在先進(jìn)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(jì)算系統(tǒng)性能釋放的關(guān)鍵瓶頸。近年來，金剛石材料憑借其超高導(dǎo)熱率、優(yōu)異的電絕緣性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(shù)演進(jìn)和系統(tǒng)集成方向上，華為已悄然完成從材料設(shè)計(jì)、鍵合封裝到系統(tǒng)集成的全鏈條布局，并通過系列高價(jià)值專利構(gòu)建起技術(shù)壁壘。

       去年12月，華為技術(shù)有限公司公開了一項(xiàng)新專利：一種半導(dǎo)體器件及其制作方法、集成電路、電子設(shè)備，聚焦金剛石散熱層與半導(dǎo)體芯片的結(jié)構(gòu)協(xié)同。與傳統(tǒng)散熱思路不同，該專利通過在鈍化層表面設(shè)計(jì)凹槽結(jié)構(gòu)，使金剛石散熱層在垂直方向上嵌入鈍化層，實(shí)現(xiàn)對(duì)柵極區(qū)域的直接熱耦合。這種結(jié)構(gòu)顯著增加了金剛石層與鈍化層的接觸面積，提高結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)減少了熱流從柵極到散熱層的擴(kuò)散路徑，降低熱阻并提升散熱效率。這一創(chuàng)新明確回應(yīng)了先進(jìn)芯片在局部熱點(diǎn)區(qū)域（如柵極）熱通量急劇上升的挑戰(zhàn)，展示出華為在熱設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上的深度思考。

       華為對(duì)金剛石材料的熱管理潛力早有系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。早在2023年3月，其兩項(xiàng)芯片導(dǎo)熱材料相關(guān)專利就已提出以金剛石顆粒材料為主要導(dǎo)熱介質(zhì)，結(jié)合復(fù)合界面填料顯著提升芯片封裝界面導(dǎo)熱性能。與傳統(tǒng)硅脂或金屬填料相比，金剛石復(fù)合材料展現(xiàn)出更優(yōu)異的各向異性熱導(dǎo)能力，并具備更強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性。就此來看，華為已不僅將金剛石視為一項(xiàng)“替代材料”，而是正在以金剛石為基礎(chǔ)構(gòu)建新一代芯片熱管理框架。

       值得注意的是，華為并未將金剛石散熱材料的研究?jī)H局限于顆粒分散或金屬復(fù)合等材料級(jí)別的優(yōu)化，而是逐步推進(jìn)至三維集成芯片系統(tǒng)的工程應(yīng)用層面。2023年11月，其與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合公開的“一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法”專利，提出通過混合異質(zhì)材料（包括金剛石與石墨烯）的界面調(diào)控，實(shí)現(xiàn)大尺寸低熱阻的三維鍵合結(jié)構(gòu)。金剛石提供垂直方向高效散熱通道，石墨烯則通過其橫向?qū)崮芰f(xié)同均熱，構(gòu)成復(fù)合散熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為3D封裝芯片中“堆疊發(fā)熱”問題提供了系統(tǒng)性解決路徑。

       在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新之外，華為也在積極攻克金剛石材料與現(xiàn)有封裝體系的工藝匹配難題。2024年2月，華為聯(lián)合廈門大學(xué)團(tuán)隊(duì)，率先實(shí)現(xiàn)將多晶金剛石襯底集成于先進(jìn)玻璃轉(zhuǎn)接板背面封裝結(jié)構(gòu)中。這一低溫鍵合技術(shù)攻克了金剛石在高溫?zé)崽幚碇幸姿榱选?yīng)力失配大的問題，同時(shí)與玻璃轉(zhuǎn)接板形成熱、電、力多維兼容接口，使得金剛石不僅僅作為“被動(dòng)散熱體”嵌入系統(tǒng)，而是以熱功能核心部件角色服務(wù)于先進(jìn)封裝架構(gòu)，特別適用于高算力、低延遲的5G通信芯片和AI加速芯片封裝需求。

       7月17日，華為最新公布的銅-金剛石復(fù)合散熱基板專利（授權(quán)公告號(hào)CN223110366U），更是將金剛石應(yīng)用從點(diǎn)狀的“嵌入式散熱”向大面積復(fù)合底板方向拓展。該基板采用銅金剛石復(fù)合材料填充于金屬框架通孔中，并通過上下雙金屬層與系統(tǒng)電熱結(jié)構(gòu)焊接連接，從而實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度熱傳導(dǎo)與機(jī)械固定的雙重功能。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅提升整體熱擴(kuò)散能力，也為異構(gòu)芯片封裝提供了優(yōu)良的熱匹配平臺(tái)，特別適用于服務(wù)器、基站與數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的高功率芯片需求。

       從技術(shù)演進(jìn)路徑來看，華為的金剛石散熱布局呈現(xiàn)出由材料開發(fā)、封裝集成到系統(tǒng)熱管理三位一體的多層協(xié)同趨勢(shì)。其中，專利布局體現(xiàn)出其對(duì)“熱耦合結(jié)構(gòu)—界面材料—封裝工藝—系統(tǒng)平臺(tái)”的系統(tǒng)性掌控，而非單點(diǎn)材料性能突破。這一趨勢(shì)與全球高性能芯片散熱面臨的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)高度契合。國(guó)際上，包括Intel、TSMC、NVIDIA等廠商也在加快導(dǎo)熱界面材料（TIM）、微流體散熱、金剛石熱板等方向的探索，但多數(shù)仍處于樣品驗(yàn)證與初步試產(chǎn)階段。

       當(dāng)前，隨著AI訓(xùn)練芯片功耗持續(xù)攀升，傳統(tǒng)銅-石墨散熱方案逐漸失效，金剛石因其高導(dǎo)熱、低熱阻特性受到產(chǎn)業(yè)鏈廣泛關(guān)注。但同時(shí)，金剛石的成本、加工難度和工藝集成壁壘也是限制其規(guī)模化應(yīng)用的核心障礙。華為通過與高校團(tuán)隊(duì)協(xié)作、推進(jìn)低溫鍵合、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和復(fù)合化路徑，降低了金剛石材料的系統(tǒng)應(yīng)用門檻，有望推動(dòng)其率先落地于智能手機(jī)、數(shù)據(jù)中心、光通信等中高端散熱場(chǎng)景。

       更值得關(guān)注的是，華為在金剛石材料技術(shù)上的布局不僅服務(wù)于其自研芯片的性能釋放，也構(gòu)建起未來新型器件與系統(tǒng)的生態(tài)基礎(chǔ)。以其三維集成散熱專利為例，既可用于SoC堆疊芯片封裝，也具備拓展到量子芯片、光電集成芯片等高熱密度系統(tǒng)的潛力。

       目前，金剛石散熱技術(shù)正在從科研探索向工程實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)。華為不僅在材料創(chuàng)新上構(gòu)筑壁壘，更在封裝設(shè)計(jì)、工藝協(xié)同及系統(tǒng)集成方面完成關(guān)鍵技術(shù)閉環(huán)。隨著專利的不斷落地與產(chǎn)業(yè)配套的完善，華為有望率先實(shí)現(xiàn)金剛石散熱材料的多場(chǎng)景規(guī)模化應(yīng)用，并進(jìn)一步重構(gòu)高端芯片散熱技術(shù)的全球競(jìng)爭(zhēng)格局。