我国科学家研制出高导热金刚石/铜散热模组，已应用于曙光数创液冷机柜

电子发烧友网报道 近日，曙光数创正式推出全球首个MW级相变浸没液冷整机柜及其基础设施整体解决方案（C8000 V3.0）。其采用的浸没式相变液冷换热技术表现卓越，最高可支持单机柜功率超过900kW，达到MW级，是传统液冷方案的3 - 5倍，散热能力超过200W/cm²。该方案采用自研国产冷媒，可实现全年自然冷却。此外，它首次规模化应用了金刚石铜导热材料，使导热率提升80%，助力芯片性能提升10%。
 
宁波材料所研发出金刚石/铜高导热复合材料
 
这款关键的金刚石铜导热材料由中国科学院宁波材料技术与工程研究所功能碳素材料团队研发。该所表示，随着算力产业高速发展，芯片热设计功耗持续攀升，“热墙”（thermal wall）已成为制约全球算力产业升级的关键瓶颈。长期以来，我国高端散热材料高度依赖进口，导热效率与成本问题直接影响算力基础设施的自主可控水平。攻克极端热管技术难题，研发更高性能的先进热管理材料，构建自主可控的热管理材料产业链，成为保障我国算力产业安全、提升核心竞争力的迫切需求。
 
该团队依托自主研发的高效率3D复合技术与规模化制备工艺，通过“基础研究—中试验证—产业推广”全链条布局，系统攻克了金刚石铜复合材料在“分散难”“加工难”“表面处理难”等方面的制造难题，成功研制出热导率突破1000W/mK的金刚石铜复合材料。该材料在导热率、热膨胀匹配及加工精度等关键指标上达到国际先进水平。
 
金刚石/铜复合材料导热原理
 
金刚石/铜复合材料被视为第三代先进电子封装材料。它巧妙结合了金刚石极高的热导率和铜的良好导热性及加工性，具有高导热、低密度、热膨胀系数可调等优点，是解决AI芯片、5G基站等高功率电子器件散热问题的理想选择。
 
其导热原理是电子导热与声子导热两种机制协同作用。铜作为连续的基体，导热主要依靠内部大量自由电子的运动。当材料一端受热时，高能自由电子会迅速移动到低温区域，通过与原子或其他电子的碰撞传递能量，实现高效热量传导。而金刚石作为增强相，其原子通过强烈的共价键结合，形成规整的晶格结构。热量在金刚石中主要以晶格振动的形式传播，这种晶格振动的能量量子被称为“声子”。由于金刚石晶格缺陷极少，声子传播阻碍小，因此具有极高的热导率（可达2200 W/(m·K)）。
 
然而，将铜和金刚石复合在一起并非易事，会遇到巨大的难题——界面热阻。一方面，导热机制不匹配，铜依靠“电子”，金刚石依靠“声子”，两种能量载体在界面处难以高效进行能量交换。另一方面，物理化学性质差异大，金刚石与铜在热力学上互不固溶，且润湿性极差（接触角大），导致界面结合强度低，容易产生微观缺陷和缝隙，成为声子和电子传输的“路障”，极大地阻碍热量传递。
 
为了充分发挥金刚石的超高导热潜力，必须对金刚石/铜界面进行优化，搭建高效的“热桥”。目前主要有两种策略。
 
一是金刚石表面金属化。在金刚石颗粒表面预先镀上一层薄薄的活性金属（如铬Cr、钛Ti、钨W等）。在后续烧结过程中，这层活性金属会与金刚石表面的碳反应，形成一层碳化物（如Cr₃C₂, TiC, WC）过渡层。这层碳化物既能与金刚石形成牢固的化学键结合，又能与铜基体良好地润湿，从而显著降低界面热阻。
 
二是铜基体合金化。在铜基体中添加少量的活性元素（如锆Zr、硼B等）。在制备过程中，这些活性元素会扩散到金刚石/铜界面处，与金刚石反应原位生成碳化物层，同样起到改善润湿性和增强界面结合的作用。
 
通过上述界面优化技术，热量在铜和金刚石之间的传递路径得以有效打通，使复合材料的整体热导率远超纯铜，达到500 - 1000 W/(m·K)甚至更高。
 
金刚石/铜散热模组的成功研制与应用，是我国在高端散热材料领域的一次重大突破。它不仅解决了国产算力芯片的散热难题，更为我国算力产业的发展提供了坚实的技术支撑，有望在全球算力竞争中占据更有利的地位。