AI半導体の放熱限界を打破するダイヤモンド材料、中国・鄭州が熱管理市場で存在感を強化

この記事のポイント

• AI半導体の発熱限界を打破するため、銅の4〜5倍の熱伝導率を誇るダイヤモンドが次世代放熱材料として台頭しています。
• ハイエンドAIチップ向けダイヤモンド放熱市場は、2030年に最大900億元規模に達すると予測されています。
• 中国・鄭州の超硬材料産業が転換を進め、国機金剛石(河南)有限公司などがナノレベルの精密加工技術を確立しました。
• ダイヤモンド銅複合材料の実用化など、サーバー液冷や先端パッケージング分野での導入が加速しています。

深刻化するAI半導体の熱問題とダイヤモンドの優位性

スマートフォンの高負荷使用による発熱と処理能力低下、AIサーバーの過熱による処理遅延、先端半導体における熱に起因した性能制限など、「放熱能力」はハイエンド電子機器の性能向上を阻む大きな障壁となっています。半導体プロセスの微細化とトランジスタ密度の向上に伴い、AI計算能力、6G通信、航空宇宙などの先端領域で機器の電力要求が急上昇しているためです。
高精度電子機器の熱問題を解決する切り札として注目を集めているのがダイヤモンドです。

世界的なAI計算インフラの爆発的増加により、半導体の熱流密度は従来の材料が耐えうる限界を突破しつつあります。長年広く用いられてきた銅やシリコンといった従来の放熱材料はすでに物理的限界に近づいており、高出力半導体が求める超高速放熱の要求に応えることが困難になっています。

河南工業大学高新産業技術研究院の名誉院長兼首席科学者である栗正新氏は、「ダイヤモンドの熱伝導率は従来の銅材料の4〜5倍であり、放熱効率で圧倒的に優れています。同時に優れた電気絶縁性を備えているため、半導体チップのコア領域に直接貼り合わせても短絡（ショート）のリスクを回避でき、先端半導体の過酷な放熱シナリオに極めて適しています」と説明しています。

市場規模は2030年に最大900億元へ急拡大

現在、ダイヤモンド熱管理材料は実験室での小規模な実証段階を脱し、大規模な産業化の前夜を迎えています。
中泰証券股份有限公司のリサーチレポートによると、世界のハイエンドAI半導体向けダイヤモンド放熱片の市場規模は2026年に87億元に達し、2030年には592億元へと急成長し、年平均成長率（CAGR）は50%を超えると予測されています。また、華福証券有限責任会社の試算では、2030年のAI計算向けダイヤモンド放熱の市場規模は480億元から900億元に達する見込みです。コンシューマーエレクトロニクス、新エネルギー車、産業用途などの増加分を考慮すると、長期的には1000億元規模の市場を形成する可能性があります。

工業用原料から半導体部材へ：精密加工と全方位の技術展開

超硬材料産業が集積する鄭州では、従来のダイヤモンド産業が計算能力時代に対応する新たな技術力を獲得しています。
国機金剛石(河南)有限公司（以下、国機金剛石）の機能金剛石研究院の実験室では、炭素原子を積層させて透明な結晶を成長させ、4インチのダイヤモンドヒートスプレッダ（放熱基板）を製造しています。しかし、合成直後のダイヤモンドは硬く脆い上に反りやすく、表面が粗いためそのまま半導体チップと密着させることはできません。

国機金剛石の市場支持センター総経理兼機能金剛石研究院院長の陳宇鵬氏によると、チームは切断、研磨、ポリッシングなどの一連の精密加工を施すことで表面粗さをナノレベルに到達させ、さらに金属化処理を行うことで半導体チップとの強固な接合を実現しました。成長プロセスと加工制御の最適化を重ねた結果、ヒートスプレッダの反りは10マイクロメートル以内に抑えられています。

同社は現在、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ダイヤモンド銅（金剛石銅）の3大方向で全技術ルートの布陣を完了しています。

• ダイヤモンド銅複合材料：純ダイヤモンドの半分の放熱効率を持ちながら価格は10分の1に抑えられ、安定した量産供給を実現。
• 多結晶ダイヤモンド放熱片：すでに量産納入を開始。
• 単結晶ダイヤモンド基板：熱伝導率が最も高く技術難度が最も高い領域として、研究開発を加速中。

同社は鄭州の研究開発本部ならびに洛陽伊川、新疆ハミの3大産業基地を拠点に累計で約10億元を投資し、1000台（セット）を超える専門設備を配備しました。現在、3インチ換算で年間4万枚超のダイヤモンド放熱片の生産能力を形成しており、国内外の大手企業へ供給を行っています。

サプライチェーンの連携強化と広がる実用化

河南省力量ダイヤモンド股份有限公司の董事長である邵増明氏は、中国の先端ダイヤモンド材料が国際的な半導体サプライチェーンに参入したことで、超硬材料が従来の加工工具から先端機能性材料へと進化を遂げたと指摘します。

実際の市場導入も始まっています。2024年4月、曙光データインフラ革新技術(北京)股份有限公司（曙光数据基础设施创新技术(北京)股份有限公司）は、世界初のメガワット級相変化浸没液冷ラックを発表しました。中国国内の液冷業界で初めてダイヤモンド銅熱伝導材料を大規模適用し、システムの熱伝導率を80%向上させ、半導体チップの性能を10%引き上げることに貢献しました。

また6月には、中科粉研(河南)超硬材料有限公司が第4世代半導体材料製造基地を鄭州ハイテク産業開発区に建設する契約を締結しました。15億元を投じて500台の関連設備を導入し、2インチから4インチの単結晶ウェハーを量産する計画で、フル稼働時の年間生産額は30億元に達する見込みです。

地域間のサプライチェーン連携も加速しています。2024年8月には江蘇省蘇州市で「ダイヤモンド—半導体サプライチェーンマッチング会」が開催され、長江デルタ地域のウェハー製造、半導体設計、パッケージング・テスト（OSAT）企業との共同開発や協業が進められています。超硬材料の産地であった鄭州は、グローバルな半導体産業を支える熱管理材料の拠点へと変貌を遂げつつあります。

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