【原创】金刚石铜，开启算力新时代的“散热引擎”

2026-02-11
来源：中国粉体网石语

333人阅读

[导读] 金刚石铜，赋能高端散热

中国粉体网讯 金刚石作为自然界中硬度最高的物质，同时还拥有极高的热导率，其数值可达2300W/(m·K)，这一特性使其在散热领域极具潜力。而铜，作为一种常见的金属，不仅具有良好的导电性，导热性在金属中也名列前茅，导热系数约为401W/(m·K)，且具备出色的加工性能和良好的韧性。将金刚石的高硬度、高导热以及低热膨胀系数等特性，与铜的高导电性、良好导热性和加工性能相结合，金刚石铜复合材料应运而生，拥有了一系列优异的综合性能。

金刚石铜，图源：南京瑞为新材料科技有限公司

01 算力狂飙下，多领域急需高端散热解决方案

当下正处在“算力为王”的时代，芯片的发热量早已成为制约其性能进一步提升的关键瓶颈。从手中的智能手机、笔记本电脑，到支撑数字经济的大数据中心、5G基站，再到高端制造领域的航空航天、自动驾驶，几乎所有高科技设备的升级，都离不开高效散热技术的支撑。如何高效、快速地将芯片产生的巨大热量导出，成为整个高科技产业面临的共同难题，催生了对高端散热材料的迫切需求。

行业巨头的动作，早已释放出清晰的信号。英伟达采用金刚石散热的GPU实验显示，AI及云计算性能提升3倍，温度降低60%，能耗下降40%。更值得关注的是，英伟达已明确表态，其下一代Vera Rubin架构GPU，将全面采用“金刚石铜复合散热+45℃温水直液冷”全新方案。这意味着，金刚石铜复合散热，正成为破解散热瓶颈的关键希望。

02 不同制备工艺适配不同需求

制备方法对金刚石/铜复合材料的热物理性能影响巨大，常见的制备方法主要包括高温高压法、液相熔渗法、放电等离子烧结法以及真空热压烧结法等。

高温高压法通过高温将铜粉熔化成铜熔体，并利用六面顶压机提供高压，得到致密的金刚石/铜复合材料。该方法可以得到高致密度、高金刚石体积分数、超高导热的复合材料，并且制备时间较短、效率高。然而，该方法制备条件苛刻、制备成本高昂，制备尺寸较小。

六面顶压机简要示意图

液相熔渗法是将金刚石颗粒制备成具有一定强度的预制体，而后熔融状态的铜在毛细作用或压力作用下填充至金刚石颗粒之间的缝隙中，冷却后得到复合材料。无压熔渗需要将复合材料置于基体金属熔点以上长时间保温，依靠毛细管效应实现熔渗，然而这种工艺需要增强体和基体具有较好的润湿性，并且熔渗效率低。

熔渗示意图

放电等离子烧结法（SPS）能够使材料粉末在低于熔点的温度下进行致密烧结，并且烧结时间短、效率高。该工艺是对金刚石和铜的混合粉体施加开-断式高能脉冲电流和一定压力，在颗粒间激发等离子体，粒子流的高速运动使粉末表面吸附的气体逃逸，并破坏了粉末表层的氧化膜。脉冲电流对混合粉体起到了活化和净化的作用，使其能够在较低的烧结温度和较短的烧结时间下形成致密的金刚石/铜复合材料。

SPS设备示意图

真空热压烧结法是在高真空条件下将金刚石和铜的混合粉末同时升温和压制。此工艺所需的烧结压力通常在100MPa以下。炉内的高真空环境既有效地降低了复合材料的烧结温度，使其能够比正常压烧低200℃-300℃，又能排除微小气孔中的气体，促进热压材料的致密化。真空热压烧结法制备的复合材料呈现微米尺度的扩散连接界面，有利于热导率的提升。

真空热压烧结法

03 界面改性：决定金刚石铜性能的“关键一步”

无论采用哪种制备工艺，金刚石与铜之间的界面结合问题，都是决定复合材料最终性能的核心瓶颈。由于金刚石与铜的物理、化学性质差异较大，两者的界面结合性较差——这不仅会阻碍热量在界面间的传导，降低整体热导率，还会削弱复合材料的机械强度，严重影响其实际应用。

因此，无论是从实际应用需求出发，还是从提升材料热导性能的角度考虑，做好界面改性，提升金刚石与铜的界面结合度，都显得尤为重要。目前，界面改性的方法主要有两大类：基体合金化和金刚石表面金属化。

基体合金化是指通过在基体中加入适量的合金元素来实现对界面的优化。所选合金元素需要既可溶于熔融金属，能够与基体金属形成合金；但溶解度又不能太高以至于大幅降低铜基体的性能，如B、Cr、Ti、Si等。基体合金化制备复合材料主要有两种途径，一是合金粉末、铜粉和金刚石粉末直接物理混合进行后续的烧结等工艺，二是将铜和合金粉末预先合金化，再采用铜合金粉末进行制备金刚石/铜复合材料。

金刚石表面金属化是指采用不同镀覆工艺在金刚石颗粒表面镀覆金属碳化物层或金属。与基体合金化相比，金刚石表面金属化能够在不影响基体导热性的前提下，有目的地优化复合材料界面。在复合材料制备过程中，可以通过调控镀覆参数直接控制镀层的成分、厚度等，使金属或碳化物镀层与金刚石和铜形成良好的界面结合。常用的金刚石表面金属化方法主要有化学镀膜、盐浴镀膜、真空蒸发镀膜以及磁控溅射镀膜等。