随着人工智能训练、高性能计算和大规模云服务的指数级增长，全球数据中心的能耗问题日益严峻。据统计，全球数据中心能耗已占全球电力消耗的约1%-2%，其中冷却系统的能耗占比高达40%。在这个背景下，散热技术成为制约数据中心能效提升和可持续发展的关键瓶颈。传统散热材料如铜、铝等已逐渐逼近其物理极限，而一种被誉为“终极散热材料”的金刚石热沉片，正悄然引领着一场数据中心散热技术的革命。
金刚石并非仅是人们熟知的珠宝材料，其作为散热材料的性能远超传统金属。在导热性能上，天然金刚石的导热系数高达2000-2200 W/(m·K)，是铜的5倍，铝的10倍。这种惊人的导热能力源于金刚石独特的晶体结构——碳原子以四面体形式排列，形成极其稳定的共价键，使晶格振动（声子）能够几乎无阻碍地传递热量。
更令人惊叹的是，金刚石不仅导热性能卓越，其绝缘性能也同样出色，电阻率高达10^16 Ω·cm，是铜的10^20倍。这种“高导热+高绝缘”的独特组合，使金刚石热沉片能够直接接触高功率芯片而不引起短路，从根本上解决了传统金属散热器需要绝缘层而降低散热效率的难题。相比之下，传统散热材料如铜虽然导热性能良好（约400 W/(m·K)），但导电性强，必须通过绝缘层与芯片隔离，这额外增加了热阻，降低了整体散热效率。
此外，金刚石还具有极低的热膨胀系数（约1×10^-6/K），与半导体材料如硅、碳化硅等更为匹配，能够显著减少因温度变化引起的热应力，延长芯片使用寿命。在高温稳定性方面，金刚石可承受600°C以上的高温而不发生性能退化，远超铜、铝等传统材料。
金刚石热沉片在数据中心的应用是全方位的，从微观芯片级到宏观系统级，正在重新定义散热设计的边界。
在芯片级散热中，金刚石热沉片主要应用于CPU、GPU、AI加速芯片等高性能计算芯片的封装内部。特别是随着芯片制程工艺不断微缩，单位面积的热量密度呈指数级增长，传统散热方案已难以应对。金刚石热沉片可直接集成在芯片与封装基板之间，或作为芯片的承载基底，将热量迅速从热源导出。芯片制造商已在高性能产品中测试金刚石散热层，结果显示芯片结温可降低15-20°C，性能提升达10%以上，同时显著提高了芯片的可靠性和使用寿命。
在模块级散热中，金刚石热沉片被用于高功率激光器、微波器件和功率模块的散热。随着数据中心网络设备向400G、800G高速光模块演进，光器件功率密度不断增加，散热挑战日益严峻。金刚石热沉片能够将光芯片产生的热量迅速扩散，保持器件在最佳工作温度范围内，确保数据传输的稳定性和可靠性。与传统氧化铝或氮化铝陶瓷基板相比，金刚石基板的热导率提高了5-10倍，可使光模块工作温度降低20-30°C，显著提高其性能和寿命。
在系统级散热中，金刚石可作为热界面材料的填充剂，大幅提升导热膏、导热垫等材料的性能。通过在聚合物基体中加入金刚石微粉或纳米颗粒，可制备出导热系数达10-20 W/(m·K)的高性能热界面材料，是传统硅脂的5-10倍。这种材料填补芯片与散热器之间的微空隙，显著降低接触热阻，提升整体散热效率。部分高端数据中心已在GPU集群和AI训练服务器中使用金刚石增强型热界面材料，使散热器效率提升30%以上。
金刚石热沉片在数据中心的应用，标志着散热技术从“被动应对”向“主动引导”的深刻转变。它不仅是材料的革新，更是设计理念、系统架构和产业生态的全面升级。随着技术进步和成本下降，这种“终极散热材料”将从高端应用逐步走向普及，成为下一代数据中心不可或缺的核心技术。在数字经济与可持续发展双重要求下，金刚石热沉片正承载着突破散热极限、重塑数据中心能效格局的历史使命，其发展前景不可限量。散热技术的这场静默革命，正在为全球数字基础设施的可持续发展奠定坚实基础，开启高效、绿色计算的新纪元。
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。
