚石若能与半导体材料直接连接，则可充分发挥金刚石热导率高的特性，因此直连工艺研究一直是研究热点。金刚石与半导体的直接连接主要方式有：1）金刚石与半导体间通过沉积工艺实现直接连接；2）金刚石与半导体间通过低温键合实现直接连接。 

 在制备好的半导体器件上直接沉积一层金刚石膜或在器件正面沉积金刚石钝化层可以提高器件向上的散热能力，但热膨胀适配问题仍会导致外延层开裂。同时，CVD工艺沉积金刚石散热层时，一般需要在高温（＞700℃）及高浓度的氢等离子体氛围下，会严重刻蚀 Si、SiC 和 GaN等半导体，导致其电学等性能严重下降。 

 为了避免直接外延生长需要的高温和氢等离子体环境，先利用外延生长工艺在衬底上沉积半导体材料，然后去除衬底，并与金刚石衬底进行低温键合的方法得到广泛研究。无论是多晶金刚石，还是单晶金刚石，都可作为低温键合的热沉基板，这大大降低了制备金刚石衬底的难度；并且半导体外延层和金刚石热沉基板可在键合前独立制备，这精简了金刚石基半导体器件的工艺。 

 低温键合工艺虽然规避了外延生长的难点，但要求金刚石热沉基板和半导体外延层表面平整、翘曲度小、表面粗糙度低(＜1 nm)，这对目前加工工艺挑战较大。此外，直接键合时的压力大小和保压时间等难以有效控制，导致试样在键合过程中易破碎，良品率较低，尤其是大尺寸的试样更是难以实现，目前还在实验室探索阶段，仅在毫米尺度的小尺寸芯片上获得过成功，还无法大规模应用。 

 虽然金刚石散热片最理想的应用方式是与芯片直连，但利用金属进行芯片与基板间的间接连接封装，在半导体行业是一种较成熟的工艺。常用的工艺有使用焊料（锡铅或无铅）的软钎焊、使用低熔点中间层（如金锡共晶合金）的瞬时液相扩散焊和纳米银低温烧结等方式。 

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 常规纳米银需加压烧结，且烧结温度＞250℃，可成功应用于封装温度和使用温度均较高（通常大于250℃）的SiC和GaN等芯片连接，但无法适用于硅芯片的大面积低温连接。而纳米银的大面积低温无压和低温低压烧结技术，是纳米银烧结工艺中的研究热点和难点，也是未来的关键性研究方向。 

 03 未来散热终极方案：台积电与英伟达的战略路线 

 英伟达 Blackwell B300 的 TDP 已达 1400W，未来的 Rubin 架构性能将提升 14 倍，功耗逼近 2000W-5000W。 

 从芯片级和封装级两个层面看，目前英伟达在芯片级采用的是台积电的CoWoS-L/R/S的封装工艺，如下图所示为（关于CoWoS-L/R/S的介绍此前小编有介绍过，感兴趣的可以查阅下方链接）。在如此复杂的结构里热流通路不再是单一方向的导热，而是需要穿越多个功能层、封装材料和界面接触面。热路径中任何一层导热性能的不匹配，都可能导致局部热点、热阻叠加，进而限制芯片频率提升与长期可靠 

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 在目前英伟达采用的冷板式液冷的方案，典型的传热路径包括：硅衬底本身、金属互连层、TIM1（通常为铟或石墨材料）、封装盖板（Lid）、TIM2（如石墨片或超薄导热膏），以及最终的散热器或冷板。

 从两个角度来看，无论是芯片的内部的传热路径还是封装级由Lid-TIM-冷板，核心的问题还是界面的问题。整个传热的过程中涉及多层界面——硅衬底、金属互连、微凸块、底部填充、TIM等，由于这些分层的热界面，热量无法 100% 有效地传递到盖子上，从而导致局部“热点”。 这种累积热阻是限制芯片最大功率输出的主要因素之一。 

 （1）解决芯片热管理问题的核心之一就是缩短热路径并降低每层的界面热阻，可通过引入高导热材料以缩短热路径。例如金刚石薄膜/CVD金刚石、SiC 衬底、金刚石薄膜/CVD金刚石、铜-金刚石复合材料等，这些材料可以显着提高整体传热系数。 

 •  SiC衬底作为散热器碳化硅 （SiC） 具有 ~370–490 W/m·K 的高导热系数、优异的机械强度和高耐压性。作为散热基基板，它提高了热扩散和机械/电气性能，使其适用于未来的 >1 kW/cm² AI 芯片。    

    •  金刚石薄膜/CVD金刚石   导热系数约1000–2200 W/m·K — 远远超过硅 （~150 W/m·K） 和 SiC。用作散热夹层或涂层，直接沉积在芯片或封装表面。超低热阻，近乎瞬时的热点分散;非常适合>500 W/cm²的热通量场景。成本高、CVD 工艺复杂以及与铜或 SiC 的热膨胀 （CTE） 不匹配。   UNCD（超纳米晶金刚石）——由纳米级极细的晶粒组成。 NCD（纳米晶金刚石）——晶粒尺寸比 UNCD 稍大，但仍是纳米级。 微晶金刚石 – 由更大的颗粒组成，通常在微米范围内。 单晶金刚石 – 一种无晶界的整体、无缺陷结构。   晶体尺寸和热性能之间的这种明显相关性对于选择用于大功率电子冷却的金刚石材料至关重要。微晶和单晶金刚石对于下一代 AI/HPC 芯片散热器特别有前景。 

 •  铜-金刚石复合材料   

 金刚石/铜复合材料热管理方法显示出下一代大功率电子冷却的巨大潜力。通过使用液固分离技术将钛涂层金刚石颗粒掺入铜基体中，该复合材料在保持牢固的界面结合的同时实现了极高的导热性。 

 （2）通过增加热交换的有效表面积——通过更大的流体-固体接触面积增强对流传热。这促使业界探索了几种有前途的解决方案： •  微通道盖（MCL）： 将通道蚀刻在封装盖内表面，结合液体冷却，是 DLC 成熟前的关键过渡方案。英伟达也在2025年向供应商提出了关于开发MLCP技术的要求，预估下一代Vera Rubin搭载该技术；   •  直接液体冷却（DLC）： 台积电通过应用背面铜柱工艺，将微流控结构直接集成到芯片背面；   •  TIM 演变阶段： 导热硅脂 → 相变材料 → 金属焊料 → 纳米级直接键合，终极目标是“零界面”热阻；   

 台积电专注于发展TIM、硅集成微流控技术以及引入SiC/金刚石衬底，突破材料和先进封装的界限。NVIDIA强调MLCP、系统级液体冷却（Direct-to-Chip 和 Direct-to-Silicon）以及共同设计散热和封装架构。最终目标两家公司都在相同的目标上趋同：降低热阻和增加有效散热面积。使未来的 AI 芯片能够以更高的功率水平和更高的密度稳定运行。在人工智能计算时代，这种热管理的演变正变得与逻辑扩展本身一样重要。 

 该路线反映了台积电将冷却视为设计技术协同优化（DTCO/STCO）核心组成部分的观点，也标志着散热解决方案将从系统层面向下移动到芯片和封装层面的范式转变，并与工艺、封装和互连技术紧密集成。 

 04 最后 回望半导体发展的六十年，散热曾长期被视为封装后端的一项“辅助工程”。然而，当单颗芯片功耗冲击 5000W 的物理极限，散热技术已然从幕后走向台前，成为了定义算力天花板的核心变量。芯片散热已不再是单纯的“修补工作”，它正与晶体管架构、供电网络、光互连技术深度耦合成一个不可分割的整体。单打独斗的散热方案已成过去，跨领域的 STCO 协同优化 才是未来的唯一出路。 

 未来的芯片热管理，将是一场跨学科的协作革命：工程师、材料科学家与系统架构师需要打破边界，联合探索微观热流与宏观散热的平衡；新材料、新结构与新工艺必须同步设计，形成从原子尺度到系统级的全链路热优化方案。 

 只有这样，才能让下一代高性能芯片在极端功率密度下依然稳定运行，为AI算力、HPC以及下一代计算平台提供坚实保障。尽管当前人类尚未完全掌握所有答案，但随着材料科学、微纳制造与热分析算法的发展，这道束缚技术发展的“热墙”也会被技术人员层层瓦解。

近日，中共中央政治局常委、国务院副总理丁薛祥先后在北京、河北、内蒙古调研算力网建设。

他强调，要深入贯彻落实习近平总书记重要指示精神，按照“十五五”规划纲要部署，加强顶层设计和科学谋划，推进全国一体化算力网建设和集约高效利用，赋能经济社会高质量发展。  近日，中共中央政治局常委、国务院副总理丁薛祥先后在北京、河北、内蒙古调研算力网建设。这是5月17日，丁薛祥在内蒙古多云算力资源监测与调度平台听取算力设施规划汇报，详细了解算力资源调度等情况。 在北京人工智能公共算力中心和内蒙古多云算力资源监测与调度平台，丁薛祥听取算力设施规划汇报，详细了解算力资源调度等情况。他表示，算力是国家综合国力的重要体现，要统筹布局、有序建设，注重供需适配、算电协同，加快形成全国一张网。加强算力监测调度，提升算力接入和精准匹配能力，把分散的资源整合利用起来，有效满足多元化算力需求。当前各种传统和新型风险交织叠加，要强化底线思维，进一步提高设施、模型、数据、网络安全防护能力，增强算力系统整体韧性。  近日，中共中央政治局常委、国务院副总理丁薛祥先后在北京、河北、内蒙古调研算力网建设。这是5月17日，丁薛祥在中国移动呼和浩特智算中心调研企业参与算力网建设使用情况。 丁薛祥前往中国联通华北（廊坊）数据中心、中国移动呼和浩特智算中心和合肥智算呼和浩特基地，调研企业参与算力网建设使用情况。

他指出，我国数据资源丰富、应用场景广阔，要用好这些优势，协调推进算力设施建设、模型算法发展和数据资源供给，筑牢数智化发展底座。 坚持自立自强，营造良好创新生态，加强产学研用协同攻关，加快破解关键技术难题，制定完善标准规范，推动国产软硬件尽快从“可用”迈向“好用”，牢牢掌握发展主动权。坚持面向市场需求，突出应用导向，创新服务模式，促进算力提质增效、普惠易用。 内蒙古风光资源丰沛，绿色电力占比高。丁薛祥来到内蒙古电力集团和中金数据乌兰察布零碳算力基地，调研算电协同、低碳算力发展等情况。

他强调，算力用电需求快速增长对能源供给提出了更高要求，要统筹能源资源配置与算力设施建设，做到以电强算、以算促电。支持利用“源网荷储”等新型电力系统模式，探索推进绿电直连，积极推广节能技术，加强智慧能源管理，厚植一体化算力网发展的绿色底色。

今年以来国际能源市场出现较大波动，要扎实做好国内能源保供稳价工作，满足生产生活用能需求，确保经济社会平稳运行。

武汉大学刘胜（中国科学院院士、武汉大学集成电路学院院长）团队：金刚石直接键合取得新进展

随着AI芯片、3D封装和高功率器件的发展，芯片间互连和热管理问题正变得越来越关键。相比传统材料，金刚石因具有超宽禁带、高热导率、高载流子迁移率以及优异的化学稳定性，被认为是下一代半导体与热管理的重要候选材料。尤其在高功率电子器件、量子器件以及先进散热领域，金刚石的应用潜力受到广泛关注。 

 不过，要真正将金刚石应用于先进封装与异质集成，一个核心问题始终存在：如何实现高质量的金刚石界面直接键合。 

 近期，来自武汉大学刘胜研究团队在论文《Overcoming Nanoscale Roughness: Achieving Near-Bulk Strength in Direct Diamond Interface Bonding》中，通过分子动力学模拟系统研究了粗糙金刚石表面的直接键合机制。论文发表于期刊《Surfaces and Interfaces》。 

 研究指出，当前先进封装技术正在逐渐突破传统摩尔定律限制，3D-IC与异质集成成为重要发展方向，而直接键合技术由于无需中间层、界面热阻低、残余应力小，已成为高端微纳制造的重要方案。 但对于金刚石这种硬脆材料而言，其表面粗糙度对界面接触和共价键形成影响极大，原子尺度下的键合过程此前仍缺乏深入理解。 

 为此，研究团队构建了不同粗糙度的金刚石(001)表面模型，并利用LAMMPS平台开展分子动力学模拟。研究设置了Ra=0、0.2、0.4、0.6和0.8 nm等多种表面粗糙度，同时考察温度与外部压力对界面键合的影响。 

 研究发现，金刚石直接键合并非简单接触，而是经历了一个典型的“有序—无序—再有序”结构演化过程。界面在机械载荷和热作用耦合作用下，局部结构先发生无序化，随后逐渐形成稳定的C-C共价键，并最终重新趋于稳定有序结构。 这一过程伴随着系统能量持续下降，意味着界面稳定性不断提升。 

 其中，表面粗糙度被证明是决定键合效果的核心因素。模拟结果显示，当粗糙度从0.6 nm降低至0.4 nm时，界面形成能骤增275%，界面键合强度出现明显跃迁。 研究认为，0.4 nm是一个关键临界值：低于该值后，界面接触显著改善，共价键形成效率快速提升；而更高粗糙度则会导致大量空隙和局部应力集中，限制界面完整接触。 

 在工艺参数方面，研究进一步比较了温度和压力对键合的促进作用。结果表明，升高退火温度虽然能够提高界面键形成比例，但整体提升有限。即使退火温度从600 K提高至1500 K，键形成比例也�