散热瓶颈撬动百亿市场，金刚石复合材料加速崛起

随着5G通信、人工智能、高功率芯片等技术的飞速发展，电子设备的功率密度急剧攀升，“热障”已成为制约产业升级的致命瓶颈。在此背景下，金刚石复合材料凭借其无与伦比的性能优势站上风口，并且实现了应用范围的极大拓展。

2025年，全球半导体产业已进入埃米级制程竞争阶段，芯片功率密度与发热强度同步攀升。随着2纳米以下制程技术的突破，芯片内部功耗密度急剧提升。

在算力需求爆发与新能源汽车、AI服务器放量的双重驱动下，散热效率已成为制约高性能计算、第三代半导体器件发展的核心瓶颈。

高热流密度成为最大挑战。尤其是在碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等第三代半导体在高频、大功率条件下，热流密度已超过500 W/cm²，使得传统硅基散热解决方案逐渐难以为继。

最先进的人工智能芯片在训练和推理工作负载期间会产生大量热量，需依靠复杂且昂贵的数据中心冷却系统来维持性能、防止故障。散热不足引发的性能受限、可靠性下降和冷却成本高昂等问题，已成为行业共同痛点。

金刚石的热导率可以达到2000W/m·K，是碳化硅（SiC）、硅（Si）和砷化镓（GaAs）热导率的4倍、13倍和43倍，比铜和银的热导率高出4-5倍。在热导率要求超过500W/m·K时，金刚石是唯一可选的热沉材料。

金刚石复合材料则是指以金刚石（单晶金刚石、多晶金刚石PCD、金刚石微粉等）作为增强相，与金属、陶瓷或高分子等基体相结合，形成具有卓越综合性能的新型超硬材料。

目前，金刚石复合材料主要通过三大形式发挥作用：

• 作为衬底材料支撑宽禁带半导体发展，其5.5eV带隙特性可满足650V以上高压器件需求；

• 作为热沉片直接替代铜钨复合材料，在激光雷达、功率模块中实现15%-20%的散热效率提升；

• 结合微通道结构形成复合散热系统，可将服务器GPU芯片结温降低40℃以上。

金刚石复合材料完美继承了金刚石的高硬度、高耐磨性、高导热性、低摩擦系数和宽禁带半导体等优异特性，同时通过复合工艺克服了金刚石本身脆性大、难加工、成本高的缺点，实现了性能的可设计性和应用范围的极大拓展。

在半导体领域，随着AI算力需求的大爆发，金刚石复合材料在GPU散热中的渗透率正快速提升。特别是在芯片热设计功耗突破400w的AI服务器GPU中，传统风冷系统散热效率趋于极限，系统功耗中超过40%用于热管理。在半导体散热这一前沿阵地，化学气相沉积（CVD）金刚石散热片/基板的市场潜力巨大。

在新能源汽车领域，比亚迪近期申请了一项名为《金刚石-金属复合材料及其制备方法、散热基板、功率模块、车辆》的专利，显示出车企在下一代功率电子热管理方向的系统布局。随着新能源汽车的功率密度与电控集成度不断提高，功率模块成为系统发热的“关键热源”。

在5G与数据中心应用方面，5G基站单站功耗达3.5kW，需高导热材料散热。数据中心液冷服务器需求激增，铝/金刚石复合材料在其中渗透率已超20%。根据全球数据中心数量、建造规模及热管理市场规模的预计，对钻石散热在数据中心热管理市场渗透率，由2025年0.1%提升至2030年12%，预计钻石散热在数据中心市场规模由2025年的0.2亿美元增长至2030年的48亿美元。

航空航天领域也成为重要增长点，卫星热控组件需耐受-180℃至200℃温差，铝/金刚石复合材料的热膨胀系数匹配硅芯片，能显著减少热失效风险。根据QYResearch调研统计，2031年全球铝/金刚石复合材料市场销售额预计将达到31.4亿元，年复合增长率为5.9%（2025-2031）。

金刚石复合材料有望在更多领域取代传统散热材料，数据显示，预计到2027年，金刚石产品在半导体市场的渗透率将突破25%，成为支撑下一代高功率器件发展的核心材料。尽管未来可期，金刚石复合材料的大规模商业化仍面临挑战。

一方面是成本问题制约普及，高品质金刚石原料价格昂贵，复合加工工艺复杂；其次，单晶金刚石衬底价格是碳化硅的3倍以上，需要通过工艺优化实现降本；此外，技术瓶颈待突破，金刚石与金属的界面热阻仍需降低，长期可靠性待验证。在芯片封装领域，将金刚石薄膜直接键合于功率器件芯片表面，可明显降低界面热阻，但面临表面粗糙度大、翘曲高等难题。

基于此，中国高校、科研机构、龙头企业在金刚石复合材料领域的投入了相关研究与布局——

• 2023年10月，华为与哈尔滨工业大学联合申请公布一项专利《一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法》。通过采用混合键合方法，可以实现硅和金刚石的高效集成，将芯片产生的热量快速地导出，并减少热阻，从而提高芯片的散热效率，提高芯片的性能和可靠性。

• 2024年12月，华为申请公布使用金刚石散热层的半导体器件专利。不仅可以增加金刚石散热层与钝化层的接触面积，从而增加金刚石散热层与钝化层之间的结合力，还可以减小栅极与金刚石散热层之间沿半导体器件的厚度方向的热扩散距离，大幅提高半导体器件的散热效率。

• 沃尔德已开发CVD金刚石单/多晶热沉片，HFCVD工艺已成功开发出直径300mm尺寸金刚石产品，凭借金刚石在宽禁带、高热导率和耐高温等特性上的独特优势，未来有望在半导体器件散热、高端医疗器械等领域获得更广泛应用。

• 燕山大学田永君院士团队在《Nature Materials》上发表综述论文，系统总结了通过微结构工程提升金刚石及其衍生材料性能的最新研究进展。团队通过精细调控金刚石晶粒和孪晶结构，充分利用Hall-Petch效应和量子限域效应显著提升了金刚石硬度。

• 吉林大学物理学院朱品文、李全、陶强教授与宁波大学崔田教授合作，在金刚石超硬材料的结构设计与可控制备方面取得新进展。研究团队从含羞草叶片的曲率响应中获得仿生启发，提出了“仿生曲率诱导”设计思路。

• 中南大学张伟教授课题组在激光增材制造金刚石复合材料研究取得新突破，为解决金刚石与金属粘结剂之间显著的热物性差异提供了创新方案。

• 宁波材料所的4英寸超薄金刚石薄膜技术填补了国内在关键热管理材料方向的空白，也为国内高性能芯片散热产业链提供了核心材料层的技术支点。

• 北京大学联合研究团队成功开发了切边后使用胶带进行剥离金刚石膜的方法，能够大量制备大面积（2英寸晶圆）、超薄（亚微米厚度）、超平整（表面粗糙度低于纳米）、超柔性（可360°弯曲）的金刚石薄膜。

  ······

对于国内金刚石复合材料企业来说，要在全球百亿市场中真正崛起，关键在于打破长期“大而不强”的局面，从依赖低成本制造转向依靠技术创新和高端应用。

当前，从市场格局来看，全球市场主要由Element Six、A.L.M.T.Corp.、Smiths Interconnect等头部企业主导。预计2025年全球前五大金刚石材料供应商市占率将达65%，半导体级产品市场集中度更高。具体来看，美国、日本企业仍主导高品质金刚石薄膜市场。日本住友、英国Element Six、美国Diamond Foundry垄断4英寸以上电子级单晶80%市场，通过“衬底+外延”捆绑销售锁定GaN-on-Diamond专利，以构建技术护城河。

除了市场格局的领先与卡位，技术上头部企业近日再获重大突破。日前，Element Six与日本Orbray公司合作，成功开发出50 mm直径高质量、低缺陷密度的单晶金刚石晶圆，导热系数超2200 W/(m·K)，为高功率芯片和先进封装中的散热应用开辟了新路径。

面对差距与挑战，中国企业正积极寻求突破，加大布局与研发。

中南钻石作为行业龙头，其核心动态是与中国电科第十三研究所合作，研究用于量子器件的CVD金刚石NV色心；黄河旋风在散热应用上的突破是成功研发出直径2英寸、热导率超过2000 W/m·K的多晶金刚石热沉片，同时，它与厦门大学共建了集成电路热控联合实验室，专注于芯片散热解决方案；力量钻石与台湾企业合作，建成了专注于半导体高功率散热片的研发制造项目；化合积电呼和浩特的规模化产线在2025年10月正式投产，重点攻关 "四英寸及以上大尺寸高质量金刚石制件" 。其产品方向直接面向激光器、GPU/CPU、5G基站等高端应用场景；宁波晶钻在CVD技术路线上实力强劲，已实现3英寸CVD单晶金刚石的稳定批量化生产，并正在向4英寸以上尺寸突破；四方达其控股子公司天璇半导体计划建设年产70万克拉功能性金刚石产线，并与汇芯通信合作，探索CVD金刚石在通信中高频器件中的应用；国机精工其下属的三磨所计划在新疆投资建设功能性金刚石材料生产线。沃尔德专注于超高精密金刚石刀具，产品用于消费电子、汽车等领域的精密加工；新锋科技由中南大学科研团队领导，专注于金刚石功能材料在电化学、热学等前沿领域的创新研发······

此外，中国已牵头立项ISO《人造金刚石单晶热沉片》与《纳米金刚石研磨液》标准，2026年有望发布，抢占全球话语权。

而国产替代加速同样离不开政策的加持。近年来，国内陆续颁布了系列政策，以为金刚石行业提供良好的政策环境，促进技术创新和产业升级。此前，中国将铝/金刚石复合材料列为“十四五”重点发展的新材料，可以看见，地方政策支持力度不断加大。今年10月，工信部将“高导热金刚石金属复合材料”列入《建材工业鼓励推广应用的技术和产品目录（2025年本）》，这不仅是一份简单的技术名单更新，更是一个明确的国家产业信号，意味着这项新材料获得了国家层面的认可，以加速产业发展。