金刚石微通道散热技术：AI芯片热管理的创新解决方案

随着现代半导体技术高速迭代，高功率芯片已大规模应用于人工智能、高性能计算等前沿领域。芯片集成度与功率密度的持续提升，致使设备热流密度大幅激增，传统散热材料与常规散热工艺的性能短板日益凸显，逐渐无法适配高端芯片的极限温控需求。在此产业态势下，融合超高导热、低膨胀特性的金刚石材料与微通道高效散热技术，成为破解高功率AI芯片散热瓶颈的创新性核心方案。金刚石具备极致导热性能，室温热导率可达2000-2200W/m・K，导热效能为铜材的5倍以上。将该材料应用于微通道散热基板制备，可从根本上提升基板的热量传导与耗散能力，芯片工作产生的热量传递至金刚石微通道基板后，可快速传导至通道内部水等冷却介质，实现芯片热量的高效、快速疏导。

通道尺寸与间距优化设计：针对高功率IGBT模块等大功率半导体器件的散热需求，结合器件表面热流分布的差异化特征，可完成微通道尺寸、间距的精准定制化设计。针对热流密度集中的高温区域，通过缩小通道间距、适度拓宽通道尺寸的方式，针对性强化局部散热效能。依托数值仿真模拟与实体试验双重验证模式，持续优化微通道整体结构参数，保障冷却介质在通道内部均匀流动，最大化提升整体传热效率。

复合基材体系优化配置：采用金刚石与铜等金属材质复合工艺制备微通道散热基板，有效融合金刚石的超高导热特性与金属材料的结构加工优势。以DC系列复合材料为例，通过高温压浸复合工艺实现金刚石颗粒与铜基体的紧密结合，其中DC60、DC75复合材料的金刚石颗粒体积分数分别为60%、75%。同时DC75采用多粒径金刚石颗粒分级混合结构设计，进一步优化复合材料的导热性能，精准匹配半导体基材的热膨胀系数，规避热应力带来的结构失效问题。

结构功能一体化创新设计：研发制备DC60、DC75等结构功能一体化开放式微通道热沉产品。该一体化结构设计不仅大幅强化器件整体传热性能，还可有效提升微通道散热器在流动沸腾工况下的运行稳定性，降低介质流动压降，全方位优化高功率芯片散热系统的综合运行效能。

金刚石微通道基板作为芯片散热系统的核心功能部件，直接与芯片发热核心区域贴合，承担芯片热量快速传导、扩散的核心职能。凭借金刚石的超高导热特性，芯片工作产生的热量可快速、均匀传递至微通道内的冷却介质，精准控制芯片工作温度。在高算力AI芯片封装散热场景中，该基板可高效疏导芯片高热流密度区域的集聚热量，保障芯片长期满负荷、稳定化运行。

在微通道散热系统架构中，散热鳍片是扩大散热接触面积、强化换热效率的关键配套结构。采用金刚石材质制备散热鳍片，可充分发挥材料极致导热优势，实现热量从鳍片底部至顶部的快速全域传导，大幅提升鳍片与空气、冷却介质的热交换效率，进一步拔高整套散热系统的温控上限。

热界面材料主要用于填充芯片与微通道基板之间的微观间隙，削减界面接触热阻，提升热量传递效率。基于金刚石优异的导热性能与低热膨胀系数特性，可将纳米金刚石颗粒作为功能性添加剂，改性优化传统热界面材料。将其掺杂至导热硅脂等常规介质中，可显著提升基材整体导热系数，有效降低芯片与散热基板的界面热阻，实现热量无损耗高效传导。

金刚石材料与微通道散热架构的深度融合，为高功率芯片热管理提供了新型高效、稳定可靠的技术路径。通过定制化优化金刚石微通道基板结构，充分释放金刚石材料在超高热流工况下的散热优势；同时依托金刚石材料在基板、鳍片、热界面改性等多维度应用，全方位升级高功率芯片散热系统的综合性能，为AI算力芯片、大功率半导体器件的性能迭代筑牢热管理根基。

化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂、氮掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。