芯片散热讨论中，金刚石很容易被一个数字概括：高质量单晶在室温下的热导率可超过2000 W/(m·K)。这个数字足够亮眼，却没有回答一个更实际的问题——芯片里的热，能不能真正用上它？

热量要先离开发热区域，穿过半导体层和连接界面，进入金刚石，再由冷却系统带走。任何一段受阻，材料本身导热再快，也未必能换来理想的降温效果。

2026年10月2日，电子科技大学等单位研究人员在《Journal of Materials Science》（《材料科学杂志》）发表了一篇关于金刚石异质集成与先进封装热管理的综述，题目为“Review: diamond heterogeneous integration for thermal management—integration strategies and advanced packaging”，将金刚石材料、界面热输运、半导体集成和先进封装放在同一个框架下讨论。来自电子科技大学等单位的研究人员梳理了Si、GaN、SiC和β-Ga₂O₃等平台，以及热扩散片、微通道和金刚石中介层等方向。[1]

读这篇论文，更值得关注的不是又出现了多少性能纪录，而是如何理解这些纪录背后的条件。

金刚石的落地难点，已经不只是“能否做出高导热材料”，而是能否以可接受的工艺、可靠性和成本，让热量顺利进入金刚石，再被后端冷却系统带走。

导热率最高，芯片未必降温最多

首先要区分，材料的热导率与器件的降温效果，是两件不同的事。

单晶金刚石、多晶金刚石、纳米晶薄膜和铜—金刚石复合材料，虽然都带有“金刚石”三个字，却不能使用同一个导热参数。晶界、缺陷、杂质和尺寸效应会改变实际热输运能力；多晶薄膜靠近成核面的区域，也可能与后续长大的晶粒区域表现不同。[1]

因此，不能把高质量单晶块材的最高热导率，直接套用到低温生长薄膜、超薄膜或复合材料上。

材料确定以后，还要看它放在哪里。对于Si/金刚石结构，如果热量必须先穿过厚硅层或其他高热阻材料，才能到达金刚石，那么金刚石的作用就会受到限制。让它接近有源区并参与主要散热路径，才更有机会发挥热扩散优势。[1]

不同半导体对金刚石的需求也不一样。GaN器件往往面临高度集中的沟道热点；β-Ga₂O₃自身导热能力较弱，散热短板更突出；SiC本身已有较好的导热能力，在中等热负荷下，增加金刚石所带来的收益未必足以覆盖额外工艺和成本。[1]

这不是说某一种材料体系更值得投入，而是提醒我们：同一块金刚石，进入不同结构，会有不同的价值。

判断方案好不好，不能停在“用了什么材料”，而要回到相同功率和冷却条件下，热点温度、整体热阻与器件性能究竟改善了多少。

界面不是越“完美”越好

即使金刚石已经靠近热点，热量也不一定能顺利进去。两种材料之间的界面，是另一道关键关口。

金刚石内部的热量主要由晶格振动携带。不同材料的振动模式并不完全匹配，界面上的非晶层、缺陷和化学键连接，也会影响热量跨界面传递。通常用热边界电阻——TBR——衡量这种阻碍，数值越低，意味着相同热流通过时所需的界面温差越小。[1]

把界面层做薄，是常见的优化方向。综述引用的一项GaN/金刚石研究显示，非晶界面层厚度由2.5 nm增加到5.3 nm时，TBR从8.3 m2·K/GW升至34 m2·K/GW。几纳米的变化，足以明显影响界面热输运。[1，2]

但这并不意味着，中间层越薄越好，或者完全没有过渡层就一定最好。

经过设计的中间层，可以充当“声子桥”，改善两侧材料的振动耦合。综述介绍，采用非晶SiC中间层的研究，将GaN/金刚石界面的TBR降至低于5 m2·K/GW，将Si/金刚石界面的TBR降至低于2 m2·K/GW。这些是特定研究结构中的结果，并非所有界面都能直接达到的通用指标。[1，3]

不同材料的声子频谱并不相同。设计中间层，目的之一是改善两侧材料的振动耦合，而不只是把它们粘在一起。图源：综述图10(b)，原始研究见文献[3]。

更进一步，综述指出，原子级突变的界面不一定具有最高的热导。受控的原子互扩散、成分梯度和纳米晶过渡区域，可能为声子增加跨界面传输通道。[1]

这里的“受控”很重要。它不意味着污染、空洞或随机缺陷有益，也不意味着表面清洁和平整度不再重要。帮助传热的过渡结构，需要与削弱连接和可靠性的缺陷区分开。

界面优化的目标，不是让显微图像看起来最“完美”，而是同时实现高效传热、足够的连接强度和稳定的服役表现。

不必铺满芯片，先把热点照顾好

第三个认识，是金刚石未必需要覆盖整个芯片。

芯片内部的发热通常并不均匀。对于局部热流高度集中的结构，把金刚石布置在真正需要热扩散的位置，可能比全覆盖更值得考察。

综述介绍了一项选择性生长研究：通过纳米金刚石种子和图形化掩膜，在2英寸Si和GaN衬底上形成指定区域的金刚石结构。该研究报告，在相同电负荷条件下，引入选择性生长金刚石的Si测试结构，相较裸Si降温超过23℃。[1，4]

通过种子层和掩膜图形控制金刚石生长位置，为按需布置热扩散结构提供路径。图源：综述图6(h)，原始研究见文献[4]。

这个结果说明了局部集成的潜力，但不能直接理解为“任何AI芯片加上局部金刚石，都能下降23℃”。具体收益仍取决于测试结构、热源位置、材料厚度和冷却边界。

局部集成的工程吸引力，在于减少不必要的材料使用，并为电连接、器件加工和其他功能结构留出空间。不过，它也会引入新的问题：生长位置是否准确，图形边缘是否稳定，薄膜是否均匀，局部应力会不会影响可靠性？[1]

所以，全覆盖与局部集成不是简单的优劣关系。对某些结构，连续热扩散层更合理；对另一些结构，针对热点布置材料可能更有效。

目标不是“用更多金刚石”，而是让每一处金刚石都进入有效的散热路径。

热导出来之后，还得运得走

以上三个认识，最终都要落到同一个工程问题：怎样把这条热路径稳定地做出来？

直接在器件上生长金刚石，可以缩短部分传热距离，但传统高质量CVD生长通常需要700–1000℃，与完成后端互连的CMOS器件热预算存在明显冲突。降低生长温度以后，薄膜质量、热导率以及器件电学性能，又需要重新验证。[1]

预先制备金刚石，再通过低温键合与芯片连接，是另一类重要路线。不过，低温解决的是部分热损伤与热应力问题，并不会自动消除表面颗粒、键合空洞、翘曲和界面热阻。[1]

而且，热量进入金刚石之后，并没有凭空消失。它仍然要传递到外部冷却系统。

金刚石和液冷不是互相替代的关系：金刚石帮助热量从局部热点扩散出来，冷却液负责把热量继续带走。

金刚石热扩散片与铜微通道热沉结合：前者改善热点热扩散，后者通过流动冷却液移除热量。图源：综述图12(d)，原始研究见文献[5]。

这也是金刚石热扩散层与微通道冷却协同的意义。但评价时不能只看最高热流密度，还要看通道加工、密封、压降、泵功耗、堵塞风险和长期可靠性。如果采用两相冷却，流动不稳定和压力波动也需要纳入设计。[1]

材料性能、界面连接、热点布局和冷却系统，需要一起考虑。优化了其中一段，却把瓶颈留在另一段，系统收益仍会受限。

对于产业落地，还需要一套完整证据：不只有单点热导率和最低界面热阻，还应有大面积一致性、真实器件的降温效果、热循环后的稳定性，以及加工良率和综合成本。样品验证、器件验证、封装原型与批量制造，是不同阶段，不能相互替代。

从这篇综述出发，应关注的不是“金刚石会不会成为下一代散热材料”这样一个笼统问题，而是一个更具体的判断：在什么结构里，通过什么工艺，它带来的收益足以抵消新增的制造难度和成本？

金刚石的材料优势已经足够清楚。接下来需要持续证明的，是怎样让这种优势在真实芯片和封装中兑现。

从一块高导热材料，到一条低热阻、可靠且可制造的热路径，这才是金刚石散热走向应用的关键。

参考资料

[1] Wu S. et al. Review: diamond heterogeneous integration for thermal management—integration strategies and advanced packaging. Journal of Materials Science, 2026. DOI:
10.1007/s10853-026-13776-8。本文主要依据该综述解读；下列研究为综述引用的原始文献。

[2] Xu B. et al. Record-low thermal boundary resistance at bonded GaN/diamond interface by controlling ultrathin heterogeneous amorphous layer. Acta Materialia, 2025. DOI:
10.1016/j.actamat.2024.120458。

[3] Malakoutian M. et al. Lossless phonon transition through GaN-diamond and Si-diamond interfaces. Advanced Electronic Materials, 2025. DOI: 10.1002/aelm.202400146。

[4] Zhang X. et al. Scalable selective-area diamond growth for thermal management applications. Applied Physics Letters, 2026. DOI: 10.1063/5.0319930。

[5] Han Y. et al. Enhancement of hotspot cooling with diamond heat spreader on Cu microchannel heat sink for GaN-on-Si device. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2014. DOI:
10.1109/TCPMT.2014.2315234。

文中性能数据对应相关研究的具体材料、结构与测试条件，不代表通用器件性能或量产水平。图片为论文图件的局部截取，保留原图内容；版权归原作者或出版方所有。

来源：协创微洞察

注：本文由作者原创,由联盟编辑整理。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。