金刚石热沉片：GPU 热管控体系的颠覆性技术革新

人工智能产业、高性能计算系统与实时图形渲染业务持续高速发展，GPU 器件功耗激增、热集聚问题逐步成为约束计算硬件性能上限的核心阻碍。伴随芯片制造制程持续微缩、晶体管集成密度稳步提升，GPU 局部热流密度已逼近传统导热材料的性能临界值。在此行业发展背景下，金刚石热沉片作为新一代热管理介质，依托自身优异热学本征参数，推动 GPU 散热体系迎来全方位技术变革。

传统热管理构件包含铜基散热基座、热管回路、均热板等品类，经过长期工艺迭代已具备成熟应用体系，但基材固有导热系数已抵达物理上限。常温工况下纯铜材料热导率约 400 W/(m・K)，工程常用铜合金导热系数仅维持 200-350 W/(m・K)。针对热点区域热流密度突破 200 W/cm² 的高端 GPU 设备，该类金属材料换热性能已无法满足散热指标要求。

化学气相沉积（CVD）工艺的成熟落地，为大尺寸、高结晶质量金刚石薄膜量产制备提供可行路径。该工艺以甲烷等含碳气源为原料，在高温反应环境下完成碳元素分解沉积，于衬底表面生成金刚石薄膜，再经剥离、精密抛光工序制备独立自支撑金刚石薄片。

现阶段量产 CVD 金刚石材料热导率可达 1500-1800 W/(m・K)，成品厚度调控区间为 100-500 微米，加工直径可达数英寸，各项参数完全匹配各类 GPU 芯片的热管理设计需求。

将金刚石热沉片直接贴合于 GPU 芯片表层作为一级导热界面，替换传统铜、铝材质散热基座，可大幅削减芯片核心至外部散热器的传热热阻，对芯片局部热点具备高效均热扩散作用。该方案落地的核心工艺难点集中于金刚石与芯片基底界面介质选型、键合封装工艺参数优化两大维度。

针对 GPU 内部着色器阵列等高功耗密度功能区域，可将小型金刚石导热片预埋至封装基板或硅中介层内部，实现定点定向高效导热。该差异化应用模式能够在控制综合生产成本的前提下，最大化释放散热优化收益。

于铜、碳化硅等传统导热基材表面沉积金刚石薄膜，构筑复合导热结构，同步兼顾金刚石超高导热特性与金属基材优良机械加工性能。金刚石 - 铜复合导热材料已验证具备突出热管控能力，材料热膨胀系数可通过调整组分配比实现精准调控。

2.5D/3D 堆叠封装架构中层间热量导出属于行业共性技术难题，金刚石薄膜可作为层间均热介质，快速疏导堆叠结构内部集聚热量。相关试验数据证实，在硅通孔（TSV）结构外围包覆金刚石导热材料，可显著提升纵向传热通道的热量传导效率。

多组对照试验充分验证金刚石热沉片在 GPU 热管控场景下的显著性能优势。面向高端算力 GPU 开展平行散热对比测试，相较于传统铜质散热架构，各项优化指标如下：

GPU 热点工作温度下降 15-25℃、芯片热节流触发概率降低 60% 以上、长时间满负载运行性能提升 8-12%、芯片全域温度均匀度改善 30%。

从工程落地场景划分，金刚石热沉片适配以下设备品类：

数据中心算力 GPU：需长期稳定满负荷运行，具备持续高强度散热需求；专业图形工作站与渲染显卡：对计算密度、设备长期运行稳定性具备严苛标准；AI 训练加速芯片：大规模矩阵运算易形成集中热源；超频游戏显卡：极限性能工况下对热管控能力要求较高。

金刚石热沉片依托优异综合热物理属性，为 GPU 热管理体系提供突破传统材料性能上限的全新技术路径。伴随全域算力需求持续扩张，芯片热设计环节的战略价值持续提升，金刚石基导热构件不仅是硬件性能升级的核心支撑，更是高密度电子系统长期稳定运行的底层保障。依托多学科交叉技术持续迭代，金刚石热沉片与新型冷却体系的融合应用，有望重塑 GPU 散热行业技术格局，为新一代高性能计算装备提供长效稳定的热管理解决方案。

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。