2024年，随着大模型、自动驾驶、AI生成内容等应用的爆炸式增长，全球对人工智能算力的需求正以前所未有的速度攀升。AI芯片，作为算力的核心载体，其性能的每一次飞跃，都伴随着功耗与发热量的指数级上升。当前，单颗高端AI芯片的功耗已突破千瓦大关，其功率密度甚至超过了火箭尾焰。传统的散热材料，如铜、铝，其导热性能已逼近物理极限，难以有效疏导这些“热量火山”产生的巨大热流。散热，已成为制约AI芯片性能持续提升和系统可靠性的最关键瓶颈之一。 在此背景下，一种被誉为“终极散热材料”的解决方案—金刚石热沉片，正从实验室走向产业前沿，为高功率AI芯片的“降温”难题带来了革命性的希望。
金刚石并非仅仅是璀璨的宝石，在材料科学家眼中，它更是一座物理性能的“高峰”。在散热应用上，其优势体现在多个维度：
极高的热导率：天然单晶金刚石在室温下的热导率高达2000-2200 W/(m·K)，是铜（约400 W/(m·K)）的5倍，铝的10倍以上。这意味着热量能以极高的效率通过金刚石材料传递出去，显著降低芯片结温。
优异的热扩散系数：热扩散系数决定了材料内部热平衡建立的速度。金刚石拥有极高的热扩散系数，使其能够迅速响应芯片局部热点（Hot Spot）的温度变化，避免热量淤积，这对于处理单元高度集中的AI芯片尤为重要。
良好的绝缘性与低介电常数：金刚石是优良的电绝缘体，同时具有较低且稳定的介电常数。这使其在作为散热介质的同时，不会引入额外的寄生电容，对芯片高频电信号的完整性影响极小，契合AI芯片高频率运行的需求。 高的机械强度与化学稳定性：金刚石硬度极高，耐磨耐腐蚀，热膨胀系数低，与常用半导体材料（如硅、氮化镓）匹配性相对较好，能承受严苛的封装工艺和长期工作环境。
下表对比了金刚石与几种常用散热材料的关键物理性能：
金刚石并非直接替代芯片内部的硅，而是作为“热沉”紧密贴合在产热核心之上，扮演高效的“热量搬运工”角色。其主要应用形式包括：
衬底型热沉 (Substrate) 将AI芯片直接倒装焊接在金刚石衬底上。金刚石衬底替代了传统的有机或陶瓷基板，芯片产生的热量通过焊点直接、垂直地导入下方的金刚石衬底，再传导至外部散热器。这种方式热路径最短，散热效率最高，是解决核心区域热点最理想的方案。
帽盖型热沉 (Cap/Lid) 在芯片封装完成后，将一块加工成型的金刚石片（或金刚石-金属复合材料）作为顶盖，通过导热界面材料贴合在芯片封装体的顶部。这种方式可作为现有封装架构的增强方案，改造相对灵活。
芯片内嵌与晶圆级集成 更前沿的技术路线包括：在芯片制造阶段，将金刚石微通道或金刚石层通过晶圆键合技术，与硅芯片集成；或者在GaN-on-SiC等宽禁带半导体芯片上，外延生长金刚石层。这属于“芯片级”的散热解决方案，代表着未来的发展方向。
在射频功率放大器和激光二极管领域，金刚石热沉已实现商业化应用，验证了其可靠性。
针对AI芯片，已有头部芯片设计公司与材料供应商合作，在下一代GPU和TPU的研发中测试金刚石衬底方案，实验室数据显示可将核心温度降低20-30°C以上，为提升运行频率和稳定性打开了空间。
制备工艺不断优化，如热丝CVD、微波等离子体CVD技术的进步，正在提升金刚石膜的沉积速率和质量，并降低生产成本。
可以预见，随着AI芯片算力密度持续攀升，对散热效率的需求将愈发苛刻。金刚石热沉片的未来发展将呈现以下趋势：
从“稀缺”到“普及”：随着制备技术的成熟和产能的提升，金刚石热沉的单价有望逐步下降，从先导性的高端芯片（如数据中心训练芯片、自动驾驶主控芯片）向更广泛的AI加速芯片领域渗透。
从“外挂”到“内生”：未来的集成方式将更加紧密，从后道的封装级集成，向制造前道的晶圆级集成演进，实现散热结构与芯片功能单元的一体化设计，从根本上解决热管理问题。 材料体系复合化：金刚石可能与石墨烯、碳化硅、高导热金属复合材料等结合，形成多层复合热沉结构，在性能、成本和工艺可行性之间取得最佳平衡。
在AI追求极致算力的道路上，散热是必须翻越的一座“火焰山”。金刚石，凭借其冠绝所有自然材料的导热性能，正从宝库中走出，化身为芯片工程师手中对抗高温的“神兵利器”。虽然前路仍有成本与工艺的挑战待攻克，但其代表的材料革命方向已清晰无疑。金刚石热沉片的成熟与应用，将成为释放AI芯片潜在性能、保障其长期稳定运行的关键使能技术之一，为人工智能的下一波浪潮提供坚实的“冷却”基石。
化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂、氮掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。
