高效散热材料，商业化进程持续推进

发布时间：2025-12-26 行业投资评级 钻石散热专题 强于大市 |维持 高效散热材料，商业化进程持续推进 l投资要点 高功率电子器件热管理问题愈发严峻，散热会明显影响电子器件性能、寿命、安全性。近年来，随着电子器件遵循着摩尔定律逐步向集成化、高热流密度和微小型化的快速发展，其热管理问题正变得越来越严峻。以芯片为例，有效清除集成电路芯片产生的热量对保证系统的持续、稳定和平稳运行越来越重要，如果散热跟不上，不仅会影响性能，还可能缩短寿命甚至引发安全隐患。研究发现，电子元器件的可靠性对温度十分敏感，当电子元器件的工作温度达到 70~80℃后，温度每上升 1℃，其可靠性就会降低 5%。超过 55%的电子设备失效的主要原因是温度过高。 金刚石热导率远高于其他材料，且具有优异的热扩散系数、良好的绝缘性与低介电常数。天然单晶金刚石在室温下的热导率高达2000-2200W/(m*K)，是铜(约 400W/(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。同时，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。此外，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。 研究所 分析师:刘卓SAC 登记编号:S1340522110001Email:liuzhuo@cnpsec.com分析师:陈基赟SAC 登记编号:S1340524070003Email:chenjiyun@cnpsec.com分析师:虞洁攀SAC 登记编号:S1340523050002Email:yujiepan@cnpsec.com 热沉片是当前金刚石散热重要应用方式。金刚石当前重要应用方式是作为“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，其连接工艺包括直接连接、间接连接，其主要应用形式包括:衬底型热沉、帽盖型热沉。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；或者在宽禁带半导体芯片上，外延生长金刚石层。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。 近期研究报告 《固态电池系列专题：什么是等静压设备？》 - 2025.12.05 多种材料/制备方式齐头并进，技术尚未完全定型。目前金刚石热管理领域主要以单晶金刚石、金刚石铜及金刚石铝、金刚石/SiC 基板、金刚石微粉等体系为主，各自对应不同的应用场景和性能需求。以单晶金刚石为例，其导热率远高于其他材料，在高端电子器件散热中有着广阔的应用潜力，但要大规模应用仍有价格昂贵、接触界面传热效率等痛点，仍需在成本、加工和界面工程上不断突破。 AI 芯片领域，钻石散热潜在市场空间广阔。假设 2030 年全球 AI芯片市场规模为 3 万亿人民币；AI 芯片中钻石散热方案渗透率分别为 5%、10%、20%、50%；钻石散热价值量占比分别为 5%、8%、10%，进行弹性测算，钻石散热市场空间的区间为 75 亿至 1500 亿。 相关上市公司：国机精工、沃尔德、四方达、力量钻石、惠丰钻石。 l风险提示： 钻石散热产业进展不及预期。 目录 1钻石散热专题：高性能散热材料，商业化进程持续推进...........................................51.1金刚石：高性能散热材料，热导率出类拔萃.................................................51.2多种材料/制备方式齐头并进，技术尚未完全定型............................................71.3潜在市场空间广阔，相关上市公司积极布局................................................132风险提示..................................................................................14 图表目录 图表 1： GaN 芯片失效速率与温度的关系 .....................................................5图表 2： 温度为电子器件主要失效原因 ...................................................... 5图表 3： 金刚石与几类主要散热材料性能对比 ................................................ 6图表 4： Akash 钻石冷却技术对于数据中心以及 GPU 的作用 ..................................... 7图表 5： 金刚石与半导体的连接工艺 ........................................................ 8图表 6： 金刚石热沉片现有商业应用案例（高功率半导体激光器）...............................9图表 7： 单晶金刚石图片 .................................................................. 9图表 8： HFCVD 加工方法..................................................................10图表 9： MPCVD 加工方法..................................................................10图表 10： 多晶金刚石图片 ................................................................ 11图表 11： 金刚石复合材料 ................................................................ 12图表 12： AI 芯片领域钻石散热市场空间弹性测算表 .......................................... 13图表 13： 钻石散热相关上市公司介绍 ...................................................... 14 1钻石散热专题：高性能散热材料，商业化进程持续推进 1.1金刚石：高性能散热材料，热导率出类拔萃 高功率电子器件热管理问题愈发严峻，散热会明显影响电子器件性能、寿命、安全性。近年来，随着电子器件遵循着摩尔定律逐步向集成化、高热流密度和微小型化的快速发展，其热管理问题正变得越来越严峻，譬如高性能 AI 芯片的功耗动辄超过 700W，热流密度可超过 1kW/cm²；高功率 GaN/SiC 器件在电动汽车和数据中心应用中，热量集中且快速产生；光通信模块和激光器对散热均匀性、热响应速度有极高要求。以芯片为例，有效清除集成电路芯片(如 CPU 和 GPU)产生的热量对保证系统的持续、稳定和平稳运行越来越重要，如果散热跟不上，不仅会影响性能，还可能缩短寿命甚至引发安全隐患。研究发现，电子元器件的可靠性对温度十分敏感，当电子元器件的工作温度达到 70~80℃后，温度每上升 1℃，其可靠性就会降低 5%。超过 55%的电子设备失效的主要原因是温度过高。 金刚石，在散热应用上，其优势体现在多个维度: ⑴极高的热导率:天然单晶金刚石在室温下的热导率高达 2000-2200W/(m*K)，是铜(约 400W/(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。 ⑵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。 ⑶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。 Akash 声称其钻石冷却技术可以将 GPU 的热点温度降低 10 到 20 摄氏度，为数据中心节省“数百万美元的冷却成本”，同时防止热节流。在 GPU-on-diamond 特定幻灯片中，还可以看到使用 Akash 技术可将温度降低高达 60%，从而将能耗降低 40%的说法。 资料来源：Akash 官网，中邮证券研究所 1.2多种材料/制备方式齐头并进，技术尚未完全定型 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，其连接工艺包括直接连接、间接连接。其主要应用形式包括: 衬底型热沉：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：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。以高功率半导体激光器为例，高功率半导体激光器具有电光效率高、易调制、体积小、重量轻等优点。热效应会降低激光器的输出功率、电光转换效率，甚至减少使用寿命。高功率半导体激光器封装对过渡热沉的要求主要有两个方面，低热阻与低热失配。根据傅里叶定律，激光器的热阻与热导率成反比关系，热沉材料的热导率越高，越可有效降低器件热阻。与使用 Cu 热沉的器件相比，一个厚度 350~400um，热导率在 12~14W/（K·cm）间的金刚石膜热沉，可使其热阻降低 45~50%，光输出功率提高 25%。 资料来源：化合积电，中邮证券研究所 目前金刚石热管理领域主要以单晶金刚石、金刚石铜及金刚石铝、金刚石/SiC 基板、金刚石微粉等体系为主，各自对应不同的应用场景和性能需求。 ⑴单晶金刚石 单晶金刚石是潜力极高的散热材料。单晶金刚石的热导率高达 2000~2200W/（m*k），远超其他散热材料，这种极高的导热能力意味着，单晶金刚石可以在极短时间内把芯片产生的热量传导出去，显著降低器件的工作温度。除了导热率，单晶金刚石还有其他独特优势：电绝缘性高：天然绝缘材料，不会引入短路风险；硬度极高：机械强度强，耐磨损，适合复杂封装和精密加工；热稳定性优异：可耐高温环境，性能随温度变化小。 资料来源：超硬材料与磨具磨料，万磨金刚石，中邮证券研究所 工业上主要有两种制备方式: (1)高温高压法(HPHT):模拟天然金刚石形成条件，高温高压下生成单晶金刚石。该方法合成的晶体质量高、杂质少;但是尺寸受限，成本较高。 (2)化学气相沉积法(CVD):通过气相反应在基底上沉积碳原子，逐层