一、 引言

2026年5月，IEEE国际电路与系统研讨会（ISCAS 2026）上提出的“韬（τ）定律”，标志着半导体产业正式跨入了一个新的发展纪元。随着传统几何微缩已接近物理极限，行业转向新范式——以时间常数τ微缩为目标，通过压缩信号传播时延提升系统性能。

这一演进将半导体性能提升的核心驱动力，从“单位面积上晶体管数量的倍增”转向“单位运算周期内信号传播时延的缩减”。通过先进封装与逻辑折叠技术，芯片架构正从二维的平面延展，升级为三维的垂直互连。这种用纵向“电梯”替代横向“公路”的设计，从根源上大幅削减了信号传播的时间损耗,最终反映为系统工作频率或能效比的实际提升。

二、 架构升维面临的挑战

散热，始终是阻碍算力跃升的主要挑战之一。

现代芯片的发热主要来源为：

1）导通损耗：电流流经构成晶体管的半导体和金属材料时遇到电阻产生的焦耳热。

2）漏电损耗：晶体管在关闭状态下，存在微量的漏电流。

3）开关损耗：在状态切换的瞬间，会出现短暂的短路电流。

热区散热响应速度

过去，半导体产业遵循“登纳德缩放定律”，晶体管尺寸缩小后，其功耗也会同步降低，功耗密度在一般散热方式下也相对可控。但随着半导体工艺进入2nm时代，量子隧穿等效应凸显，热量在更小的空间内高度集中。尤其是在AI大模型的驱动下，单芯片功耗已突破1400瓦。

更严峻的是，逻辑折叠与3D堆叠技术虽然缩短了信号路径，却显著改变了器件的热力学特征，形成了新的架构困局——结构性热陷阱：

1）垂直热陷阱：3D堆叠架构中，底层逻辑层产生的热量需穿透上层活性硅与微缩互连阵列才能抵达散热环境。每增加一层结构，就会增加一层的热阻，导致核心区域热量被深度封存。

2）局部极端热点：高密度计算单元产生的局部热流密度使微型区域内的热量累积速度远超标准硅或铜基板的导热极限，导致微型区域出现瞬时热失控的风险。

以上效应强化了热-漏电反馈循环：当核心温度升高时，静态漏电流呈指数级增长，产生额外废热，最终迫使芯片进入降频运行或引发结构性失效的状态。在三维集成架构下，这一循环被多重因素显著加剧：首先，垂直热阻链式累积导致热量难以排出，局部温度更快突破漏电指数增长阈值；其次，更高的热流密度使温升曲线更陡峭，大幅提升正反馈循环速度；最后，层间热耦合与TSV缺陷形成漏电跨层传播通道，将单点失效扩大为系统级风险。

三、 堆叠时代的热设计与金刚石

算力扩展的未来不仅属于速度快的架构，也属于温度控制精准的设计。热管理方案要下沉至微架构层面，需内嵌于硅堆叠结构本身，在热量生成的瞬间即实现快速导出。这要求材料既能作为半导体制造的结构组件，又需提供高导热性能。其中，金刚石凭借其综合特性脱颖而出，被视为解决高热流密度问题的良好材料。华为早在2023年就公布了一项名为“一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法”的专利，探索硅基芯片前沿散热路径。

从材料角度，高纯度金刚石室温导热系数（Thermal Conductivity）超2000 W/(m·K)，这一数值是纯铜的5倍、银的7倍，其热扩散系数（Thermal Diffusivity）可达1300mm²/s[1]，是纯铜十倍以上，堪称声子传输的"超导通道"。除导热优势外，高纯度金刚石还具备三项关键特性：

1）优异的电绝缘与介电强度

金刚石在保持高导热性的同时兼具优异电绝缘性与高击穿电压，可直接接触活性逻辑单元并构成微距互连，规避短路风险。

2）高热机械兼容性

先进3D封装的主要失效源于热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion：CTE）失配引发的界面应力：铜的CTE约16.5 ~ 16.6 ppm/K，比硅2.55 ~ 2.61高一个数量级。而金刚石（1.0 ~ 1.2 ppm/K）更匹配硅材料，可显著降低界面应力，避免极端热循环下的微凸点断裂。

3）微流道集成潜力

得益于其耐化学腐蚀与高物理强度，金刚石可加工出高深宽比微流道。结合液冷技术可实现局部热点的快速热量导出。

以上特性，使金刚石成为新时代散热难题的可行解。可行的应用方案如：

1）构建导热“宽带”：快速疏散芯片热量

金刚石散热基板可直接键合于硅芯片表面，构建起高速声子传导路径。传统铜基材料面临界面热量传输瓶颈，而金刚石-硅键合界面凭借其低界面热阻，能将高功率单元在极短时间内产生的大量热量向外高效疏散，解决热堆积问题。

2）构筑散热“骨架”：打通层间垂直导热网络

在先进的三维堆叠架构中，金刚石材料能够嵌入芯片的堆叠层之间，相当于在密集的逻辑单元中构筑了直达外部的“垂直散热通道”。这种设计让核心区域的深层热量得以多路径、高效率地穿透导出，不再被层间热阻逐级封锁。而且，金刚石和硅芯片的热膨胀系数接近，能显著降低热应力，提升3D堆叠芯片的长期可靠性。

3）散热与电气性能双提升

金刚石兼具高的导热率与击穿场强，在小空间尺度内实现了高绝缘与高导热的良好性能融合，规避了紧凑微距互连中的漏电风险。若进一步结合微通道及微泵液冷技术，金刚石散热系统不仅能作为静态导热载体，更能对系统内的局部极端热点实施精准温控，在保障物理结构安全的同时，释放底层芯片的更大算力潜能。

四、 金刚石：差异化产品路线

针对不同的应用环境与产业化进度，目前金刚石材料已演化出多条高潜力的产业化路线：

1. CVD 单晶金刚石散热片/衬底

• 性能：热导率2000~2200W/(m·K)，高纯度、无晶界，绝缘性良好

• 制备：微波等离子 CVD（MPCVD）为主，HPHT 高温高压单晶为辅

• 形态：超薄或较薄的热沉片（50~2000μm）、较小尺寸衬底（目前3英寸以内）

• 特点：性能优势明显，但尺寸受限，适用于高端场景及小尺寸场景。

沃尔德单晶金刚石热沉片

2. CVD 多晶金刚石散热片 / 基板

• 性能：热导率800~1800W/(m·K)，大尺寸可量产（6/8/12 英寸晶圆）

• 制备：CVD 气相沉积，晶粒聚合而成

• 形态：大尺寸，可异质复合（在硅、碳化硅等衬底表面直接生长金刚石）

• 特点：性价比高，尺寸大，但表面很难达到超高质量

沃尔德多晶金刚石热沉片

3. 金刚石金属复合材料

• 金刚石 - 铜复合材料（Diamond-Cu）：热导率 500~1000W/(m·K)，可焊接，CTE可调，是高功率AI服务器热沉的重要解决方案。

• 金刚石 - 铝复合材料（Diamond-Al）：热导率 500~800W/(m·K)，主打轻量化，适合航空航天、车载设备。

• 形态：散热基板、均热板、水冷冷板、封装载板。

• 金刚石-金属复合材料不具备电绝缘性，因此和绝缘散热的CVD金刚石片不是相互替代关系。

沃尔德金刚石铜/铝复合材料

4. 金刚石‑碳化硅陶瓷复合材料（Diamond-SiC Ceramic，DSC）

• 具备发展前景的新一代结构‑功能一体化散热材料，热导率达550–850 W/(m·K)。根据制备工艺，可以是导电的，也可以是电绝缘的。但是电绝缘性不如纯CVD金刚石片。

• 核心特性：兼具超高导热、高比刚度、低热膨胀、耐高温、耐腐蚀等多重优势，热膨胀系数可精准匹配Si、SiC等半导体材料。

• 形态：散热基板、功率模块封装基板、结构‑散热一体化部件。

沃尔德金刚石导热硅/碳化硅基复合晶圆

5. 金刚石导热填料

• 形态：金刚石微粉、纳米金刚石粉体、金刚石薄膜

• 用途：填充导热硅脂、导热凝胶、环氧树脂，提升界面导热系数，用于消费电子、LED、功率器件界面散热。

6、更多种类的复合金刚石散热材料，限于商业机密，这里不多叙述。

五、 共筑高性能计算的“冷静”未来

半导体产业的竞争正在从单一的制程节点延伸为“制程+架构+系统协同”的多维博弈，“韬定律”也为中国半导体产业找到了一条充分发挥自身禀赋优势的替代演进路径。当产业迈入受热力学约束的新阶段，金刚石正从一种单一的被动散热组件，加速进化为计算基础设施的多用途结构化部件。

突破产业化障碍（如CVD可控生长、精密表面工程及原子级界面键合工艺）后，金刚石材料将为半导体产业在三维集成时代的持续演进，提供坚实的底层材料支撑。

参考文献和数据来源

[1] LEUNG K M, CHEUNG A C, LIU B C, et al. Measuring thermal conductivity of CVD diamond and diamond-like films on silicon substrates by holographic interferometry[J]. Diamond and Related Materials, 1999, 8(8-9): 1607-1610.

[2]NVIDIA. An AI Factory for AI Reasoning NVIDIA DGX B300[EB/OL]. [2025-01-20]. https://www.nvidia.com/en-us/data-center/dgx-b300/.

[3]Chowdhury S. Diamond Blankets Will Keep Future Chips Cool [J/OL]. (2025-10-20)[2026-01-15]. https://spectrum.ieee.org/diamond-thermal-conductivity.

[4]Wilson K (Thermtest Asia). 关于十大常用的导热材料相关介绍 [EB/OL]. (n.d.)[2026-01-15]. https://thermtestasia.cn/top-10-thermally-conductive-materials.

[5]Jing, J., Sun, F., Wang, Z. et al. Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane. Nature 636, 627–634 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08218-x

[6]Diamond Quanta. Diamond Quanta Joins NVIDIA Inception [EB/OL]. (2024-11-20)[2026-01-15]. https://diamondquanta.com/diamond-quanta-joins-nvidia-inception/.