金刚石热沉片：面向 AI 芯片热管控的变革性技术路径

人工智能产业高速演进进程中，AI 芯片迭代更新速率持续加快，算力密度呈现指数式攀升特征。无论是适配大规模神经网络训练的高性能计算芯片，还是部署于终端设备的推理芯片，均需应对同一类物理层面约束 —— 热管控难题。现有常规散热架构无法适配新一代 AI 芯片数百瓦至千瓦级功耗密度工况，散热约束已然成为限制 AI 计算性能持续优化的核心阻碍。在此行业发展形势下，具备超高导热系数的金刚石材料逐步实现规模化落地，成为突破 AI 芯片高热流密度上限的创新型技术方案。

现阶段主流高端 AI 训练芯片（NVIDIA H100、Google TPU v4 等）整体功耗已突破 700W，芯片内部热点区域热流密度可达 200-300 W/cm²，局部核心区域峰值数值能够突破 500 W/cm²。超高热流密度工况致使传统散热体系暴露多重技术短板。

结合 AI 芯片各类封装结构及差异化热管控指标，金刚石热沉片可搭建多层级、全维度一体化散热体系：

一、近结散热薄层：芯片直接贴合集成工艺

采用微米级超薄金刚石基片与 AI 芯片背面、热点区域完成直接键合，构筑 “芯片 - 金刚石导热层 - 散热终端” 三层复合换热结构。该近结导热薄层能够显著缩减芯片结区至封装表层的热传导阻力。试验数据证实，相较于传统铜基散热构件，金刚石近结散热层可实现 60% 以上热阻降幅，热点工作温度降低 40-50℃。配套核心工艺包含：纳米级表面平坦化处理技术（表面粗糙度＜1 nm）、低温共晶键合工艺与金属过渡层键合工艺、图形化金刚石热沉定制加工，针对芯片热点区域实现局部导热强化。

二、三维封装垂直导热通路

针对采用 2.5D/3D 堆叠封装的 AI 芯片，依托金刚石热沉片参照硅通孔（TSV）工艺思路搭建垂直导热通道，即导热通孔技术。在计算芯片与存储芯片堆叠夹层内置金刚石中介层或柱状导热结构，搭建自堆叠内部至器件外表面的高效纵向传热通路。与此同时，金刚石材料高弹性模量特质可缓冲异种材料界面产生的热机械应力，降低封装失效风险。

三、异质集成封装散热成套体系

将金刚石热沉片与微通道液冷、相变冷却等前沿散热工艺融合，搭建多尺度协同换热系统：

金刚石 - 微通道一体化散热构件：于金刚石基板刻蚀微米级流体换热通道，依托金刚石优异导热能力快速将芯片产热传递至冷却介质；

金刚石复合均热板组件：以金刚石作为均热板基底材料，强化蒸发区段导热能力，全面提升相变散热综合效能；

金刚石协同热电制冷系统：借助金刚石高导热优势优化热电制冷器件热端散热条件，提升整体制冷工作效率。

四、智能化热管控集成体系

将金刚石热沉片、温度传感元件、动态功率调控单元一体化集成，达成自适应智能散热调控：

在金刚石导热基材内部布设分布式微型温度传感网络；

根据实时温度分布数据动态调整芯片各功能模块电压与运行频率；

引入机器学习算法预判器件热演化规律，同步优化散热运行策略。

当下 AI 算力需求呈爆发式扩张态势，散热系统不再仅作为配套辅助单元，而是直接决定计算设备运行性能、长期可靠性与能源利用效率的关键核心技术。金刚石热沉片依托优异热物理本征特性，逐步完成实验室技术向工业化量产落地转化，有望彻底破除长期束缚 AI 芯片产业升级的热屏障，为新一代人工智能计算设备提供长效稳定的热管控技术支撑。伴随金刚石生长制备工艺、封装集成技术持续完善及综合生产成本下行，金刚石散热方案将成为高端 AI 芯片标准化配套组件，助力人工智能计算产业向高性能、高能效方向持续发展。

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、光通讯、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。