电子行业：AI芯片高热流时代来临散热需求升级驱动金刚石材料进入爆发期-260610（36页）.pdf

1、证券研究报告AI芯片高热流时代来临，散热需求升级驱动金刚石材料进入爆发期核心观点AI芯片散热需求升级，对传统散热材料与封装结构提出挑战芯片散热能力由材料体系与封装结构共同决定。散热问题是当前制约英伟达Rubin架构及更高代际芯片量产的重要卡点，散热方案可行性及产业落地进度有望成为Rubin系列GPU量产的重要观察窗口。从材料端看，散热材料正由传统铜基材料向金刚石铜、纯金刚石等高导热材料替代；从封装结构看，封装方案正由有盖板（Lidded）的多层界面传热结构，向无盖板（Lidless）的少界面传热结构方向演进。当前主流AI芯片多采用带盖封装（Lidded）结构，热量需经过芯片、TIM材料、散热盖

2、板、外层TIM材料及外部散热器五个层级传导。无盖板（Lidless）结构则是将散热衬底与芯片进行压接或键合，结构上简化了其中1层TIM和散热盖板，简化为3层路径，该设计有望显著降低界面间热阻。高热流密度背景下，传统铜基散热方案亟待升级。单卡功耗提升叠加更小制程导致芯片热流密度急速上升，英伟达GB200热峰值功耗已达到2000W以上，未来Rubin架构芯片等高端GPU热流密度迈向500mathrmW/mathrmcm2。在此背景下，传统铜基散热片和多层封装结构逐渐暴露出导热能力不足、热膨胀系数不匹配、界面热阻累积等问题。在高热流密度场景下，传统散热方案主要面临三方面瓶颈：1铜基材料导热能力已接近

3、性能天花板。铜基材料热导率约为400mathrmW/mcdotK，已难以持续满足下一代高功耗AI芯片的超高热量密度散热需求。2高温状态下，铜与芯片热膨胀系数（CTE）的不匹配风险会进一步放大。铜基材料热膨胀系数约为14times10-6/mathrmK，而硅基芯片热膨胀系数约为2-3times10-6/mathrmK，二者相差约6倍；在高温和频繁热循环环境下，材料膨胀收缩差异将导致界面应力累积，易引发焊点疲劳、芯片开裂分层等可靠性问题。3高温状态下，现有热界面材料（TIM）可靠性下降。Tim材料起到导热、填充界面缝隙的作用，常规TIM例如导热硅脂热导率多处于1-10mathrmW/mcdotK

4、级别，即使高端TIM如液态金属铟箔：可做到10sim80mathrmW/mcdotmathrmK。高热流密度下TIM可能出现泵出、移位，导致热阻上升。核心观点金刚石材料有望成为解决AI芯片散热难题的可行方案之一金刚石及金刚石铜材料与传统铜材料相比具有高热导率、热膨胀系数低、高稳定性等特性。1热导率：金刚石热导率可达2000W/mK以上，约为铜、银的4-5倍；金刚石铜兼具铜与金刚石特性，热导率可达600-900mathrmW/mcdotK，显著高于传统铜基材料400mathrmW/mcdotK的导热能力。2热膨胀率：金刚石热膨胀系数约11.1times10-6/mathrmK，金刚石铜则在48t

5、imes10-6/mathrmK，铜材料在14times10-6/mathrmK；相比金刚石及金刚石铜材料在持续高温环境下表现更为稳定。3稳定性：金刚石及相关材料中碳分子占比高，因此金刚石与金刚石铜相较铜材料具备更强的耐高温和化学稳定性。结合目前产业发展阶段，我们认为金刚石铜散热片有望率先切入产业应用。从应用方向看，金刚石及金刚石铜主要可用于制作散热片和衬底。短期看，散热片与现有Lidded封装工艺兼容性更高，有望率先开启应用；材料选择上，金刚石铜凭借高可用性、低成本和工艺兼容性，有望率先进入产业化阶段。长期看，纯金刚石导热性能天花板更高。1金刚石铜材料性能适配目前产业需求：金刚石铜热导率60

6、0-900W/m-K，适配当前主流高功耗AI芯片散热，纯金刚石散热片散热性能现阶段过剩，但长期看仍是高端散热的必选材料。2金刚石铜材料目前成本优势显著：纯金刚石需依赖CVD设备制备，设备投入大、能耗高、大尺寸良率受限；金刚石铜则是通过金刚石微粉或颗粒与铜材料复合制备，综合成本相对更低。3金刚石铜散热片更易于当前工程化应用：金刚石铜散热片形态接近现有铜盖板，加工性能和封装工艺兼容性较强，同时可进行微通道等加工；纯金刚石散热片脆性较大，对加工精度和使用环境要求更高，而金刚石衬底目