高导热金刚石粉：金刚石如何成为散热领域的材料之王

一：金刚石（新消费人造钻石—工业:超硬材料—金刚石散热片—第四代半导体材料）    

大单晶金刚石作为极限材料，拥有优异的声、光、电、磁、热等性能特点，被誉为“材料之王”，其功能化应用已经开始服务于国家重大工程和战略性新兴产业发展。金刚石更是“终极半导体材料”，其器件性能理论上是现有硅基的数万倍，未来有望在关键核心技术、产业化技术方面实现突破，为全球迈向“碳时代”奠定材料基础。MPCVD法生产大单晶（多晶）金刚石业务，如果该部分业务的应用场景在未来逐步落地，将为整个金刚石行业的发展开辟新的发展空间。综合目前进展看，大单晶（多晶）金刚石业务方面，第一阶段产品为宝石级大单晶，当前已商业化（人造钻石）；第二阶段产品是散热材料、光学窗口片等；第三阶段半导体材料是远期规划（功率器件，第四代半导体），目前尚处于基础研究阶段。   

二：人造金刚石主要生产工艺对比   

人造金刚石的制备方法主要为高温高压法（HTHP）和化学气相沉积法（CVD）。HTHP法即以石墨粉、金属触媒粉末为原料，通过电流加热和液压装置建立高温、高压环境从而模拟天然金刚石结晶和生长环境，使石墨发生相变形成金刚石晶体。从热力学上看，人造金刚石与天然金刚石生长机理类似，都是使碳原子在高温高压环境下重新结合，形成具有sp3C-C键的正四面体金刚石结构。HTHP法是人类首次成功合成金刚石所采用的技术，也是目前我国人造金刚石主要生产方法，具有制造成本低、生产效率高的特点。HTHP法金刚石在生长过程中，传压介质和原辅材料里的杂质(如铁、钴、镍等)会不断进入金刚石晶体中，形成各种缺陷，纯度也不够理想，无法满足下游半导体和光学领域应用的高纯度要求。同时受六面顶压机设备体积限制，金刚石的有效生长空间很难突破100mm，HTHP法金刚石的晶体尺寸提升空间有限。（我国主要采用HTHP法生产人造金刚石。）

 化学气相沉积法（CVD）合成金刚石是指在高温低压条件下（1000℃左右，27kPa以下），通过一定的方法激活CH4/H2、CH4/N2、CH4/Ar等含碳混合气体，使其中的碳原子从碳源气体剥离并在合适的基底（如Si、c-BN、SiC、Ni、Co、Pt、Ir和Pd等）上进行过饱和沉积，从而获得高纯度、高性能的金刚石薄膜。CVD法金刚石生长环境中主要使用碳源气体，利用氢气在高温下蚀刻石墨速度高于金刚石的特点获得单晶金刚石，不需要加入金属触媒粉末，因此金刚石内杂质极少，可满足下游半导体等领域高纯度需求。同时CVD法金刚石在种晶盘生长过程中，可在碳源气体中加入致色元素（如氮、硼等），获得与天然钻石类似的粉钻黄钻蓝钻，满足下游珠宝市场的多样化需求。目前，MPCVD法（微波等离子体化学气相沉积法）由于具有污染少、制备面积大、温度条件易控制的有点，是国内外主流的CVD工艺生产金刚石方法。

HTHP法和CVD法在技术路线、产品和应用等方面的特点对比： 

三：金刚石应用潜力  

人造金刚石作为高新技术材料在半导体、光学、量子技术等工业领域有广阔的应用空间。与HTHP法相比，CVD法合成金刚石具有尺寸大、低杂质浓度、高结晶质量等优点，在大尺寸、高纯度金刚石制备与掺杂研究方面优势更明显，电学、光学、热学、声学等方面性能优异，是具有巨大开发潜力的功能性材料。（传统勘探钻具，磨刀具应用需求也大）

金刚石材料性能：

CVD金刚石与其他半导体材料性能对比：(第四代半导体材料)

CVD金刚石因散热性强、成本低、尺寸大，可作为大功率散热片。 CVD金刚石属于“新材料产业”中“先进无机非金属材料”，高品质大尺寸超纯CVD金刚石可用于珠宝首饰、精密刀具、光学窗口、芯片热沉等高端先进制造业及消费领域。

军工应用（光学）：金刚石由于在极端恶劣环境下仍具有高红外透过率和低光学自发射率，可作为光学窗口提高武器性能，对于发展机载、弹载、舰载等红外搜索与跟踪系统所用的光学窗口/整流罩，高功率微波武器、高能激光武器等新型武器，核反应堆ECRH用介质窗，太赫兹波段用行波管等有重要的意义。例如：

金刚石热导率高，引起的温度梯度和折射率梯度变化很小，光束不会畸变，可作为高能CO2激光器耐高功率耐高频输出介质窗口；金刚石X射线窗口具有更高透过率、高强度硬度、高损伤阈值以及安全无毒无伤害等优点，可代替铍成为新一代X射线窗口材料。CVD金刚石在军事领域具有极高的应用价值。

高功率微波窗口常用介质材料的性能参数：

目前我国CVD金刚石市场规模较小，考虑到半导体材料随下游半导体市场快速增长，以及在新能源、互联网、云计算、数据中心、消费电子等诸多领域信息化发展对半导体的庞大需求，随着第四代半导体材料逐渐应用，CVD金刚石市场规模将迅速扩大。

四：钻石散热产业化加速落地 

芯片内部热量无法有效散发时，局部区域会形成“热点”，导致性能下降、硬件损坏及成本激增。

（1）性能下降：当电子设备温度过高时，工作性能会大幅度衰减，当芯片表面温度达到70-80℃时，温度每增加1℃，芯片的可靠性就会下降10%。AI硬件的高功率需求下，过热限制了硬件性能的发挥，阻碍了芯片的理论性能实现。

（2）设备失效：芯片温度每升高10℃，其运行寿命减半，超过55%的设备故障与过热直接相关。

（3）成本激增：企业每年需投入数亿美元在散热系统上，包括大量消耗能源和资源的冷却系统（如液冷、风冷等），不仅增加了运营成本，也加剧了能源消耗；

（4）安全隐患：极端情况下，温度过高可能引发火灾等严重事故，给设备和人员安全带来威胁。

据报道，英伟达率先在未发布的高端GPU进行采用金刚石散热方案的测试实验，其性能是基于标准制造材料的普通芯片的三倍。

 2024年3月，弗劳恩霍夫研究所的工程师开发了一种超薄钻石纳米膜，用于冷却电子元件，从而显著提升电动汽车的充电速度。钻石因其卓越的导热性和电绝缘性，可以替代传统散热器中的中间层。该钻石纳米膜仅1微米厚，能够轻松粘合到电子元件上。研究人员估计，钻石纳米膜可以将电子元件的热负荷降低10倍，这当然会提高这些元件和整个设备的能源效率和使用寿命。

基于钻石技术的逆变器体积小六倍，性能更卓越。据DF公司称，他们所开发的新型逆变器比特斯拉Model3的逆变器小了六倍，同时在性能和效率上也有所超越。DFPerseus原型的第一批样品已在主要汽车OEM实验室中成功测试。量子计算：金刚石正在成为量子信息设备的核心材料。金刚石的独特物理特性，尤其是其氮-空位（NV）色心，使其成为量子比特的理想载体。NV色心包含六个电子，其中两个来自氮原子，三个来自与空位相邻的碳原子，剩余的一个则是来自施主杂质的俘获电子。NV色心的电子自旋状态可以表示量子比特的0和1，具有卓越的量子相干性和稳定性。通过金刚石的特殊结构，科学家们实现了量子互联的突破，显著提高了数据传输速率和安全性。金刚石在量子计算、量子通信和量子精密测量等领域发挥关键作用。（图文部分来源：注会扬帆说财经）

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