金刚石散热行业深度：芯片集成化发展，推动材料应用新蓝海

华安证券研究所金刚石散热行业深度：芯片集成化发展，推动材料应用新蓝海华安机械分析师：王璐 S0010525040001 联系方式：wanglu1@hazq.com分析师：陶俞佳 S0010524100004 联系方式：taoyujia@hazq.com2026 年 01月27日证券研究报告敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所核心逻辑2Ø 高功率芯片散热问题亟待解决，金刚石材料具备优异性能有望广泛应用：• 航天航空、电子技术等领域飞速发展,推动芯片级和模块级电子设备向着微型化、多功能化、高功率密度方向发展。在芯片集成度提升及尺寸微缩发展态势下，芯片功能及性能进一步提升强化，但芯片功耗及发热量提升，随服役温度上升半导体元件失效率显著提升，相关研究表明，随着服役温度每上升18℃，半导体元件失效率就提高两到三倍，散热问题影响芯片性能亟待解决。AI芯片散热技术通过直接在芯片或处理器表面移除热量来优化设备性能并延长使用寿命，传统方案主要分为散热材料及散热技术两类，散热材料以热界面材料（TIM）、金属和陶瓷基导热材料为主，在散热技术方面，主要包含风冷、液冷、热管、VC均热板及散热器等多种方案。• 电子封装起到保护芯片和快速散热作用，因此电子封装材料需具备良好的导热性能、力学性能及可加工性能等各项物理性能，保证电子设备的稳定、可靠及安全运行。常见电子封装材料分为陶瓷材料、塑料材料、金属材料及复合材料四类，金刚石热沉材料天然热导率高达2000-2500W/(m.K)，达到铜的4倍、铝的8倍以上，同时其热膨胀系数与半导体芯片核心材料硅与碳化硅高度匹配，热学性能的高度相似确保金刚石热沉在经历上万次温度循环后仍能保持界面稳定，有效避免因热膨胀失配导致的界面脱层问题。Ø MPCVD法是制备半导体金刚石材料的较优方案：金刚石材料按照结构可分为单晶及多晶金刚石，两类材料在性能表现及应用等层面呈现区别。多晶金刚石多用于需要高导热性、红外透过性及耐磨性领域；单晶金刚石在电子器件可承受大功率、高效率、超高频工作方面展现出独有优势。金刚石合成工艺分为高温高压法和化学气相沉积法，高温高压法适合大规模合成金刚石，化学气相沉积法适合更精细可控的金刚石生长，面向半导体领域的晶圆级金刚石通过化学气相沉积（CVD）制备。在热丝法、MPCVD法及直流等离子体喷射法三类CVD方法中，MPCVD因没有电极污染而被认为是较优方案。Ø 随金刚石散热技术的进一步成熟有望持续推广商业化及规模化应用，根据我们的测算，保守估算下2032年金刚石散热市场规模有望达到97亿元。Ø 相关标的：沃尔德，四方达，国机精工Ø 风险提示：技术开发不及预期；下游客户产品接受及产品验证不及预期；新技术替代风险；市场需求波动风险；原材料成本大幅提升及原材料采购受阻影响生产风险；宏观环境风险；市场竞争加剧风险；汇率波动风险；研究依据的信息更新不及时，未能充分反映行业及公司最新状况的风险。目录1 金刚石材料：性能优异的芯片散热材料2 相关标的：沃尔德、四方达、国机精工3 风险提示敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所图表2 芯片的温度云图变化 资料来源：粉体圈，华安证券研究所高性能高集成芯片散热问题亟待解决4问题描述性能下降过高的温度会导致芯片性能下降，甚至出现死机、蓝屏等故障可靠性降低高温会加速电子元件的老化，缩短设备的使用寿命安全性隐患极端情况下，过热可能引发火灾等安全事故能源浪费过多的电力消耗不仅增加了运营成本，还加剧了能源危机在芯片集成度提升及尺寸微缩发展态势下，芯片功能及性能进一步提升强化，但芯片功耗及发热量提升，随服役温度上升半导体元件失效率显著提升，散热问题影响芯片性能亟待解决。• 航天航空、电子技术等领域飞速发展,推动芯片级和模块级电子设备向着微型化、多功能化、高功率密度方向发展。在民用领域，部分芯片工作时产生的热流密度高达150 W/cm2，机载雷达中数千个阵元的功率密度甚至高达1010 W/cm2。同时随着电子产品体积的减小、集成化程度的提高，其单位面积的产热越来越高。相关研究表明，随着服役温度每上升18℃，半导体元件失效率就提高两到三倍，所以设备的散热问题与其性能一样值得关注。图表1 芯片散热可能引起的问题资料来源：半导体行业观察，华安证券研究所敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所传统芯片散热的主要方式5芯片散热方式描述散热材料热界面材料（TIM）热界面材料（TIM）是用于涂敷在散热器件与发热器件之间，降低它们之间接触热阻所使用的材料的总称。由于器件制造公差和表面粗糙度的存在，器件之间通常会有微小的空隙。这些空隙含有空气，而空气是热的不良导体，常温下导热系数仅为0.026W/(m·K)。因此，导热界面材料（TIM）被用来填补这些空隙，排出空气，提供更好的热传导路径，降低界面热阻，从而提升散热效率。金属和陶瓷基导热材料金属导热材料（如铜、铝等）凭借优异的导热性，常用于极端环境下的芯片散热。金属的高导热系数使其能够快速将热量从发热源传递出去，适合高热通量应用场景。同时，金属材料具备较高的机械强度和抗热冲击能力，广泛应用于需要在恶劣环境下持续高效散热的AI芯片中。散热技术风冷目前芯片散热采用的最广泛方式是风冷，风冷散热是将冷空气吹过散热器或直接吹向芯片表面，进而将芯片产生的热量转移到空气中。风冷散热的优势在于系统设计简单，成本较低，安装方便，且应用广泛，也可以与热管/3DVC/冷管等组合使用。但风冷的散热效率受限于空气的热导率较低，在高负荷和密集运算的AI芯片中效果有限。液冷液冷技术通过将液体（如水或冷却液）作为传热介质，利用其高热容量和高导热性，将芯片产生的热量迅速带走。液冷系统通常由冷却液管路、冷板或散热片、泵和散热器组成，冷却液吸收热量后被送到散热器，再通过空气或水冷的方式散热。热管热管技术通过相变原理进行高效导热。热管内部包含导热液体，液体在靠近热源的部分吸收热量蒸发成气体，气体沿热管移动到冷端释放热量并凝结成液体，液体再通过毛细作用或重力回到热源端循环。这种循环使得热管能够迅速传导热量。VC均热板在热管的结构基础上，二维均温技术（VC均热板）、三维的一体式均温技术（3D VC均热板）被逐渐被开发。均热板与热管的原理相似，都是让冷却液吸收热源的能量，然后经过蒸发（吸热）、冷凝（放热）的相变过程，将热量分散导向外部。散热器散热器通过与芯片紧密接触，将芯片产生的热量传导到其自身。大多数散热器由高热导率的金属材料制成，如铝或铜，这些材料具有出色的热传导性能，能够迅速吸收芯片的热量。为了增加散热面积，散热器通常设计有多片鳍片（fins），这些鳍片大大增加了散热器的表面积，从而提高了与周围空气的接触面积和散热效率。AI芯片散热技术通过直接在芯片或处理器表面移除热量来优化设备性能并延长使用寿命，主要分为散热材料及散热技术两类。• 在散热材料方面，目前主要以热界面材料（TIM）、金属和陶瓷基导热材料为主。• 在散热技术方面，主要包含风冷、液冷、热管、VC均热板及散热器等多种方案。图表3 芯片主要散热方式资料来源：半导体行业观察，粉体网，华安证券研究所敬请参阅末页重要声明及评级说明华安证券研究所图表4 电子封装结构示意图 资料来源：《高密度集成电路