液冷散热行业系列报告二：金刚石材料——高效散热破局之选

液冷散热系列报告二：金刚石材料——高效散热破局之选证券研究报告公司动态研究发布日期：2025年10月21日本报告由中信建投证券股份有限公司在中华人民共和国（仅为本报告目的，不包括香港、澳门、台湾）提供。在遵守适用的法律法规情况下，本报告亦可能由中信建投（国际）证券有限公司在香港提供。同时请务必阅读正文之后的免责条款和声明。分析师：于芳博yufangbo@csc.com.cnSAC编号：S1440522030001分析师：庞佳军pangjiajun@csc.com.cnSAC 编号:S1440524110001分析师：孟龙飞menglongfei@csc.com.cnSAC 编号:S1440525070005摘要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。 风险提示：AI发展不及预期；新产品市场开拓风险；宏观经济波动风险；政策与标准变化。 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%。散热需求持续提升，“热点”问题亟待解决图：芯片“热点”可能产生的影响资料来源： ECTC，中信建投图：芯片内部存在“热点”问题3过高的温度会导致芯片性能下降，甚至出现死机等故障极端情况下，过热可能引发火灾等安全事故过多的电力消耗不仅增加了运营成本，还加剧了能源危机高温会加速电子元件的老化，缩短设备的使用寿命 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。金刚石具有优异的高导热性和低膨胀特性图：金刚石在半导体封装中的应用案例4 资料来源： ECTC，中信建投 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。金刚石具有优异的高导热性和低膨胀特性图：导热率最高的前10名材料（W/m·K ）资料来源： 化合积电，Naxau，中信建投图：金刚石材料特性02004006008001,0001,2001,4001,6001,8002,000钻石银铜金氮化铝碳化硅铝钨石墨锌5 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。金刚石具有优异的高导热性和低膨胀特性图：电子封装结构示意图资料来源：《金刚石具有优异的高导热性和低膨胀特性》，中信建投图：芯片及常用电子封装材料及性能类型材料热导率 (W/(m·K))热膨胀系数 (10^-6/K)密度 (g/cm³)Si1504.12.3GaAs395.85.3Al₂O₃206.753.9AlN170-320173.5环氧树脂0.215.810.2聚四氟乙烯0.1202.15Al23823.62.7Cu40017.68.96Invar111.38.1Kovar175.98.3W-15Cu2157