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未来芯片热流密度攀升，纯铜材料体系冷板是否触及天花板？

2026 AI俨然成为一场“算力军备竞赛”，在即将到来的GTC2026路透消息英伟达即将推出新款芯片。曾经在几年前单芯片700W还是液冷的门槛，但随着 Blackwell 架构的推出，单芯片功耗已跨越 1000W-1200W，因此液冷方案逐渐也由“可选项”演变为“必选项”。

来源：《中兴通讯液冷技术白皮书》，Semianalysis，东吴证券研究所

以英伟达为例，GPU的热设计功耗已从B200的700W发展到GB300的1400W，再到未来 VR300的潜在4000W。不仅仅是芯片，整机柜功率正从 12kW 跳变至 120kW。这意味着，冷板单位面积需要带走的热量（热流密度）已经从“散热问题”演变成了“物理挑战”。

在高热流密度下，热量从芯片表面进入冷板后，其向四周扩散的速度，完全取决于材料本身的导热本底。 纯铜的热导率在 380-400 W/mK 左右。这意味着即使拥有最好的通道设计，如果材料扩散热量的速度不够快，热量可能在中心区域产生“热堆积”。这种由于基材性能导致的温升，无法通过增加冷却液流速来完全解决。

从单相到两相的冷却技术的演变之外，双鸿科技在 2025 OCP 给出了其冷板技术的五年演进路线图（2024-2028），提出了从材料端优化热管理的技术路线：

·2025年： 侧重单相冷板的流道极致优化。

·2026年： 开启石墨烯铜的商用。

·2027年及以后： 全面迈向金刚石/铜等高导热金属材料。

与此同时，曾经只出现在航天器、卫星热控中的复合相变材料、先进陶瓷材料也正在凭借其超越铜的优异综合性能，试图在数据中心液冷市场实现应用。

未来散热不仅是工程技术问题，当传统单一金属材料的潜力遭遇瓶颈，谁能率先驾驭高热导复合材料也是一条新的产业方向。接下来，逐一拆解金刚石、石墨烯、等新型高导热复合材料的性能绝活，并同步梳理当前供应商。

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金刚石复合材料：打破物理上限的“超级导热材料”

金刚石是自然界中热导率最高的物质（天然金刚石可达 2200 W/mK）。在冷板制造中，通过粉末冶金或真空压力浸渗工艺，将金刚石颗粒均匀嵌入铜或铝基体中形成复合材料。其核心价值在于：（1）将导热性能从铜的 400 W/mK 档位，直接拉升至 600-800 W/mK 甚至更高；（2）纯铜的CTE约为 17，而硅片仅为 3。通过调节金刚石的比例，可以使复合材料的 CTE 降至 6-9，极大地缓解了高低温循环下的封装剪切应力。

（01）金刚石铜（Cu-Diamond）

双鸿在 OCP 大会上重点展示了不同颗粒度对导热性能的影响，这是目前行业内非常前瞻的量化指标：

·Diamond Alloy-250（250μm 颗粒）： 这种较大颗粒的方案，热导率可达 680-730 W/mK。它能够有效解决 1000W 级别芯片的热扩散问题。

·Diamond Alloy-50（50μm 颗粒）： 随着颗粒精细化，热导率进一步推高至 750-800 W/mK。这种材料的表面平整度更高，是针对未来 2000W+芯片准备的储备技术。

（2）金刚石铝（Al-Diamond）

虽然金刚石铝的导热率略低于金刚石铜（通常在 500-600 W/mK），但它拥有独特的商业优势：

·减重优势： 铝的密度仅为铜的 1/3。对于配置了数百个节点的大型 AI 机柜，使用金刚石铝冷板能显著减轻机架承重压力，降低数据中心对地板载荷的要求。

·成本与耐腐蚀性： 铝基复合材料在某些冷却介质（如 PG25 丙二醇水溶液）中具有良好的兼容性，且综合成本相对金刚石铜更具竞争力。

(03)金刚石-碳化硅（Diamond-SiC）

不同于物理混合的金属基复合材料，Diamond-SiC 通过液相渗硅、梯度成型工艺（Fraunhofer IKTS核心工艺）、高温高压烧结法、先驱体转化法等工艺制备。这种材料的各向同性热导率可达 800 W/m·K 以上（约为纯铜的 2 倍），且热膨胀系数（CTE）与硅基半导体完美匹配，彻底消除了高功率芯片表面的界面翘曲风险。

具备极高的硬度和突出的耐腐蚀性。即使在碱性介质或高磨损的水热环境中，依然能保持物理性能稳定。Coherent 在2025 年推出的专利金刚石负载 SiC 陶瓷，专为 AI 数据中心和高性能计算（HPC）设计，目前已应用于直接芯片散热（Direct-on-die）和微通道冷板，是该领域高端商业化的风向标。

此外，金刚石相关热管理材料国内外供应商目前有Element Six、A.L.M.T. Corp、Diamond Foundry、Applied Diamond、Diamond Materials、Leo Da Vinci Group、DiamNeX、宁波晶钻、中南钻石、沃尔德、四方达、豫金刚石、黄河旋风、三磨所、普莱斯曼、飞孟金刚石、晶信绿钻、无限钻、惠丰金刚石、德润斯、昌润极锐、百利来、化合积电、洛阳誉芯、中材高新、碳索芯材、先端晶体、长飞光纤、有研集团、赛墨科技、瑞为新材料、瑞世兴、尤品新材料、上海昌润等企业积极布局产业赛道。

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石墨烯铜：传统冷板的“改良”方案

石墨烯具有极高的面内热导率（单层可达 5000 W/mK）。石墨烯铜复合材料并不是简单地混合，而是通过电沉积、粉末冶金或化学气相沉积（CVD）等工艺，将石墨烯片层定向或弥散地嵌入铜基体中。利用石墨烯的二维特性，可以诱导热量在冷板底座内实现更快速的横向扩散，有效消除芯片中心区域的“热点（Hot Spot）”。石墨烯的加入可以填补铜晶界间的空隙，减少声子散射，从而提升整体热输运能力。

在Auras的路线图中，石墨烯铜被定位于2025-2026年的关键技术节点，其优势在于：

·导热增量：相比纯铜，石墨烯铜的导热率通常能提升15%-30%。虽然绝对数值不如金刚石铜，但在应对 1000W-1200W 功耗时已展现出极高的性价比。

·加工兼容性：这是石墨烯铜最大的杀手锏。它保留了铜的焊接、冲压和 CNC 加工特性。这意味着现有的液冷板生产线无需推倒重来，只需更换基材即可实现性能升级。

·可靠性：石墨烯能增强铜的抗氧化能力和机械强度，在高流速冷却液的冲刷下，冷板内壁的抗冲蚀性能表现更佳。

双鸿科技（Auras）的PPT中明确提到石墨烯铜是其迈向 Advanced Cooling Solution 的重要里程碑。目前国内也有多家碳基复合材料初创公司进行开发，如正泰集团，北京碳垣，福建烯景，北京石墨烯研究院等等。相比金刚石铜，石墨烯铜的供应链成熟度更高，尤其在石墨烯粉体的规模化制备和金属基复合工艺上，已经具备了量产基础。

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碳化硅（SiC）及其复合材料：高性能算力的“定海神针”

碳化硅是一种共价键极强的陶瓷材料，这赋予了它一系列令金属材料望尘莫及的物理特性：纯 SiC 陶瓷的热导率通常在 120-270 W/mK 之间，虽然单看数值低于纯铜，但它拥有极高的声子传输效率。SiC 的 CTE 仅为 3.7-4.5 ppm/℃，这与硅芯片（3.0 ppm/℃）完美匹配。它的刚性是钢的 2 倍以上，意味着在液冷系统的高压冲击下，SiC 冷板几乎不会产生微观形变。

传统铜冷板由于 CTE 与芯片不匹配，频繁的热胀冷缩会导致芯片底部的焊球产生机械疲劳。SiC 冷板由于与芯片CTE的匹配，显著提升了算力系统的使用寿命。不同于金属冷板可能面临的电化学腐蚀，SiC 陶瓷具有极高的化学稳定性，几乎不与任何冷却液发生反应，保证了数据中心 10-15 年的运行可靠性。

在商业化冷板中，最常见的形态是 AlSiC。它是通过将铝合金浸渗入碳化硅陶瓷预制件中形成的。这种“金属-陶瓷结合”的方案解决了纯陶瓷脆性大、难加工的问题。通过改变碳化硅颗粒的体积分数，可以精准调节材料的热膨胀系数。AlSiC 的密度约为 3.0 g/cm³，仅为铜的三分之一。在大型 AI 算力集群中，这能极大地减轻机柜的总负重。

此外在大功率器件液冷中，SiC 材料的高硬度和良好的绝缘潜力，使其成为高功率密度模块液冷散热基板的首选。SiC 硬度仅次于金刚石，常规的 CNC 铣削几乎无法加工。目前主流采用3D打印技术，这使得其初期开模和加工成本高于传统铜铝冷板。目前主要由具备先进陶瓷加工能力的供应商主导。

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复合相变材料（CPCM）：热管理的“削峰填谷”专家

传统的相变材料（如石蜡）虽然能通过固-液转换吸收大量潜热，但其本身导热极差（通常 <0.2 W/m·K）。复合相变材料通过引入高导热骨架（如泡沫铜、膨胀石墨、碳纳米管）形成复合结构；利用相变材料在特定温度（如 50℃-70℃）发生物理相变时吸收的大量能量。导热骨架将材料整体的热导率提升数十倍，使热量能迅速进入相变核心。

 AI 模型在进行大规模推理或瞬时满载时，芯片功耗会产生巨大的脉冲。复合相变材料可以在几毫秒内吸收这些瞬时热量，防止芯片温度瞬间突破阈值导致的强制降频。如果液冷泵或 CDA（冷驱系统）发生意外停机，CPCM 可以利用自身的相变潜热为系统争取宝贵的 3-5 分钟关机时间，避免硬件物理损坏。

通常不直接作为冷板外壳，而是作为“功能芯材”封装在冷板底座内部，或者贴合在芯片周围非核心发热区。现代 CPCM 通过高分子改性，可以做到“固-固相变”或利用骨架吸附，即使在发生相变时也不会有液体流出，保证了数据中心的电气安全性。

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总结与展望：材料定义算力边界

通过对金刚石体系、石墨烯铜、碳化硅复合陶瓷以及复合相变材料的拆解，可以看到：液冷板的进化已经正式脱离了单纯的“五金加工”范畴，迈入“材料工程”时代。在未来的 AI 数据中心部署中，没有一种材料是万能的，取而代之的是“分级散热”的精密策略。

未来的液冷方案将不再局限于 GPU 核心。随着功率密度的攀升，散热压力正沿着电路板蔓延至电源模块、光模块甚至其它组件。这意味着，材料变革将是全链路的。未来的冷板将呈现“异质集成”的趋势——即在核心接触面使用金刚石，在结构件使用 SiC，在关键节点嵌入相变材料的“叠拼式”功能化结构。在这场芯片热管理竞赛中，散热不再是配角，当传统的金属材料触及物理红线，新材料的研发与工程化能力将直接决定算力的稳定性和能效比。