兴盛网中信建投：伴随算力需求提升与第三代半导体发展，未来金刚石在高端散热市场空间广阔

专题：沪指收复3900点机构看好权重股行情

　　来源：中信建投证券研究

　　文|于芳博庞佳军孟龙飞

　　随着半导体产业更先进制程迈进，芯片尺寸缩小而功率激增，“热点” 问题突出，芯片表面温度过高会导致安全性和可靠性下降，催生对高效散热方案的需求。金刚石是理想散热材料，热导率可达2000W/m・K，是铜、银的 4-5 倍，也是硅、碳化硅等半导体材料的数倍至数十倍，且兼具高带隙、极高电流承载能力、优异机械强度与抗辐射性，在高功率密度、高温高压等严苛场景中优势显著。其应用形式包括金刚石衬底、热沉片及带微通道的金刚石结构，可适配半导体器件、服务器 GPU 等核心散热需求。在制备上，化学气相沉积法（CVD）为主流，可生产单晶、多晶、纳米金刚石，国内外企业已开发相关产品。伴随算力需求提升与第三代半导体发展，未来金刚石在高端散热市场空间广阔。

　　芯片“热点”问题亟待解决。随着半导体产业遵循着摩尔定律逐步向2纳米、1纳米甚至是埃米级别迈进，尺寸不断缩小，功率不断增大，带来了前所未有的热管理挑战。芯片在运行过程中会产生大量热量，若散热不及时芯片温度将急剧上升，进而影响其性能和可靠性。芯片内部热量无法有效散发时，局部区域会形成“热点”，导致性能下降、硬件损坏及成本激增。

　　金刚石是良好的散热材料。传统金属散热材料（如铜、铝）虽然导热性能较好，但其热膨胀系数与高导热、轻量化要求难以兼顾。金刚石作为一种散热材料，它的热导率可以达到2000W/m·K，是硅（Si）、碳化硅（SiC）和砷化镓（GaAs）热导率的13倍、4倍和43倍，比铜和银的热导率高出4-5倍。在热导率要求比较高时，金刚石是唯一可选的热沉材料。金刚石作为散热材料主要有三种应用方式：金刚石衬底、热沉片以及在金刚石结构中引入微通道。

　　金刚石作为半导体衬底材料优势显著。1）高热导率：金刚石在目前已知材料中热导率最高，能在高功率密度设备中有效散热。2）高带隙：金刚石的带隙约为5.5eV，能够在高温、高电压环境中稳定工作，特别适用于高温/高功率电子设备。3）极高的电流承载能力：金刚石的电流承载能力远超传统半导体材料，能适应高电流应用。4）优异的机械强度：金刚石的硬度和抗磨损性使其在苛刻的工作条件下能够保持稳定性能，增加器件的可靠性和寿命。5）抗辐射性：金刚石的抗辐射性使其适合用于空间、核能等高辐射环境中。