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？
随着半导体工艺的日益先进，芯片的功耗密度正经历数量级式攀升。当前主流高性能芯片的局部热流密度已逼近传统散热材料的承载极限。行业内研究显示，面向人工智能、高能效计算等场景的下一代芯片，局部热点热流密度或将突破现有散热体系的理论阈值，在此趋势下，传统金属基散热材料（如铜、铝）的热导率不再具有优势，难以满足未来高集成度电子器件对热管理的严苛需求。而金刚石的热导率是目前已知最高的材料之一，超过2000 W·m-1·K-1，是硅（Si）的13倍，碳化硅（SiC）的4倍和砷化镓（GaAs）的43 倍。在热导率要求为 1000~2000 W·m-1·K-1之间时，金刚石是极少数能够满足要求的材料，而且金刚石在带隙，击穿场强，载流子迁移率等方面与常用半导体材料相比具有非常显著的优势，堪称六边形战士，被誉为终极半导体。
不同半导体材料的物理性质对比表，数据引用自文献[1]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1300 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2000W·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/mm2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
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。
当金刚石从珠宝柜走进芯片工厂，一场静默的材料革命悄然开启。从华为的金刚石散热专利到香港大学实验室的柔性金刚石薄膜，人类正用智慧将这种“终极材料”的潜能转化为现实生产力。或许不久后，我们的手机将用上“钻石芯”，量子计算机在金刚石中存储信息，而太空探测器依靠它征服金星地狱般的环境——这不仅是半导体材料的进化，更是人类突破物理边界的又一次壮举。或许未来，我们会看到这样的名场面：
手机厂商发布会：“这是我们公司最新一款的全钻手机，钻石恒久远，一部永流传，我们对消费者的承诺就显示在钻石表面，永远不变！”
[1] Wort, C.J.H. and R.S. Balmer, Diamond as an electronic material. Materials Today[J], 2008. 11(1): p. 22-28.
[2] Jing, J., et al., Scalable production of ultraflat and ultraflexible diamond membrane[J]. Nature, 2024. 636(8043): p. 627-634.
[3] http://www.21xc.com/content/202411/18/c525471.html
[4] Zhong, Y., et al., Heterogeneous Integration of Diamond-on-Chip-on-Glass Interposer for Efficient Thermal Management[J]. IEEE Electron Device Letters, 2024. 45(3): p. 448-451.
[5] Altman, D.H., A. Gupta, and M. Tyhach. Development of a Diamond Microfluidics-Based Intra-Chip Cooling Technology for GaN. in ASME 2015 International Technical Conference and Exhibition on Packaging and Integration of Electronic and Photonic Microsystems collocated with the ASME 2015 13th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels. 2015.
[6] 王晨曦, 牛帆帆, 魏潇赟, 王敏才, 邓抄军. 一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法[P]. 黑龙江省: CN116960057A, 2023-10-27.
[7] https://www.df.com/ai-cloud-compute
[8] 牛科研, 张璇, 崔博垚, 马永健, 唐文博, 魏志鹏, 张宝顺. 单晶金刚石p型和n型掺杂的研究[J]. 人工晶体学报, 2022, 51 (05): 841-851.
最前沿的电子设计资讯
