文章核心观点 - 在AI算力爆炸时代，高功率电子器件的热管理已成为制约性能的关键瓶颈，以金刚石及其复合材料为代表的高导热材料是解决该问题的核心方向，并已正式切入全球AI算力核心供应链 [2][4] - 英伟达与台积电等业界领导者正通过材料创新（如金刚石、碳化硅）与先进封装/冷却技术（如微通道盖、直接液体冷却）的协同设计，推动热管理从“辅助工程”向定义算力天花板的“核心变量”演变，目标是实现“零界面”热阻以支持未来功耗高达2000W-5000W的AI芯片 [25][33][49][50] 金刚石热管理材料体系 - 单晶金刚石：热导率高达20002200 W/m·K，是铜（约400 W/m·K）的5倍以上，被誉为热管理“终极材料”，在AI数据中心、激光器热沉等领域潜力巨大，但面临成本高、制备尺寸受限及界面传热效率等产业化挑战 [6][7] - 金刚石-铜复合材料：典型热导率可达450-600 W/m·K，通过将金刚石颗粒引入铜基体实现高导热与良好加工性的平衡，热膨胀系数接近SiC，适用于芯片散热、高功率半导体封装等领域，但界面热阻和成本是关键挑战 [9][10][13] - 金刚石-铝复合材料：典型热导率约440-530 W/m·K，密度（3.1-3.2 g/cm³）低于金刚石/铜，实现了轻量化与高导热的结合，适合航空航天、便携式高功率设备等对重量敏感的应用 [9][14] - 金刚石/SiC复合基板：具备高导热、热膨胀匹配等优点，是理想的电子封装材料，例如Coherent Corp在2025年推出的专利材料热导率超过800 W/m·K，是铜的两倍，专为AI数据中心和高性能计算系统设计 [16][17] 金刚石半导体封装热管理解决方案 - 散热需求与材料优势：常见半导体材料（如Si、SiC、GaN）热导率通常不超过500 W/m·K，而大功率器件功率密度可达1000 W/cm²，局部热点功率密度甚至是平均值的510倍，金刚石作为最高热导率的热沉材料，是提高散热能力的未来方案 [18] - 直接连接工艺：旨在充分发挥金刚石高导热性，主要方式包括在半导体上直接沉积金刚石膜，或通过低温键合将半导体外延层与金刚石衬底结合，后者降低了制备难度，但对表面平整度（粗糙度<1 nm）要求极高，目前仅在毫米尺度芯片上成功，难以大规模应用 [21][22] - 间接连接封装：作为成熟工艺，使用焊料、低熔点中间层或纳米银低温烧结等方式进行芯片与基板间的连接，其中纳米银烧结技术的研究热点在于实现硅芯片的大面积低温无压/低压连接 [23][24] 未来散热终极方案：台积电与英伟达的战略路线 - 散热挑战：英伟达Blackwell B300的TDP已达1400W，未来Rubin架构功耗将逼近2000W-5000W，在CoWoS等先进封装中，热量需穿越多个功能层和界面，分层热界面导致热量无法100%有效传递，形成局部热点，累积热阻是限制芯片最大功率输出的主要因素之一 [25][27][31][33] - 材料解决方案：核心是引入高导热材料以缩短热路径并降低界面热阻，具体包括：1) SiC衬底，导热系数~370–490 W/m·K；2) 金刚石薄膜/CVD金刚石，导热系数1000–2200 W/m·K，适合>500 W/cm²的热通量场景；3) 铜-金刚石复合材料，通过液固分离技术实现极高导热性 [35][36][42] - 结构创新与冷却技术：通过增加热交换表面积来增强散热，主要方向包括：1) 微通道盖（MCL），英伟达预估下一代Vera Rubin架构可能搭载；2) 直接液体冷却（DLC），台积电将微流控结构直接集成到芯片背面；3) 热界面材料（TIM）向“零界面”热阻的终极目标演变 [44][46][48] - 协同设计范式：台积电专注于发展TIM、硅集成微流控技术及引入SiC/金刚石衬底，英伟达强调MLCP、系统级液体冷却及散热与封装架构的共同设计，两者目标趋同于降低热阻和增加有效散热面积，标志着散热解决方案从系统层面向芯片/封装层面集成的范式转变 [49][50]