AI芯片高热流时代来临，散热需求升级驱动金刚石材料进入爆发期

AI芯片散热需求升级，对传统散热材料与封装结构提出挑战

芯片散热能力由材料体系与封装结构共同决定。散热问题是当前制约英伟达 Rubin 架构及更高代际芯片量产的重要卡点，散热方案可行性及产业落地进度有望成为Rubin系列GPU量产的重要观察窗口。从材料端看，散热材料正由传统铜基材料向金刚石铜、纯金刚石等高导热材料替代；从封装结构看，封装方案正由有盖板（Lidded）的多层界面传热结构，向无盖板（Lidless）的少界面传热结构方向演进。

高热流密度背景下，传统铜基散热方案亟待升级。单卡功耗提升叠加更小制程导致芯片热流密度急速上升，英伟达GB200热峰值功耗已达到2000W以上，未来 Rubin架构芯片等高端GPU热流密度迈向

500W/cm²。在此背景下，传统铜基散热片和多层封装结构逐渐暴露出导热能力不足、热膨胀系数不匹配、界面热阻累积等问题。在高热流密度场景下，传统散热方案主要面临三方面瓶颈：

① 铜基材料导热能力已接近性能天花板。铜基材料热导率约为400W/m·K，已难以持续满足下一代高功耗AI芯片的超高热量密度散热需求。

② 高温状态下，铜与芯片热膨胀系数（CTE）的不匹配风险会进一步放大。铜基材料热膨胀系数约为14×10⁻⁶/K，而硅基芯片热膨胀系数约为2-3×10⁻⁶/K，二者相差约6倍；在高温和频繁热循环环境下，材料膨胀收缩差异将导致界面应力累积，易引发焊点疲劳、芯片开裂分层等可靠性问题。

③ 高温状态下，现有热界面材料（TIM）可靠性下降。Tim材料起到导热、填充界面缝隙的作用，常规TIM例如导热硅脂热导率多处于1–10 W/m·K级别，即使高端TIM如液态金属 / 铟箔：可做到10～80 W/m・K。高热流密度下TIM可能出现泵出、移位，导致热阻上升。

金刚石材料有望成为解决 AI 芯片散热难题的可行方案之一

金刚石及金刚石铜材料与传统铜材料相比具有高热导率、热膨胀系数低、高稳定性等特性。

① 热导率：金刚石热导率可达2000W/m·K以上，约为铜、银的4–5倍；金刚石铜兼具铜与金刚石特性，热导率可达600–900W/m·K，显著高于传统铜基材料400W/m·K的导热能力。

② 热膨胀率：金刚石热膨胀系数约1-1.1×10⁻⁶/K，金刚石铜则在4-8×10⁻⁶/K，铜材料在14×10⁻⁶/K；相比金刚石及金刚石铜材料在持续高温环境下表现更为稳定。

③ 稳定性：金刚石及相关材料中碳分子占比高，因此金刚石与金刚石铜相较铜材料具备更强的耐高温和化学稳定性。