热沉复合材料：金刚石铜引领第四代散热革命

发布时间：2025-09-26 10:10:11 | 浏览量： 32次

热沉材料概述
散热热沉是电子器件刚需，直接决定器件性能与可靠性 —— 电子器件每升温 10℃，寿命便下降 50%。随着无人机、AI 计算等设备功率与集成度提升，高性能热沉材料需求愈发紧迫。


半导体激光器主流散热封装包括自然对流热沉冷却、微通道、热电制冷等。其中，单管半导体激光器常用自然对流热沉冷却，该方式易加工组装且经济，通常采用高热导率材料，并扩大散热面积以降低激光芯片温度。激光器热量主要产生于芯片有源区，经焊料层、绝缘层、界面层传导至过渡热沉与常规热沉，最终通过常规热沉与冷却介质的对流换热散出。


理想过渡热沉需兼具高热导率与匹配芯片热膨胀系数的特性。铜虽因高热导率常用于热沉，但与芯片热膨胀系数差异大，易产生热应力影响性能。因此，需在芯片与常规热沉间加入过渡热沉，常用材料包括氮化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、钨铜合金、金刚石薄膜等。


天然金刚石热导率达 2000W/(m・K)（约为铜的 5 倍），且热膨胀系数小，是理想热沉材料，但因成本高无法用于封装。目前金刚石热沉主要以CVD 金刚石膜、金刚石 - 金属（铜、铝）复合两种形式应用。

从传统金属到碳基材料的性能跃迁
传统热沉材料（如W/Cu、Mo/Cu及SiC/Al）热导率普遍低于200 W/(m·K)，难以满足高功率器件（如GaN、SiC）的散热需求。以金刚石、石墨烯为代表的碳材料凭借超高热导率（金刚石达2200 W/(m·K)）和低热膨胀系数（金刚石仅1.2×10⁻⁶/K），成为第四代热沉材料的核心突破口。然而，单一碳材料存在短板：石墨抗压强度低且易掉粉，金刚石膜尺寸受限且成本高昂。通过金属基复合技术（如金刚石铜、石墨铝），将这些碳材料与金属复合，可集成高热导率和可调的低热膨胀系数，有望获得满足大功率半导体迫切需求的第四代碳/金属热沉复合材料。
市场规模
1、整体热沉市场稳健扩容
中国功率器件热沉市场规模2022年约150亿元，预计2027年突破300亿元（CAGR≈15%），5G基站、新能源汽车电控系统及AI算力芯片为核心驱动力。


2、金刚石铜渗透率加速提升
2023年全球金刚石铜市场规模1.51亿美元，中国占比21.65%（约32.76百万美元），预计2030年全球达3.33亿美元（CAGR≈12.4%），中国份额将升至25%。当前金刚石铜在热沉市场中渗透率不足2%，伴随成本下降与技术成熟，2027年有望突破10%。

市场应用
1、消费电子：性能升级驱动需求
华为接连申请钻石散热专利，并于2024年12月3日公开，未来有望在高性能计算、5G通信、人工智能等领域广泛应用。与此同时，英伟达的钻石散热GPU已进入测试阶段，可提升AI算力3倍，为消费电子设备的性能提升提供了新的可能，有效缓解消费者对设备发热导致性能下降的担忧。


2、新能源汽车：高压快充核心支撑
比亚迪SiC电驱模块导入国产金刚石铜热沉，支持800V超快充技术；弗劳恩霍夫研究中心将纳米级金刚石膜集成至电动汽车元件，局部热负荷降低至1/10，充电时间缩短30%。这不仅有助于提升电动汽车的充电速度，还能延长电池及相关元件的使用寿命，为新能源汽车行业的发展注入新的活力，推动行业向更高效、更便捷的方向迈进。


3、航天与前沿科技：极端环境首选材料
金刚石所具备的耐高温与抗辐射特性，使其在航天领域成为太空探测器散热材料首选。在极端恶劣的太空环境中，能够可靠地保障设备的散热需求，确保探测器的稳定运行，此外，在量子计算领域，金刚石在量子比特冷却方面展现出巨大的应用潜力，正被IBM、谷歌等巨头密切关注。
发展趋势
金刚石铜市场正处于“技术突破-产能扩张-应用放量”的关键阶段，其增长逻辑清晰，但挑战并存：
1、短期看需求爆发、中期看技术破局、长期看生态构建
短期来看，预计金刚石铜将受益5G基站建设与新能源汽车渗透率提升，带来市场的增量空间。同时，国产替代助力国产材料在消费电子（如旗舰手机VC均热板）中试用量产。长期来看，金刚石铜可向泛半导体领域扩展，如碳化硅外延设备散热基座、聚变堆第一壁材料。此外，金刚石铜还可与3D封装、液冷技术融合，形成“材料-结构-系统”全栈解决方案。


2、风险与挑战
1）成本：金刚石铜的单价是传统铜基热沉的10-15倍，在工业控制、消费电子等领域推广受阻，需依赖规模化生产和政府补贴降低成本。
2）应用场景未完全释放：当前金刚石铜最主要的终端下游为军事国防领域，汽车领域的应用也主要集中在高端车型，其在民用领域的渗透率提升依赖技术更迭和成本控制，短期内大规模应用的难度仍较大。
3）技术替代风险：石墨烯散热方案与碳化硅热沉材料凭借各自的性能-成本优势，在特定的场景对金刚石铜形成替代压力。
关于碳方程
碳方程，主要从事第三、四代半导体材料专用设备的研发与制造，其核心业务为金刚石半导体材料所需的MPCVD长晶设备的研发与生产。公司致力于完善金刚石大尺寸材料的加工工艺及相关配套设备，旨在实现核心设备的自主化与产业化，以推动整个行业的快速发展。

截止目前，公司已成功研发出6KW/10KW/15KW/915MHZ等MPCVD长晶设备并大批量应用于金刚石行业，与此同时，公司在技术创新上持续深耕，不断迭代研发，致力于为行业提供更卓越、更具竞争力的高端设备。
免责声明 | 部分素材源自网络，版权归原作者所有。
本平台发布仅为了传达一种不同观点，不代表对该观点赞同或支持
如涉侵权，请联系我们处理