芯片散热难？金刚石+微通道双剑破局

随着电子器件逐渐向集成化、小型化发展，芯片内晶体管的集成度不断上升，热流密度急剧增加。传统散热技术已难以满足半导体器件高热流的散热要求，由此带来的温度堆积问题成为器件失效的主要原因。

微通道散热器由于其极小的体积和优异的散热性能，成为目前解决微型电子元件散热问题的理想选择。与其他散热器相比，微通道散热器在换热效果上更为出色，且具有更紧凑的结构。其原理是在热沉材料或芯片基板上采用精密加工技术制造微细尺度的通道，液态工质在通道内流动时，与通道壁之间发生强烈的热交换，使液体温度升高，并在一定条件下迅速达到沸腾状态，从而有效带走大量的热量。

1 极致散热，金刚石材料制胜

目前微通道散热器主要采用铜、铝、硅以及陶瓷材料制造。

铜具有较高热导率（约400 W/(m·K)），加工成熟，是传统散热材料的重要选择；但铜与半导体材料之间存在较大的热膨胀系数差异，在高温循环条件下容易产生热应力。此外，金属材料导电，在芯片直接散热应用中还需要额外绝缘层，从而增加系统复杂度和热阻。

硅热导率约148 W/(m·K)，且材料脆性较高，在极端热循环条件下容易出现可靠性问题。

相比之下，金刚石拥有目前已知材料中极高的热导性能。同时，金刚石还具有极低的热膨胀系数、优异的机械强度、良好的化学稳定性、高耐辐照能力、电绝缘性能，这些特性使金刚石不仅能够快速扩散热量，还能够提高器件长期运行可靠性。

金刚石微通道热沉充分利用了金刚石材料高热导率特性和微通道结构的高效散热性能，可实现热流密度超过1000 W/cm2的散热能力，已成为业界研究焦点。当前研究围绕单晶金刚石、多晶金刚石及金刚石-金属复合材料基体开展微通道结构加工制备。

2 金刚石微通道，三大工艺探究

由于金刚石的特殊物性，硬度极高，导致普通加工手段难以直接应用。目前，以激光加工、等离子体刻蚀、模型复制法为代表的加工方法是金刚石基材料表面微通道制备的主要方法。

（1）激光加工

激光加工具有非接触、无机械应力、无工具磨损、无加工材料类型限制等特点，是金刚石基材料表面微通道加工的理想方法。然而，受到激光光束高斯传输特性的影响，激光直接加工法制备的微结构存在结构宽度随深度增加逐渐减小、近似V形的现象。

水导激光的出现有效解决了这一问题。水导激光加工的特点是以微细水流（直径数十微米）为激光传导介质，激光在水流内发生全反射并传导至加工区域。水流对激光的导向作用增加了激光聚焦的景深，能够获得高精度、高深宽比的微通道结构，水射流及时冷却加工区域也能够有效减少激光加工损伤。

水导激光加工示意图

（2）等离子体刻蚀加工

等离子体刻蚀也是金刚石材料表面微结构加工的重要方法，在等离子体的轰击下，金刚石材料表面原子通过化学反应挥发，从而完成微结构的加工。该方法所加工结构的精度较高，能够实现毫米级到纳米级的表面精密刻蚀加工，且能够制备复杂表面结构。

等离子体蚀刻加工后的毫米级微结构

（3）模型复制法

模型复制法是金刚石表面微通道加工的新方法，通过在周期性微结构表面沉积金刚石，采用其他加工方法去除衬底材料，获得复制的金刚石微结构表面。该方法将材料制备与微通道成形合二为一，有望从根本上绕开超硬材料的后加工难题，是最具量产潜力的技术方向之一。

模型复制法制得的微结构

3 技术革新，金刚石微通道研究新态势

近年来，围绕金刚石微通道、金刚石复合材料微通道以及相关加工与界面技术，业界开展了系列研究并取得了多项成果。

（1）综述性文章

2026年7月，美国密歇根州立大学研究团队发表金刚石微通道散热器综述，系统总结了金刚石微通道散热器的发展现状、理论模型、制造工艺、芯片集成方法以及未来挑战，为金刚石散热技术从实验室研究走向工程应用提供了全面分析。

金刚石微通道热沉演变的示意图

（2）研究进展

厦门大学洪明辉团队创新采用红外光热辅助纳秒激光烧蚀工艺，在金刚石基材制备微通道，将加工产生的微裂纹控制在100nm以内，同步提升了激光加工效率与金刚石微通道散热性能。

哈尔滨工业大学的李俐群团队系统探索了利用皮秒激光直接加工金刚石微通道散热结构的工艺方法，实现了从微结构加工到完整器件集成的重要进展。研究攻克了皮秒激光加工金刚石微通道的石墨化控制、锥度抑制、粗糙度优化三大关键工艺难题，实现了深宽比4:1、侧壁锥度小于1°的精密加工，为金刚石在高功率芯片嵌入式液冷散热中的应用提供了可行方案。

微通道散热组件整体形态示意图

西安交通大学胡文波团队基于机器学习的多目标优化方法，提出了一种同时考虑热工水力性能和制造目标的金刚石微通道热沉设计目标优化方法。基于可解释机器学习，针对金刚石微通道散热器开展多目标优化设计，最优方案仅牺牲20%综合性能（PEC），即可实现61.6%材料成本与58%加工难度的大幅降低，成功地平衡了性能与可制造性。

微通道热沉的网格结构

（3）落地成果

2026年4月，曙光数创推出全球首个MW级相变浸没液冷整机柜及基础设施整体解决方案（C8000 V3.0），赛墨科技自主研发的金刚石铜微通道产品，在该方案中实现规模化落地应用，使导热效率提升80%，直接助力芯片性能提升约10%。搭载该散热架构的国产芯片已成功部署于郑州曙光ScaleX万卡超集群暨国家超算互联网核心节点工程。

参考来源：
[1]邓世博等：金刚石基材料及其表面微通道制备技术在高效散热中的应用
[2]吴楠：金刚石/铜微通道热沉的构建与性能研究
[3]姜海涛等：金刚石微通道热沉焊接技术的研究进展
[4]芯片散热、中国机床工具工业协会超硬分会