金刚石散热更新：挺进AI赛道， 应用空间广阔

　　要点一： 芯片功率持续提升， 散热成为算力的关键瓶颈

　　液冷技术多方案并行： 现代AI服务器架构功率已超过250kW， AI芯片的局部热流密度更突破300W/cm²， 热强度急剧攀升源于晶体管的高度密集集成以及对计算吞吐量的持续追求。 当下一代芯片（如Feynman预测功率达4400w） 的散热需求在裸片级别接近乃至超越500W/cm²的门槛时， 以铜或硅基底为核心的传统冷却技术正逼近其实用极限,难以维持先进半导体稳定运行所需的最优工况， 因此液冷架构迭代是行业刚需， 只是液冷架构的迭代并不像柜外电力架构那么清晰， 目前还是处于多技术路线并行、 互相组合的阶段， 我们认为以下这些技术方向都是将来应该重点关注的赛道：

　　工艺端——微通道： 盖板与冷板合二为一， 剔除TIM层、 流道宽度在100微米以内， 但极易因细微杂质导致管道堵塞， 良率低， 准备前导期至少需一年以上。 所以海外最初规划Rubin平台采用50微米间距方案， 但走不通， 过渡策略把流道压缩至0.1毫米， 良率稳定。

　　材料端——金刚石散热： 当先进芯片热流密度持续升高时， 热量传导速率严重滞后于热量产生速率， 导致芯片结温突破安全阈值， 金刚石导热性能较优， 为潜在散热材料优选。

　　两相冷却——冷却液改进： 液体在热源表面沸腾相变， 利用汽化带走热量， 理论上是解决高热流密度的终极方案。 然而， 两相浸没高度依赖低沸点的氟化液， 这使其面临较大的环保和成本挑战。

　　要点二： 金刚石热导率高， 在散热端处于“ 0-1” 阶段

　　金刚石具备高硬度、 高热导率等性能， 散热端“ 0-1” 应用开启： 金刚石是目前所知天然存在的硬度最大的物质， 具备高热导率、 高化学稳定性、 高光学透过性、 极宽的禁带宽度等性能， 目前整体应用主要分为两大方向： 一是散热材料应用， 二是半导体基材应用， 半导体基材仍存在一定技术壁垒， 仍旧处于研发周期中。 而随着算力芯片需求迅猛增长， 对大型服务器的散热需求和强度也越来越高， 金刚石卓越的导热性引起关注， 单晶金刚石的导热能力是铜的5倍， 硅的10倍。 金刚石散热材料逐步迎来规模化应用窗口期。

　　主流的金刚石散热方案（ 虽目前成本较高， 但通过提高金刚石生长速度、 设备国产化、 规模效应等可持续降本， 据央视采访披露， 各家金刚石散热成本至少还有30%-50%的下降空间） 。

　　主流方案1——金刚石+铜/铝/碳化硅等复合材料： 目前此类复合方案基本可以做到500-800（W/m・K） 的热导率， 导热性能优越。

　　制备过程： 由于金刚石的热膨胀系数（CTE） 远低于铜， 且金刚石具有化学惰性， 无法在室温下以可靠且可扩展的方式直接与硅或铜键合， 因此两种材料复合时候， 需要对金刚石微粉做表面金属化处理。 一种典型的金属化方案是Ti/Ni/Au叠层实现黏附和后续键合， 随后将金属化金刚石通过焊接或其他键合方式与铜、 硅或冷却模块等匹配结构连接。 金刚石微流道的制造工艺起始于金刚石基底制备， 与散热器路线相似， 但尺寸要求往往更为严格,清洗完成后,采用激光加工/干法刻蚀/其他精密微加工技术在金刚石上制造微尺度流道。 流道特征制备完成后,还需将结构化金刚石与另一组件集成， 形成密封的流体通道， 涉及金属化、 与盖板或支撑框架键合、 与进出口结构对准以及液冷模块的最终密封

　　主流的金刚石散热方案： 目前成本较高， 但通过提高金刚石生长速度、 设备国产化、 规模效应等因素， 据央视采访， 各家金刚石散热成本至少还有30%-50%的下降空间。

　　主流方案2——纯金刚石散热片： 单晶金刚石热导率最高可达2200W/m・K， 多晶金刚石热导率可达1800W/m・K， 是铜和SiC的几倍。 目前应用场景如下：

　　5G基站功率放大器： 是目前金刚石散热最大的应用市场。 5G基站的功率密度是4G的3倍以上， 传统散热方案已经无法满足需求。 使用金刚石热沉片后， 基站功率放大器的工作温度可降低30-50℃， 寿命延长一倍以上。 据中国地质大学北京郑州研究院公众号， 全球已有超过100万个5G基站采用了金刚石散热方案。

　　功率半导体模块： 用在新能源汽车、 轨道交通、 工业变频等领域的IGBT模块及新能源汽车电控系统上。 以新能源汽车为例， 采用金刚石散热方案后， 电机控制器的功率密度可提升40%以上。 且随着电动汽车向800V高压平台升级， 电控系统的功率密度大幅提升， 金刚石散热方案能够在不增加体积的前提下显著提升散热能力， 有望成为高端电动车的标配选项。

　　高功率激光二极管（工业加工、 医疗、 国防等领域） 。 激光二极管的电光转换效率通常只有30-40%， 大部分能量都转化为热量， 金刚石热沉能够有效带走激光二极管产生的热量， 目前工业光纤激光器的泵浦源已经普遍采用金刚石散热。

　　AI服务器领域： 实现导热功能， 有望随着更高功率的芯片而上量， 目前尚处于0-1的初期阶段， 成长空间广阔

　　风险提示

　　下游技术进度不及预期风险。 目前液冷技术架构多路线并行， 若下游技术路径有所调整， 产业进度可能不及预期。

　　竞争格局恶化风险。 国内外金刚石散热参与公司较多， 未来竞争可能进一步加剧， 导致产品价格等出现波动。

　　下游需求波动风险。 若下游高功率芯片和机柜等进度放缓或出货有延迟， 可能导致AI相关散热产品需求波动。