破解高功率器件”散热墙”：金刚石铜复合材料实现关键突破

  【天极网IT新闻频道】热导率稳定达673 W/(m·K)，较纯铜提升近70%;车规级高低温循环500次衰减<3%——我国在高性能热管理材料"卡脖子"环节再下一城。

   北京 / 徐州 —— 随着AI算力芯片功耗突破700W、新能源汽车800V高压平台普及、星载/机载雷达向更高频段演进，高热流密度下的散热瓶颈已从"配套问题"升级为制约整机性能的"咽喉环节"。近日，由北京大学王国栋博士与卢嘉博士(格拉茨技术大学背景)作为共同发明人的金刚石铜(Diamond-Cu)复合材料研发项目传来新进展：送检样品经第三方检测(报告编号S21-B0994)，室温热导率均值达673 W/(m·K)，热膨胀系数6.1 ppm/K，界面结合质量优异，已在吉利、中兴等多家头部企业进入送样或工程验证阶段。

  🔧 痛点：当铜不够用了

   高功率速调管、SiC电驱模块、5G/6G射频PA、AI GPU……这些器件的共同特征是——功率越做越大，体积越做越小，热流密度撞墙。

   传统纯铜热导率约390–401 W/(m·K)，热膨胀系数高达17 ppm/K，与SiC/GaN等宽禁带半导体严重失配，长期热循环下极易引发焊层疲劳、界面分层。行业里有个共识：散热材料不升级，芯片性能再强也释放不出来。

   而金刚石是已知自然界热导率*高的块体材料(单晶可达2200 W/(m·K)以上)，但大尺寸单晶难获取、成本高;把金刚石颗粒"种"进铜基体，做成分散增强复合材料，是兼顾性能与成本的产业化主流路线——难点卡在"金刚石与铜不润湿、界面热阻大"这道工艺关。

  💡 解法：界面改性 + 致密化工艺

   王国栋博士与卢嘉博士团队的核心工作，正是围绕这道"卡脖子"工艺展开：

   界面层设计：在金刚石颗粒表面做金属化改性(Ti/Cr/Zr系复合涂层)，把Cu与金刚石的润湿角压到约18°，界面结合强度提升37%;

   配方优化：通过L9(3⁴)正交试验锁定*优配比——金刚石47.5% + 无氧铜51.2% + Ti-Zr 1.1% + Cr 0.7%，兼顾热导与CTE匹配;

   烧结工艺：采用950–1050℃ / 50–60MPa 放电等离子烧结(SPS)或真空热压，致密度≥99.5%，避免传统HPHT路线对设备极端要求的产业化障碍。

  "单晶金刚石我们做了很多年，但真正能规模化落地的，是金刚石铜这种'折中但聪明'的方案——单晶负责极限场景(比如速调管阴极局部热点)，金刚石铜负责量大面广的电驱、射频、算力节点。"卢嘉博士表示。

  📊 数据：第三方检测可核验

  以40×40×0.5mm规格样件(DMC-673-001，金刚石体积分数约37%，无氧铜基体)为例：

  指标

  实测值

  备注

  热导率(激光闪射法)

  678 / 673 / 669 W/(m·K)，均值673

  满足≥650技术要求

  密度

  4.78 g/cm3

  —

  CTE(25–100℃)

  6.1 ppm/K

  与SiC/GaN匹配

  布氏硬度

  HB 93

  —

  200℃高温后λ变化率

  -2.38%

  ≤±3%合格

  金相界面

  无明显孔隙/裂纹/分离

  界面结合紧密

  数据来源：检测报告 S21-B0994，按 ASTM D5470-17 / 配套国标执行。

  横向对标：同规格进口Element Six产品报价约3980元/片，团队目标报价1000元/片起，阶梯量产后可压至730元/片——性能达进口约83%，成本仅25%。

  🚗 落地：从速调管到车规电驱

  这项技术的产业化载体，是特安锂研究院，王国栋博士、卢嘉博士及陈令修教授(中国矿大)、张鑫达(北真空所，高功率微波器件热管理方向)构成跨学科核心班底。

  目前已披露的验证线索：

   吉利：40×40×0.5mm样品交付杭州湾研究院，进入SEA浩瀚架构800V电驱系统验证;定制化60×45×0.6mm二批样品在测

   中兴通讯：6G联合开发意向，5G基站PA模块TCO对标验证完成

   星际荣耀：民用火箭金刚石铜供应洽谈中

  卢嘉博士早年在欧洲参与CVD设备开发优化，曾获欧盟创新实用技术大奖;王国栋博士则在北大期间深耕宽禁带半导体热场与界面调控，两人一"材"一"器"的配合，让这套金刚石铜方案从一开始就带着"器件视角"——不只是把λ做高，而是让CTE、平整度、镀层可焊性一起过车规/航天规。

  🌐 产业语境：卡脖子 + 政策双驱动

  金刚石及相关复合材料已被美国商务部2022年8月列入商业管制清单，欧盟同步限制对华出口。国内层面：

   《产业结构调整指导目录(2024年本)》将"功能性人造金刚石材料生产装备技术开发"列入鼓励类

   《中国制造2025》把金刚石半导体/特种无机非金属材料列为重点

   河南、江苏等地围绕超硬材料做特色产业集群

  第三方研究口径显示，全球金刚石铜复合材料市场当前约1.6–1.9亿美元，2030/2031年有望走到3.3–3.8亿美元，CAGR约10–12%;中国市场当前盘子十亿人民币级，功率半导体与射频微波是主要拉动力。

  🔮 下一步

  团队方面透露，当前重点是把中试跑通、把车规IATF16949体系搭起来——这才是真正从"样品730"走到"年产几十万片"的门槛。合资公司已启动首轮融资，用于核心设备补齐(真空热压/烧结、LFA导热仪、金相/SEM-EDS、CTE等)、产线落地与认证。

  "散热这件事，过去是配件厂在解决;现在是高功率器件倒逼材料厂——谁先把批次一致性、良率、交付这三件事跑通，谁就能吃下这一波SiC+AI+6G的散热红利。"王国栋博士说。

  附：核心发明人简况

   王国栋，博士，北京大学(金刚石铜复合材料、界面调控方向，本项目共同发明人)

   卢嘉，博士，格拉茨技术大学;中国电科集团金刚石团队核心成员，CVD金刚石材料专家，欧盟创新实用技术大奖获得者(作为核心成员)

   张鑫达，北真空所(高功率速调管热管理工艺)

  (新闻稿数据源自检测报告S21-B0994、团队技术资料及公开行业研究，仅供媒体参考)