在先進制程趨于物理極限、芯片封裝邁向三維集成的背景下，熱管理已成為限制高性能計算系統性能釋放的關鍵瓶頸。近年來，金剛石材料憑借其超高導熱率、優異的電絕緣性和結構穩定性，成為下一代芯片散熱的核心材料。而在金剛石散熱材料的技術演進和系統集成方向上，華為已悄然完(wan)成從材料設計、鍵合(he)封裝到(dao)系統(tong)集成的全鏈條(tiao)布局，并通過系列(lie)高價值專利構(gou)建起技術壁壘。

       去(qu)年12月(yue)，華為(wei)技術有(you)限(xian)公司公開了一項新(xin)專利：一種半導體器件及(ji)其制作方法、集成電(dian)(dian)路、電(dian)(dian)子設備(bei)，聚焦金(jin)剛(gang)石(shi)散(san)熱(re)(re)層(ceng)與半導體芯片(pian)的(de)(de)結(jie)構(gou)協同。與傳統散(san)熱(re)(re)思路不同，該(gai)專利通過(guo)在鈍化層(ceng)表面設計凹槽結(jie)構(gou)，使金(jin)剛(gang)石(shi)散(san)熱(re)(re)層(ceng)在垂(chui)直方向上(shang)(shang)嵌入鈍化層(ceng)，實現對(dui)柵極(ji)區域的(de)(de)直接熱(re)(re)耦(ou)合(he)。這種結(jie)構(gou)顯著(zhu)增(zeng)加(jia)了金(jin)剛(gang)石(shi)層(ceng)與鈍化層(ceng)的(de)(de)接觸面積，提高結(jie)合(he)強(qiang)度(du)，同時減少(shao)了熱(re)(re)流從柵極(ji)到(dao)散(san)熱(re)(re)層(ceng)的(de)(de)擴(kuo)散(san)路徑，降低熱(re)(re)阻并提升(sheng)散(san)熱(re)(re)效(xiao)率。這一創新(xin)明確回應了先進芯片(pian)在局部熱(re)(re)點(dian)區域（如(ru)柵極(ji)）熱(re)(re)通量急劇上(shang)(shang)升(sheng)的(de)(de)挑戰，展示(shi)出華為(wei)在熱(re)(re)設計細(xi)節上(shang)(shang)的(de)(de)深度(du)思考(kao)。

       華(hua)為(wei)對金剛(gang)(gang)石(shi)材(cai)料(liao)的熱(re)(re)管(guan)(guan)理潛力早有系統(tong)性認識(shi)。早在2023年3月(yue)，其兩項芯片(pian)(pian)導熱(re)(re)材(cai)料(liao)相關專利就已(yi)(yi)提(ti)出以金剛(gang)(gang)石(shi)顆(ke)粒材(cai)料(liao)為(wei)主要導熱(re)(re)介(jie)質，結合復(fu)合界面填(tian)料(liao)顯著(zhu)提(ti)升芯片(pian)(pian)封裝(zhuang)界面導熱(re)(re)性能(neng)。與傳統(tong)硅脂或金屬(shu)填(tian)料(liao)相比，金剛(gang)(gang)石(shi)復(fu)合材(cai)料(liao)展現出更(geng)優異的各(ge)向異性熱(re)(re)導能(neng)力，并具(ju)備更(geng)強的機(ji)械穩定性。就此來看，華(hua)為(wei)已(yi)(yi)不(bu)僅(jin)將金剛(gang)(gang)石(shi)視為(wei)一項“替代材(cai)料(liao)”，而是正在以金剛(gang)(gang)石(shi)為(wei)基礎構建新一代芯片(pian)(pian)熱(re)(re)管(guan)(guan)理框架。

       值得注(zhu)意的(de)(de)是，華為并未(wei)將金(jin)剛(gang)石(shi)散(san)熱材料的(de)(de)研(yan)究僅(jin)局(ju)限(xian)于(yu)顆粒分散(san)或(huo)金(jin)屬復合(he)等材料級(ji)別(bie)的(de)(de)優化，而(er)是逐步推進(jin)至三維集成(cheng)芯(xin)片系統的(de)(de)工(gong)(gong)程應用層(ceng)面。2023年11月，其與哈爾濱工(gong)(gong)業大學(xue)聯合(he)公開的(de)(de)“一種基(ji)于(yu)硅和金(jin)剛(gang)石(shi)的(de)(de)三維集成(cheng)芯(xin)片的(de)(de)混合(he)鍵(jian)(jian)合(he)方(fang)法”專利，提(ti)(ti)出(chu)通(tong)過混合(he)異(yi)質(zhi)材料（包括金(jin)剛(gang)石(shi)與石(shi)墨(mo)烯）的(de)(de)界面調(diao)控(kong)，實現大尺寸(cun)低(di)熱阻的(de)(de)三維鍵(jian)(jian)合(he)結(jie)構。金(jin)剛(gang)石(shi)提(ti)(ti)供垂直方(fang)向高效散(san)熱通(tong)道，石(shi)墨(mo)烯則(ze)通(tong)過其橫向導熱能力(li)協(xie)同(tong)均熱，構成(cheng)復合(he)散(san)熱網絡結(jie)構，為3D封裝芯(xin)片中“堆疊(die)發熱”問題提(ti)(ti)供了系統性解(jie)決路徑。

       在結構創新之外，華為(wei)(wei)也在積極攻(gong)克(ke)金(jin)(jin)剛(gang)石材(cai)料與(yu)現(xian)有(you)封裝體系(xi)的(de)(de)工藝(yi)匹(pi)配(pei)難題。2024年2月，華為(wei)(wei)聯合(he)廈門大學團(tuan)隊，率先實現(xian)將多(duo)晶金(jin)(jin)剛(gang)石襯底集成(cheng)于(yu)(yu)先進玻(bo)璃轉接(jie)板背面封裝結構中。這(zhe)一(yi)低溫鍵(jian)合(he)技(ji)術攻(gong)克(ke)了(le)金(jin)(jin)剛(gang)石在高溫熱(re)處理中易碎裂(lie)、應(ying)力失配(pei)大的(de)(de)問題，同時與(yu)玻(bo)璃轉接(jie)板形(xing)成(cheng)熱(re)、電、力多(duo)維兼容接(jie)口，使得金(jin)(jin)剛(gang)石不僅(jin)(jin)僅(jin)(jin)作為(wei)(wei)“被動(dong)散(san)熱(re)體”嵌入系(xi)統(tong)，而是(shi)以熱(re)功能核心部件角(jiao)色服務于(yu)(yu)先進封裝架(jia)構，特別適用于(yu)(yu)高算力、低延遲的(de)(de)5G通(tong)信(xin)芯(xin)片和AI加速芯(xin)片封裝需求。

       7月17日，華為(wei)(wei)最新公布的(de)銅-金剛石(shi)復(fu)(fu)合散(san)熱(re)基板(ban)專利（授權公告號CN223110366U），更(geng)是將(jiang)金剛石(shi)應用從點(dian)狀的(de)“嵌入(ru)式散(san)熱(re)”向(xiang)大面(mian)積(ji)復(fu)(fu)合底板(ban)方向(xiang)拓展。該基板(ban)采用銅金剛石(shi)復(fu)(fu)合材料填充于(yu)金屬(shu)框(kuang)架通孔中，并通過上(shang)下雙金屬(shu)層與(yu)系統電(dian)熱(re)結構(gou)焊接連接，從而(er)實現(xian)高強度熱(re)傳導與(yu)機械(xie)固(gu)定的(de)雙重功(gong)(gong)能。這種復(fu)(fu)合結構(gou)不僅提(ti)(ti)升(sheng)整體熱(re)擴散(san)能力，也為(wei)(wei)異構(gou)芯(xin)(xin)片封裝提(ti)(ti)供了優良的(de)熱(re)匹配(pei)平臺，特別適(shi)用于(yu)服務(wu)器、基站與(yu)數據中心領域(yu)的(de)高功(gong)(gong)率芯(xin)(xin)片需求。

       從技術演(yan)進(jin)路徑來看，華為的(de)金剛(gang)石散熱(re)布(bu)局呈現出(chu)由材(cai)料(liao)開(kai)發、封裝集(ji)成到系(xi)統(tong)熱(re)管理三位一(yi)體(ti)的(de)多層協同趨(qu)勢。其中，專(zhuan)利(li)布(bu)局體(ti)現出(chu)其對“熱(re)耦合結構—界(jie)面材(cai)料(liao)—封裝工藝(yi)—系(xi)統(tong)平臺”的(de)系(xi)統(tong)性(xing)掌(zhang)控，而非單點材(cai)料(liao)性(xing)能突破(po)。這一(yi)趨(qu)勢與全球高(gao)(gao)性(xing)能芯(xin)片散熱(re)面臨(lin)的(de)現實挑戰高(gao)(gao)度(du)契合。國際(ji)上，包括Intel、TSMC、NVIDIA等廠商也在加快導熱(re)界(jie)面材(cai)料(liao)（TIM）、微(wei)流體(ti)散熱(re)、金剛(gang)石熱(re)板(ban)等方向的(de)探索，但多數仍(reng)處(chu)于(yu)樣品驗(yan)證與初步(bu)試(shi)產階段。

       當前，隨著AI訓練芯片功耗持續攀升，傳(chuan)統(tong)銅-石(shi)墨(mo)散熱方案(an)逐漸失效，金剛(gang)石(shi)因其(qi)(qi)高(gao)導(dao)熱、低熱阻(zu)特性受到產業鏈廣泛關(guan)注(zhu)。但同時，金剛(gang)石(shi)的(de)成本(ben)、加工(gong)難度(du)和工(gong)藝集成壁壘(lei)也(ye)是(shi)限(xian)制其(qi)(qi)規模(mo)化(hua)應用(yong)的(de)核心障礙。華為通(tong)過與高(gao)校團隊(dui)協作(zuo)、推進低溫鍵(jian)合(he)、結構(gou)優化(hua)和復合(he)化(hua)路徑，降低了金剛(gang)石(shi)材(cai)料的(de)系統(tong)應用(yong)門檻(jian)，有望推動其(qi)(qi)率先落地于(yu)智能手機、數(shu)據中心、光通(tong)信(xin)等中高(gao)端散熱場景。

       更值得(de)關注的(de)是，華為在金剛石材(cai)料技(ji)術上的(de)布局不僅服務于其(qi)自(zi)研芯片的(de)性能釋(shi)放，也構(gou)建起未來新型器件與(yu)系統(tong)的(de)生態(tai)基礎。以其(qi)三維(wei)集成(cheng)散熱專(zhuan)利為例，既(ji)可用于SoC堆(dui)疊芯片封裝(zhuang)，也具備拓展到量子芯片、光電集成(cheng)芯片等高熱密度系統(tong)的(de)潛力。

       目前，金剛石(shi)散(san)(san)熱技(ji)術(shu)正在從科研探索向工程實(shi)現邁(mai)進。華(hua)為不僅在材料(liao)創新上構(gou)筑(zhu)壁(bi)壘，更在封裝(zhuang)設計、工藝(yi)協同及系統集(ji)成方(fang)面完(wan)成關(guan)鍵技(ji)術(shu)閉(bi)環。隨著(zhu)專利的(de)不斷落(luo)地與產業配套的(de)完(wan)善(shan)，華(hua)為有望率先實(shi)現金剛石(shi)散(san)(san)熱材料(liao)的(de)多場景(jing)規模(mo)化(hua)應(ying)用，并(bing)進一步(bu)重構(gou)高端芯(xin)片散(san)(san)熱技(ji)術(shu)的(de)全球競爭格局(ju)。