【編者按】本文作者韋豪創(chuàng)芯 鮑妍，集微網(wǎng)經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)發(fā)。

一、熱沉材料概述

散熱熱沉是電子器件的剛需，是支撐設備性能提升的關鍵。電子器件每升高10攝氏度，壽命下降50%，熱沉材料性能決定了器件性能和可靠性。伴隨無人機、機器人、AI計算等設備的功率和集成度不斷提升，對高性能熱沉材料的需求日益緊迫。

半導體激光器散熱封裝方式主要有自然對流熱沉冷卻、微通道、熱電制冷和噴霧冷卻、熱管散熱等形式。其中，對于單管半導體激光器來說，自然對流熱沉冷卻方式易于加工和組裝，是最經(jīng)濟、常用的冷卻方式。一般采用高熱導率材料做熱沉，擴大自然對流散熱面積來增加散熱量，降低激光芯片的溫度。半導體激光器熱量絕大部分產(chǎn)生在芯片的有源區(qū)，通過焊料層、絕緣層、界面層傳導至過渡熱沉和常規(guī)熱沉，常規(guī)熱沉與冷卻介質(zhì)接觸形成對流換熱，將熱量散出。

理想的過渡熱沉材料應具有高熱導率，同時能與激光器芯片的熱膨脹系數(shù)相匹配。銅具有高熱導率和導電性，在半導體激光器的封裝中常被用作熱沉，但銅的熱膨脹系數(shù)與芯片的熱膨脹系數(shù)相差很大，容易產(chǎn)生熱應力，影響激光器的輸出性能。在芯片和常規(guī)熱沉之間加入高熱導率且膨脹系數(shù)接近芯片熱膨脹系數(shù)的過渡熱沉，可以有效解決這一問題。常用的過渡熱沉材料有氮化鋁陶瓷、氧化鈹陶瓷、碳化硅陶瓷、鎢銅合金、碳化硅晶片、金剛石薄膜片、單層石墨烯等。

其中，天然金剛石材料的熱導率高達2000W/(m·K)，約是銅的5倍，且熱膨脹系數(shù)小。因此采用既電絕緣又高導熱的金剛石作為大功率半導體激光器的熱沉是比較理想的。但天然金剛石由于成本問題無法應用于半導體激光器封裝，目前金剛石用作熱沉材料主要有兩種形式，即金剛石薄膜（CVD金剛石膜）和將金剛石與銅、鋁等金屬復合。

資料來源：艾邦陶瓷展，韋豪創(chuàng)芯整理

二、行業(yè)演進邏輯：從傳統(tǒng)金屬到碳基復合材料的性能躍遷

傳統(tǒng)熱沉材料（如W/Cu、Mo/Cu及SiC/Al）熱導率普遍低于200 W/(m·K)，難以滿足高功率器件（如GaN、SiC）的散熱需求。以金剛石、石墨烯為代表的碳材料憑借超高熱導率（金剛石達2200 W/(m·K)）和低熱膨脹系數(shù)（金剛石僅1.2×10??/K），成為第四代熱沉材料的核心突破口。然而，單一碳材料存在短板：石墨抗壓強度低且易掉粉，金剛石膜尺寸受限且成本高昂。通過金屬基復合技術（如金剛石銅、石墨鋁），將這些碳材料與金屬復合，可集成高熱導率和可調(diào)的低熱膨脹系數(shù)，有望獲得滿足大功率半導體迫切需求的第四代碳/金屬熱沉復合材料。

三、市場規(guī)模：細分賽道高增長，國產(chǎn)化空間廣闊

1、整體熱沉市場穩(wěn)健擴容

參考頭豹研究院的預測，中國功率器件熱沉市場規(guī)模2022年約150億元，預計2027年突破300億元（CAGR≈15%），5G基站、新能源汽車電控系統(tǒng)及AI算力芯片為核心驅(qū)動力。

2、金剛石銅滲透率加速提升

2023年全球金剛石銅市場規(guī)模1.51億美元，中國占比21.65%（約32.76百萬美元），預計2030年全球達3.33億美元（CAGR≈12.4%），中國份額將升至25%。當前金剛石銅在熱沉市場中滲透率不足2%，伴隨成本下降與技術成熟，2027年有望突破10%。

四、競爭格局：日企主導高端，中國廠商突圍

1、國際壟斷與技術壁壘

美、日等國家在這方面研究起步較早。日本住友電工（Sumitomo Electric）占據(jù)全球74.95%市場份額，其800 W/(m·K)高導熱產(chǎn)品技術領先；美國Materion、Element Six聚焦軍工及航天高端市場。美國安德斯諾公司開發(fā)的金剛石銅最高熱導率可達銅的3倍，金剛石銅、碳纖維鋁等已用于雷達的封裝基板、熱沉和宇宙飛船聚光光伏陣列構(gòu)件。我國就金剛石、石墨/金屬等也開展了大量研究，實驗室中金剛石銅的最高熱導率超過銅的2倍，鱗片石墨鋁的熱導率可達到鋁的3倍，但與理論預測值相比仍有明顯提升空間，且國內(nèi)目前仍以實驗室小樣品研究為主，尚未形成穩(wěn)定的市場化產(chǎn)品。

2、國產(chǎn)替代進程提速

中國廠商升華微電子、泰格爾科技等通過界面金屬化工藝突破，熱導率穩(wěn)定達600-800 W/(m·K)，成本較進口低30%-40%，逐步切入華為、比亞迪供應鏈。政策端，“十四五”新材料規(guī)劃將金剛石列為戰(zhàn)略前沿材料，國產(chǎn)CVD設備市占率預計2025年超40%，推動成本下降30%。

五、下游應用：從高端制造向民用場景滲透

1、消費電子：性能升級驅(qū)動需求

華為接連申請鉆石散熱專利，并于2024年12月3日公開，未來有望在高性能計算、5G通信、人工智能等領域廣泛應用。與此同時，英偉達的鉆石散熱GPU已進入測試階段，可提升AI算力3倍，為消費電子設備的性能提升提供了新的可能，有效緩解消費者對設備發(fā)熱導致性能下降的擔憂。

2、新能源汽車：高壓快充核心支撐

比亞迪SiC電驅(qū)模塊導入國產(chǎn)金剛石銅熱沉，支持800V超快充技術；弗勞恩霍夫研究中心將納米級金剛石膜集成至電動汽車元件，局部熱負荷降低至1/10，充電時間縮短30%。這不僅有助于提升電動汽車的充電速度，還能延長電池及相關元件的使用壽命，為新能源汽車行業(yè)的發(fā)展注入新的活力，推動行業(yè)向更高效、更便捷的方向邁進。

3、航天與前沿科技：極端環(huán)境首選材料

金剛石所具備的耐高溫與抗輻射特性，使其在航天領域成為太空探測器散熱材料首選。在極端惡劣的太空環(huán)境中，能夠可靠地保障設備的散熱需求，確保探測器的穩(wěn)定運行，此外，在量子計算領域，金剛石在量子比特冷卻方面展現(xiàn)出巨大的應用潛力，正被IBM、谷歌等巨頭密切關注。

六、未來發(fā)展趨勢

金剛石銅市場正處于“技術突破-產(chǎn)能擴張-應用放量”的關鍵階段，其增長邏輯清晰，但挑戰(zhàn)并存：

1、短期看需求爆發(fā)、中期看技術破局、長期看生態(tài)構(gòu)建

短期來看，預計金剛石銅將受益5G基站建設與新能源汽車滲透率提升，帶來市場的增量空間。同時，國產(chǎn)替代助力國產(chǎn)材料在消費電子（如旗艦手機VC均熱板）中試用量產(chǎn)。長期來看，金剛石銅可向泛半導體領域擴展，如碳化硅外延設備散熱基座、聚變堆第一壁材料。此外，金剛石銅還可與3D封裝、液冷技術融合，形成“材料-結(jié)構(gòu)-系統(tǒng)”全棧解決方案。

2、風險與挑戰(zhàn)

1）成本：金剛石銅的單價是傳統(tǒng)銅基熱沉的10-15倍，在工業(yè)控制、消費電子等領域推廣受阻，需依賴規(guī)?；a(chǎn)和政府補貼降低成本。2）應用場景未完全釋放：當前金剛石銅最主要的終端下游為軍事國防領域，汽車領域的應用也主要集中在高端車型，其在民用領域的滲透率提升依賴技術更迭和成本控制，短期內(nèi)大規(guī)模應用的難度仍較大。3）技術替代風險：石墨烯散熱方案與碳化硅熱沉材料憑借各自的性能-成本優(yōu)勢，在特定的場景對金剛石銅形成替代壓力。