深度报告-20260813-国金证券-金刚石散热行业研究_开启AI芯片散热新纪元_33页_5mb

金刚石散热技术分析总结

核心内容

金刚石散热技术作为一种高热导率、低热膨胀系数和优异电绝缘性的新型散热材料，正在成为解决AI芯片和高功率半导体器件散热难题的“终极材料”。随着AI芯片功耗的指数级增长，传统散热方案已难以满足需求，金刚石材料凭借其独特的物理性能，展现出成为下一代散热材料的潜力。

主要观点

1. 金刚石的优异性能
   金刚石是自然界中热导率最高的材料，单晶室温热导率可达2000～2200 W/(m·K)，是铜的5～6倍、铝的9倍以上。同时，其低热膨胀系数（约1.0～1.2×10⁻⁶/K）与主流半导体材料高度匹配，电绝缘性优异，介电常数低，具备成为AI芯片散热材料的综合优势。

2. 金刚石铜复合材料的产业化优势
   金刚石铜复合材料是当前最接近大规模量产的金刚石散热方案。其热导率可达600～1000 W/(m·K)，远高于传统铜材料，同时具备较低的热膨胀系数（5～7×10⁻⁶/K），与GaN、SiC等材料匹配良好。通过调控金刚石体积分数，可实现性能与成本的平衡，适用于高功率芯片、雷达、激光器等场景。

3. 单晶与多晶金刚石的差异化应用

   • 单晶金刚石：性能最优，适用于高端、极致性能需求，但成本高、大尺寸制备难度大。
   • 多晶金刚石：具备成本优势，通过CVD工艺可灵活控制晶粒尺寸，热导率在1000～1800 W/(m·K)之间，具备较强规模化潜力，是当前产业化推进的重点。

4. 金刚石与半导体器件的连接方式
   金刚石可通过独立热沉、键合、外延生长三种方式与半导体器件结合。其中，键合和外延技术在高端应用中更为常见，例如用于GaN器件的金刚石衬底键合和外延生长，显著提升散热性能。

5. 产业化进展加速
   2026年，Akash Systems交付全球首批搭载金刚石散热技术的英伟达H200 GPU服务器，随后推出AMD Instinct MI350X GPU服务器。国内企业如黄河旋风、沃尔德、力量钻石等也加快布局，提升产能，推动金刚石散热材料的商业化进程。

6. 未来应用场景广阔
   随着AI芯片向2.5D/3D堆叠演进，局部热流密度可能达到1000～2500 W/cm²，金刚石材料因其高导热性和热膨胀匹配性，有望成为下一代芯片散热技术的核心材料。

关键信息

• 热导率：单晶金刚石热导率可达2000～2200 W/(m·K)，是铜的5～6倍。
• 热膨胀系数：金刚石CTE约为1.0～1.2×10⁻⁶/K，显著低于铜（17.6×10⁻⁶/K）。
• 电绝缘性：金刚石电阻率高达10¹²～10¹⁶ Ω·cm，适合高频、高功率场景。
• 主要制备工艺：包括真空热压烧结、高温高压烧结、放电等离子烧结、熔体浸渗法等，其中熔渗法热导率可达720～722 W/(m·K)。
• 连接方式：包括直接键合、外延生长、表面活化等，其中亲水键合技术已应用于GaN器件。
• 应用案例：Akash Systems的Diamond Cooling技术使NVIDIA GPU热点温度降低55～60℃，性能提升15%；Diamond Foundry制造出4英寸单晶金刚石晶圆，实现散热性能提升。
• 国内进展：黄河旋风建成国内首条8英寸金刚石热沉片生产线，力量钻石建设MPCVD设备产线，惠丰钻石启动CVD金刚石散热项目，推动国内金刚石散热材料产能提升。

投资建议

金刚石散热材料具备成为AI芯片散热终极解决方案的潜力，未来成长空间巨大。建议关注积极布局金刚石散热技术的企业，如Akash Systems、Element Six、Diamond Foundry、黄河旋风、沃尔德、力量钻石等。

风险提示

• 大规模商用进展不及预期：目前金刚石散热仍处于测试验证阶段，商业化进程可能受制于技术瓶颈和成本问题。
• 下游需求不及预期：AI芯片和GaN器件的市场需求可能受技术发展、成本控制和行业周期影响。

产业化进展

• 应用端验证：Akash Systems已实现金刚石散热在NVIDIA和AMD GPU服务器上的应用。
• 供应端扩产：黄河旋风、沃尔德、力量钻石等企业加速产能扩张，推动金刚石散热材料的规模化生产。
• 技术突破：住友电工、SP3 Diamond等在GaN on Diamond异质外延和SOD技术上取得进展，提升散热效率和材料兼容性。

图表与数据参考

• 金刚石热导率远超其他材料，如铜、铝、SiC等。
• 金刚石铜复合材料热导率可达600～1000 W/(m·K)，热膨胀系数可调至5～7×10⁻⁶/K。
• 2026年Akash Systems交付首批金刚石冷却GPU服务器，订单达3亿美元。
• 国内企业如黄河旋风、沃尔德、力量钻石等加速布局，提升金刚石散热材料产能和研发能力。

结论

金刚石散热技术具备成为AI芯片散热解决方案的潜力，其高热导率、低热膨胀系数和优异电绝缘性使其在高功率、高密度芯片散热中具有不可替代的优势。随着应用端的验证和供应端的产能扩张，该技术有望在未来几年实现规模化应用，成为半导体散热领域的重要创新方向。