金刚石散热,商业化大动作
在高功率密度电子时代,热管理能力正逐渐成为系统性能提升的核心约束。当电动汽车功率模块持续向高电压平台升级,当通信设备与数据中心不断提高算力密度与集成度,单位面积热流密度快速上升,传统铜、铝及石墨类散热材料正面临性能与结构适配的双重挑战。
据了解,中国香港初创企业DiamNex正在围绕“超薄柔性金刚石薄膜”展开产业化探索,尝试拓展金刚石在热管理领域的应用边界。
金刚石长期被认为是热导率最高的材料之一,在理论与实验数据层面均显著优于常规金属与碳材料。然而,其工程化应用受限于材料形态与制造成本。传统CVD金刚石通常以厚片或刚性基板形式存在,主要应用于高端光学窗口或特定高功率器件散热场景。块体或厚膜结构在加工与装配过程中存在脆性问题,同时尺寸与形态适配性有限。
2024年12月,来自香港大学的褚智勤教授与Yuan Lin教授,联合北京大学东莞光电研究所Qi Wang教授以及南方科技大学李携曦教授,提出并验证了一种“边缘暴露剥离”技术路径。该方法通过机械剥离方式,实现超薄多晶金刚石膜的分离与转移。研究显示,该技术能够制备2英寸晶圆级面积、亚微米厚度、亚纳米级表面粗糙度的金刚石薄膜,并具备较高柔性,可实现360°弯曲。相关成果发表于《Nature》。
2025年褚智勤教授创立DiamNex,推进相关技术向工程化应用转化。公开信息显示,公司正在深圳建设生产线,用于制备并向潜在合作方提供样品材料。当前阶段的重点在于验证产品在实际系统中的性能表现及稳定性,并根据市场反馈进一步优化工艺与产能规划。
从应用方向来看,DiamNex Ltd.将热扩散片作为首要目标市场,背后逻辑与当前功率电子系统的结构演进密切相关。
在电动汽车领域,主驱逆变器、DC-DC转换器以及车载充电机正持续向高电压平台(如800V架构)升级,功率密度不断提升。以碳化硅器件为代表的新一代功率半导体在提高开关频率与转换效率的同时,也带来了更高的局部热流密度。热量往往集中在芯片及封装界面区域,如果无法快速横向扩散,容易形成热点,进而影响器件寿命与系统可靠性。在这一结构中,热扩散片并不直接承担散热器功能,而是作为高导热中间层,将芯片产生的瞬时热量快速铺展至更大面积,再由后端冷却系统带走。因此,材料的面内热导率、厚度控制能力以及与封装材料的界面匹配性尤为关键。超薄金刚石膜若能嵌入功率模块封装结构,在不显著增加体积与重量的前提下提升热扩散效率,其潜在价值主要体现在高功率密度平台。
在通信设备领域,尤其是5G及后续高频通信系统中,射频功率器件与基站功放模块长期处于高负载运行状态。高频运行叠加环境温度波动,使得散热设计成为系统稳定性的核心环节。当前常见方案包括铜基散热结构与石墨片复合材料,但随着模块集成度提高,内部空间进一步压缩,散热路径变得更加复杂。超薄、可转移的高导热薄膜在理论上能够嵌入多层封装之间,作为界面增强层或热扩散中间层使用,从而优化热分布均匀性。在这种应用场景下,材料的厚度一致性与表面平整度,将直接影响与芯片或金属基板之间的接触热阻。
高功率电源系统同样面临类似挑战。工业电源、服务器电源以及储能变流系统内部的功率器件在高负载运行下会产生持续热量积累。随着模块小型化趋势明显,内部热管理空间被进一步压缩。传统金属散热片在厚度与重量上存在限制,而超薄高导热材料若能作为“热桥”或“热扩散层”嵌入关键发热区域,有助于降低局部温升并延缓热疲劳过程。在这一方向上,材料不仅需要具备高热导率,还需满足长期热循环稳定性与机械可靠性要求。
在全球范围内,金刚石材料的产业化探索已有多年积累。例如英国Element Six以及日本住友电工均在CVD金刚石基板及相关应用领域布局较早,产品主要面向高端电子与光学市场。与这些企业的刚性基板产品相比,超薄、可转移金刚石膜属于不同的形态方向,其技术挑战与应用路径也有所差异。
不过CVD金刚石生长过程本身能耗较高,能源成本对制造成本具有直接影响。此外,在实际热管理系统中,材料与基底之间的界面热阻、封装工艺匹配性以及长期可靠性,均会影响最终性能表现。

