作者：周松 | 中国科学院大学

培养单位：中国科学院物理研究所

审核：冯宝杰 副研究员  | 中国科学院物理研究所

你是否有过这样的经历：夏天捧着手机追剧，半小时后被手机烫到手？打游戏正到关键时刻，手机突然卡成PPT？别急，科学家们找到了一位“救世主”—— 金刚石 ！没错，就是珠宝店里亮闪闪的钻石！但它这次不是象征着爱情，而是来保护你的手机、电脑甚至未来的宇宙飞船。

金刚石可能为芯片散热带来突破性变革

热管理危机：为什么需要金刚石？

技术突破：从散热片到芯片集成

1.金刚石薄膜制备

· 超薄超柔性金刚石薄膜 ：香港大学＋南方科技大学＋北京大学联合团队采用微波等离子体化学气相沉积方法，在硅衬底上生长2英寸金刚石薄膜，通过边缘切割和胶带剥离可以得到亚微米厚度，表面亚纳米级平整，热导率能达到 1 3 00 W · m ^-1 · K ^-1 的超柔性金刚石薄膜，有望直接贴合芯片表面[2]。

· 金刚石热沉积片 ：2024年5月，河南黄河旋风公司宣布成功研发出CVD多晶金刚石热沉片。该产品的直径为2英寸，厚度范围在0.3至1毫米之间，热导率超过 2000 W · m ^-1 · K ^-1 ，达到了金刚石的理论热导率值[3]。

柔性金刚石薄膜的制作过程，摘自文献[2]。

2.三维异构集成技术

· 芯片内嵌散热层 ：厦门大学研究团队成功将多晶金刚石衬底集成到2.5D玻璃转接板封装芯片的背面，并采用热测试芯片研究其散热特性。利用金刚石的超高热导率，在芯片热点功率密度为2 W/mm ² 时，集成金刚石散热衬底使得芯片最高结温降低高达24.1 ℃，芯片封装热阻降低28.5 %。这表明基于金刚石衬底的先进封装集成芯片散热具有重大的应用前景[4]。

· 微流道散热模组 ：美国Raytheon公司研究了不同矩形的微流道散热结构对散热能力及其结构可靠性的影响，结果表明在微流道尺寸为25 μm，距离热源区距离为20 μm的结构设计时，单相流的散热能力和可靠性能力达到最优，GaN MMIC器件的结温由 SiC 衬底的676 ℃降低到金刚石片内微流结构衬底的182 ℃[5]。

产业化应用：从实验室到商业落地

华为公司在2023年公布了一项名为“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”，着手布局金刚石为硅基芯片散热的前沿技术领域。

英伟达公司则是率先采用钻石散热GPU进行测试实验，据美国培育钻石企业Diamond Foundry官网显示，英伟达钻石散热GPU，可使AI及云计算性能提升三倍。

在电动汽车领域， 弗 劳恩霍夫美国研究中心在2024年取得突破性进展： 科研团队成功利用人造金刚石制备出晶圆 级纳米薄膜（厚度不足发丝直径的1/100），并将其集成至电子元件中。 实验数据显示，该技术可将局部热负荷降低至原有水平的1/10，从而显著提升电动汽车的道路性能与使用寿命，同时缩短电池充电时间。

金刚石材料可实现电动汽车的超快速充电

挑战与未来：成本、工艺与未来趋势

尽管前景广阔，金刚石半导体仍面临较多困境：

首先最重要的就是成本的问题， CVD法制备大尺寸单晶金刚石成本高昂，一片拇指大小的半导体级人造金刚石价格超万元。

其次，现有硅基半导体制造设备与金刚石加工在工艺上并不兼容，需改造适配金刚石加工，光刻胶与蚀刻方法等需重新开发，产业链协同待突破。

另一个问题是，p型金刚石的发展较为成熟，主流的掺杂元素是硼，但在高掺杂时存在空穴迁移率迅速下降的问题；n型金刚石目前主流的掺杂元素是磷，还存在杂质能级深、电离能较大的问题，以及掺杂之后金刚石晶体中的缺陷造成载流子浓度和迁移率都比较低，电阻率难以达到器件的要求。

值得骄傲的是，中国在这项技术中竞争力极强，并有望领跑世界。中国人造金刚石单晶产量占全球95%，未来通过技术输出（如CVD设备出口）和海外设厂，进一步巩固市场话语权，有望率先实现金刚石半导体规模化应用。

结语：属于硬核玩家的未来