在人工智能、高性能计算和图形渲染快速发展的时代，GPU的功耗和发热问题已成为制约计算性能提升的主要瓶颈之一。随着制程工艺的不断微缩和晶体管密度的持续增加，GPU的热流密度已逼近传统散热技术的极限。在这一背景下，金刚石热沉片作为新兴的散热解决方案，正以其卓越的物理特性引领GPU散热领域的革命性变革。
传统散热方案，包括铜质散热底座、热管和均热板技术，虽然经过多年优化已相当成熟，但其基础材料的热导率已接近物理极限。纯铜在室温下的热导率约为400 W/(m·K)，而实际使用的铜合金通常只有200-350 W/(m·K)。面对热流密度超过200 W/cm²的GPU热点区域，这些材料的散热能力已显不足。
化学气相沉积（CVD）技术的发展使得大面积、高质量合成金刚石膜的制备成为可能。CVD金刚石生长工艺通过含碳气体（如甲烷）在高温下的分解，在衬底上沉积金刚石薄膜，随后可通过剥离和抛光得到独立的自支撑金刚石片。
目前，CVD金刚石的热导率可达1500-1800 W/(m·K)，厚度可控制在100-500微米之间，尺寸可达数英寸直径，完全满足GPU芯片的散热需求。
将金刚石热沉片直接贴装于GPU芯片顶部作为初级散热界面，取代传统的铜或铝散热底座。这种方案可显著降低芯片到散热器的热阻，特别适用于热点区域的热扩散。关键技术挑战在于金刚石与芯片之间的界面材料选择和键合工艺优化。
针对GPU中特定高功率密度区域（如着色器核心集群），将小型金刚石片嵌入封装基板或硅中介层中，实现定向高效散热。这种选择性应用可在控制成本的同时最大化散热效果。
将金刚石薄膜沉积于传统散热材料（如铜、碳化硅）表面，形成复合结构，兼顾高热导率和良好的机械加工性。金刚石-铜复合材料已展现出优异的热管理性能，热膨胀系数可通过调节成分比例进行优化。
在3D堆叠封装中，层间散热是重大挑战。金刚石薄膜可作为层间热扩散层，将热量从堆叠内部快速导出。研究表明，在硅通孔（TSV）周围包裹金刚石材料可显著提高垂直方向的热传导效率。
实验研究验证了金刚石热沉片在GPU散热中的卓越性能。一项针对高性能GPU的散热测试表明，与传统铜质散热方案相比：
GPU热点温度降低15-25°C、热节流发生率减少60%以上、持续高负载性能提升8-12%、温度均匀性提高30%
在实际应用中，金刚石热沉片特别适用于：
数据中心GPU：长时间高负载运行，散热需求持续、工作站和专业渲染卡：高计算密度和稳定性要求、人工智能训练芯片：大规模矩阵运算产生集中热源、游戏显卡超频应用：极限性能需求下的热管理
金刚石热沉片凭借其卓越的热物理性能，为GPU散热提供了突破传统材料极限的解决方案。在算力需求持续增长、热管理日益关键的背景下，金刚石基散热技术不仅是性能提升的关键推动力，更是未来高密度电子系统可靠运行的基石。随着跨学科研究不断深入，金刚石热沉片与新型冷却技术的结合有望彻底改变GPU散热格局，为下一代高性能计算系统提供可持续的热管理解决方案。
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。
