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计算机行业深度报告：金刚石散热——新一代 AI 散热方案

核心内容

随着 AI 芯片功率密度不断提升，散热问题成为制约其性能释放的关键因素。金刚石散热因其卓越的热导率、优异的绝缘性以及较低的热膨胀系数，被认为是解决这一问题的前沿方案。当前，全球多家公司正加速布局金刚石散热技术，中国企业在该领域也展现出强劲的发展势头。

主要观点

• 技术优势：金刚石具有极高的热导率（可达 2200 W/(m·K)），是铜的 5 倍以上、硅的近 15 倍，同时具备低热膨胀系数（CTE 约为 1.1 ppm/K），可有效降低热应力。
• 技术路径：金刚石散热主要通过四种技术路径实现：CVD 金刚石热沉片、金刚石/金属复合材料、CVD 金刚石涂层、金刚石材料与微通道液冷集成散热。
• 商业化进展：尽管金刚石散热仍处于早期研发阶段，但随着 AI 芯片对散热性能的迫切需求，全球产业链正加速布局，部分企业已实现小批量供货或送样测试。
• 市场空间：预计 2030 年全球服务器液冷市场规模将达到 535.1 亿美元，若金刚石散热价值占比达 10%，则市场规模将超过 54 亿美元。
• 国内企业布局：四方达、国机精工、力量钻石、黄河旋风、沃尔德等国内企业已积极布局金刚石散热业务，部分企业具备量产能力或正在推进产业化进程。

关键信息

1. 金刚石散热的技术特性

• 热导率高：CVD 单晶金刚石的热导率高达 2200 W/(m·K)，远超铜和硅。
• 绝缘性好：金刚石具有极高的电阻率和击穿电压，可直接贴装于芯片表面，无需额外绝缘层。
• 热膨胀系数低：CTE 约为 1.1 ppm/K，与硅接近，有助于减少热循环中的应力。

2. 技术路径与应用

• CVD 金刚石热沉片：用于芯片背面，快速扩散局部高温，降低热流密度。
• 金刚石/金属复合材料：结合金刚石的高导热性与金属的可加工性，适用于多种散热场景。
• CVD 金刚石涂层：在散热基底表面沉积金刚石薄膜，提升热扩散能力。
• 金刚石与微通道液冷集成：适用于高功率芯片（>1kW），实现系统级散热。

3. 全球与国内企业进展

海外企业

国内企业

4. 商业化挑战

• 热膨胀系数不匹配：可能导致晶圆翘曲，影响后续工艺良率。
• 界面热阻：若无法实现原子级键合，将影响散热性能。
• 材料加工难度高：金刚石硬度高，需采用昂贵的 CMP 或等离子体抛光技术。
• 成本问题：高质量、大尺寸金刚石制备成本较高，影响经济性。

投资建议

• 金刚石散热作为新一代散热方案，具有广阔的应用前景。
• 当前全球多家厂商已开始布局，国内企业亦积极推进产业化。
• 尽管存在技术与成本挑战，但产业进展明显加快，预计未来将加速放量。
• 相关标的：四方达、国机精工、力量钻石、黄河旋风、沃尔德、九州一轨、中兵红箭等。

风险提示

• 技术发展不及预期：AI 大模型发展若不如预期，将影响金刚石散热的商业化进程。
• 经济性不足：若无法有效降低成本，将限制其大规模应用。
• 工艺改良滞后：若生产工艺改进不及时，可能影响产品良率与市场接受度。

总结

金刚石散热作为 AI 芯片散热的重要方向，正受到全球产业链的高度重视。随着 AI 芯片功率密度的提升，金刚石凭借其卓越的物理性能成为关键解决方案。虽然目前仍面临技术和成本挑战，但国内企业已在多个环节取得突破，具备一定的产业化能力。未来随着技术成熟和成本下降，金刚石散热有望迎来大规模商业化应用。