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金刚石铜:这次不是概念,是进了机房

金刚石铜:这次不是概念,是进了机房 粉末冶金与注射成形产业链
2026-10-28
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导读:金刚石散热过去几年基本活在 PPT 和研报里。2026 年 4 月,它在郑州的一间机房里落地了——不是放在展台上,是在跑着国产万卡集群的生产环境里。


金刚石散热过去几年基本活在 PPT 和研报里。2026 年 4 月,它在郑州的一间机房里落地了——不是放在展台上,是在跑着国产万卡集群的生产环境里。

1机房里到底发生了什么

2026 年 4 月,中国科学院宁波材料所功能碳素材料团队研制的金刚石/铜复合材料,在国家超算互联网核心节点完成集群部署——这是该材料在全球首次大规模用于算力芯片热控。

承载它的是一套国产万卡超集群,采用浸没式相变液冷,相比同期国际顶尖计算集群节能 30% 以上。机房里那块紧贴芯片的"散热贴"厚度不起眼,却把这条散热路径上的铜换掉了。


郑州国家超算互联网核心节点实测(上海证券报报道口径)

1000+ W/(m·K)

金刚石/铜复合材料热导率

+80%

芯片模组传热能力提升

+10%

芯片性能提升

−5℃

工作温度反而下降

2为什么非得换掉铜

因为热已经把铜逼到墙角。据公开报道,下一代高端 GPU 单颗功耗已达 2300 W、热流密度超过 1000 W/cm²,单靠铜很难把这么多热搬走。业内常见的判断是:单芯片功耗超过 1400 W 之后,金刚石就不再是"可选项"。

表 1|主流散热材料的两面:导热 vs 膨胀匹配

材料
热导率 W/(m·K)
热膨胀系数 ×10⁻⁶/K
铜
约 400
约 17
铝
约 237
约 23
金刚石/铜
600~900
5~8
金刚石/铝
约 500
更低,密度 <3 g/cm³
单晶金刚石
2000~2200
约 1

注:复合材料的数值受金刚石体积分数、粒径与界面状态影响极大,本表为常见区间而非定值。

真正让它赢下这个位置的不只是导热高,而是导热与膨胀同时匹配——膨胀系数落在半导体这一档,长期热循环时不容易被界面应力撕开。

3难就难在两个材料根本"合不来"

这里有个反直觉的事实:金刚石和铜在热力学上互不固溶,既不相溶也不反应,界面结合极弱。更麻烦的是声子失配——金刚石的声子速度约 13.4 km/s,铜只有约 2.8 km/s,热量以声子形式穿过界面时大量散射,这就是界面热阻。

后果很尴尬:不做界面改性的金刚石/铜,实测热导率只有 108 W/(m·K) 上下,比纯铜还差。花了金刚石的钱,换来一个打不过铜的结果。

4六条工艺路线,六种天花板

有意思的是,这些路线大多姓"粉"——混粉、压制、烧结、熔渗,都是粉末冶金的老本行,区别只在压力、尺寸与成本。

表 2|金刚石/铜主流制备路线(文献汇总值)

工艺
典型条件
最优热导率
位置
气压熔渗 GPI
1100~1200℃、3~8 MPa
868
量产主力,郑州已验证
真空热压 VHPS
900~1050℃、20~80 MPa
763
设备简单,片状为主
放电等离子 SPS
900℃、30~50 MPa、5~20 min
657
快,但尺寸受限
粉末冶金 PM
900~960℃、Ar 保护
640
最成熟,界面结合偏弱
高温高压 HPHT
3~6 GPa、1000~1300℃
742
致密度 >99.5%,成本极高
粘结剂喷射 3D 打印
打印—脱脂—烧结/熔渗
约 700
首条量产线刚投产

注:表中热导率单位为 W/(m·K),均为各路线文献报道的高值,与批量交付件的常态值存在差距。

5把 108 拉到 800:靠一层纳米膜

破局思路只有两个方向:给金刚石颗粒表面镀一层活性金属,或在铜基体里掺微量碳化物形成元素,让界面长出碳化物过渡层,把两个"合不来"的材料粘起来。

表 3|几种界面镀层的"甜区"与对应热导率

镀层元素
生成相
最优厚度
热导率
W
WC/W₂C
约 218 nm
807
Mo
Mo₂C
约 200 nm
726
Zr
ZrC
约 50 nm
735
Cr
Cr₃C₂
约 81 nm
687
Ti
TiC
约 100 nm
620

注:热导率单位 W/(m·K)。镀层存在"甜区",并非越厚越好——有研究显示 W 层加到 300 nm,热导率会从 807 掉回 730。

换句话说,这道工序的公差窗口是几十个纳米——同样的配方,不同班组做出来能差一截。

6三道坎还没过去,别急着欢呼

  • 成本仍是硬约束。
    这类复合材料成本约为纯铜的 3~5 倍,其中金刚石微粉占约 40%、界面改性 15%~20%、烧结或熔渗 25%~30%。用废弃细粒金刚石替代原料,是被看好的降本方向之一。
  • 加工是真难。
    金刚石是已知最硬的材料,切割基本得靠超快激光;切一片 25 mm 见方的晶片,仅切割损耗就可能超过 1 mm。
  • "规模化"是相对过去,不是相对铜。
    这次的量是相对实验室送样而言的,和散热器的年出货量还不在一个数量级。

7三点观察

  • 先找准它的角色。
    眼下它不是通用替代材料,而是"关键位置的高价补丁"——先落在 AI 服务器、超算这类散热单价高、失效代价重的场景,再谈向下渗透。
  • 真门槛在那一层纳米膜。
    厚了不行、薄了不行,元素既是成本也是风险,这道工序决定了谁能做出批次一致的货。
  • 对粉末冶金是熟悉题。
    混粉、压制、烧结、熔渗这些干了几十年的老工艺,正在被一个新需求重新定价。


难的不是把热导率做到 1000,难的是把每一片的界面都做到同一个厚度。从"做出来"到"每次都一样",这道坎跟材料本身的关系,反而没那么大

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