單晶金剛石是金剛石材料類中熱導率最高的一種，這與其晶體結構密切相關，其導熱主要依靠晶格振動，也就是聲子導熱。單晶金剛石在散熱方面主要有兩種應用方式。第一種，可直接作為替代外延襯底，原位生長材料來制備器件，通過讓器件有源區(qū)與金剛石緊密貼合，借助金剛石超高的熱導率，將熱量均勻地擴散到襯底之中。第二種，在單晶金剛石結構內引入微通道結構，利用流體將內部熱量帶出，從而實現(xiàn)降溫的目的。

大面積單晶金剛石襯底主要用于為多種電子器件的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化提供外延生長襯底。在大功率金剛石電力電子器件方面，它能夠替代現(xiàn)有的 Si、SiC 等電力轉換器件和開關電源，不僅能大幅縮小轉換器件的尺寸，而且無需額外的散熱裝置，便可實現(xiàn)轉換效率的大幅提升、功耗的顯著降低，以及可靠性的極大增強。據(jù)測算，金剛石電子器件的耗能僅為現(xiàn)有器件的 1/3 - 1/5。在超高頻大功率金剛石電子器件（微波、毫米波雷達）領域，其可應用于火控武器系統(tǒng)、雷達、高速無線通信、火箭及航空航天等關鍵領域。它能夠替代現(xiàn)有的行波管，使武器系統(tǒng)和通信系統(tǒng)更加小型化，可靠性大幅提高，還能顯著提升通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，大幅減輕衛(wèi)星及其他航天器的重量，降低發(fā)射成本，增強抗輻照能力。此外，在集成電路芯片領域，基于金剛石開發(fā)的下一代集成電路芯片，有望徹底攻克集成電路散熱瓶頸問題，推動集成電路朝著更大規(guī)模、更高速度的方向發(fā)展。

目前，將金剛石用作功率器件的熱沉或襯底，已經(jīng)研究出多種成熟的技術形式，其中主要包括基于襯底轉移技術的金剛石鍵合、基于金剛石鈍化層的低溫沉積以及金剛石上的器件外延生長?，F(xiàn)階段，多晶金剛石與 Si、GaN、Ga?O?等材料的室溫鍵合，已經(jīng)通過表面活化鍵合（SAB）技術成功實現(xiàn)。

多晶金剛石在作為大功率芯片、電子器件散熱片時，展現(xiàn)出高性能的顯著優(yōu)勢。隨著未來產(chǎn)量的不斷攀升以及成本的逐步下降，有望在半導體散熱片領域得到大規(guī)模的應用。當前，4 英寸電子級多晶金剛石已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)，國際上最大制備尺寸可達 8 英寸。隨著 MPCVD 技術的持續(xù)改進與升級，未來有望與現(xiàn)存的 8 英寸半導體晶圓制造產(chǎn)線相兼容，最終推動多晶金剛石熱沉材料在半導體材料產(chǎn)業(yè)中實現(xiàn)規(guī)?；膽门c推廣。

而碳方程最新發(fā)布的50200A MPCVD 設備在大尺寸金剛石生產(chǎn)方面取得了重大突破，該設備采用915MHZ的微波頻率，單爐可生產(chǎn)8英寸多晶產(chǎn)品，若用于生產(chǎn)單晶金剛石，單爐能夠穩(wěn)定產(chǎn)出多達 489 片尺寸為 7*7mm 的單晶金剛石。設備運行功率方面，采用50KW大功率裝置，達到大尺寸金剛石的量產(chǎn)條件。

在當前的小批量試生產(chǎn)階段，該設備已成功驗證其卓越性能，所生產(chǎn)的 8 英寸熱沉片在關鍵性能指標上表現(xiàn)卓越，達到了行業(yè)前沿水平，為推動金剛石的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)以及拓展大尺寸材料的廣泛應用奠定了堅實基礎，有望在金剛石材料產(chǎn)業(yè)競爭格局中占據(jù)重要的一席之地，進一步助力中國在金剛石晶圓領域邁向新的高峰。

納米金剛石材料在散熱方面，通常作為高熱流密度器件的鈍化層，能夠在器件表面起到均熱的作用，為器件開辟一條額外的導熱通道，進而提升器件表面的均溫性能。然而，氫等離子體對氮化鎵具有反應刻蝕作用，這就導致在器件上直接沉積金剛石的方法，需要在低溫條件下進行，并且需要進行耐氫設計。在耐氫保護層表面，金剛石需要實現(xiàn)均勻且高密度的形核，同時還需保持高定向排列，以此提升金剛石鈍化層的整體導熱能力。

哈爾濱工業(yè)大學與中國電子科技集團有限公司 55 所攜手合作，研制出納米金剛石鈍化 GaN 器件，在 600℃的條件下成功制備出晶粒尺寸可控的納米金剛石鈍化層，實現(xiàn)了高導熱金剛石層對器件表面的全覆蓋。不過，納米金剛石熱導率相較于單晶仍有差距，散熱效果存在一定局限，還有很大的探索空間。

金剛石典型的熱管理應用場景涵蓋了金剛石增強金屬封裝材料（Diamond/Cu、Diamond/Al）、熱沉片、金剛石襯底 GaN 器件等。將金剛石基熱沉應用于激光器的散熱系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)高效的熱量傳輸與散熱，有效降低激光器的工作溫度，提高激光器的穩(wěn)定性和使用壽命。

據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，2020 年全球 CVD 金剛石散熱器市場規(guī)模為 1.1 億美元，預計到 2032 年，市場規(guī)模將飆升至 2.7825 億美元，預測期內的復合年增長率為 8.1% 。

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