依托當地資源優勢，河北省承德市圍場滿族蒙古族自治縣已形成玄武岩纖維、半導體級金剛石等產業鏈條，產品廣泛應用於新能源汽車、精密制造等多個領域。圖為該縣一家玄武岩纖維生產企業，工人在查看玄武岩纖維絲。 　　王立群攝（新華社發）

國機集團下屬精工博研測試技術（河南）有限公司展出的四種規格的培育鑽石。其中，最大的鑽石約為5克拉，培育時間約為40天。 　　本報記者 孔德晨攝

　　人造鑽石用在哪兒？

　　1963年12月6日，鄭州磨料磨具磨削研究所（三磨所）的實驗室裡，一台兩面頂壓機發出一聲悶響，中國第一顆人造金剛石就此誕生。那顆金剛石的目的很朴素：做工業的“牙齒”，解決磨料和切削工具被“卡脖子”的問題。

　　60多年后，同樣是碳原子排列成的晶體，被討論的場合從機床車間到了商場的首飾櫃台、又換到了AI數據中心——當單顆芯片的功耗沖向2300瓦，銅和鋁已經不夠用了，人們重新把目光投向這顆“最硬的石頭”。

　　人造鑽石用於導熱，可行嗎？有哪些難點、卡點？業內怎麼看？

　　

　　全球每兩顆人造鑽石，就有一顆產自中國

　　人造金剛石是人工合成金剛石材料的統稱。其中，達到寶石級、用於首飾的，被稱為人造鑽石﹔用於工業切削、磨料以及為芯片散熱提供導熱功能的，則屬於工業級或半導體級金剛石。

　　“人工培育鑽石可不是假鑽石。”國機集團下屬精工博研測試技術（河南）有限公司（以下簡稱國機精工）有關負責人拿起一顆晶亮通透的一克拉鑽石對記者介紹，人造金剛石在化學成分上與天然鑽石完全一致，都是碳的單質晶體。區別在於，天然鑽石在地幔深處經歷了億萬年高溫高壓，人造金剛石是在實驗室或工廠裡用遠低於地質時間尺度的手段催生出來的。

　　目前工業化生產主要有兩條技術路線，原理完全不同，適用的目標也不一樣。

　　第一種是高溫高壓法（HPHT），本質就是模擬地殼運動環境。“把石墨粉和金屬觸媒粉放入兩面頂或六面頂壓機，在5至6吉帕的壓力、1300至1600攝氏度的溫度下，讓石墨中的碳原子在觸媒作用下重新排列成金剛石晶體。”前述負責人介紹，產物呈顆粒狀，單次生長周期通常在幾天到兩周之間，生長速度快、能耗相對較低，在1至5克拉這個區間，尤其是磨料級和中小顆粒培育鑽石上優勢明顯。

　　第二種是化學氣相沉積法（CVD），本質是“讓碳原子一層一層落下來”。在700至1300攝氏度、低於1帕的低壓真空環境裡，含碳氣體（如甲烷）被激活，活性碳原子逐層沉積到一片金剛石晶種上，長成片狀晶體。CVD法的生長速率比HPHT慢得多，高品質生長時每小時隻有幾微米到十幾微米，長一毫米需要上百小時，單晶生長周期約三四周。但它的優勢在於純淨度極高、可以長得更大，更適合5克拉以上大顆粒以及功能性金剛石材料——芯片散熱用的熱沉片，走的就是CVD路線。

　　“目前，人工培育鑽石的主要用途還是制作首飾，比如戒指、項鏈等。天然鑽石裡有一些放射性元素，而人工培育的更純淨。”國機精工有關負責人說，由於是在受控環境下生長，培育鑽石的淨度、顏色等指標可以根據需要進行調控。價格方面，培育鑽石的價格目前約為天然鑽石的六分之一到十分之一。

　　中國是全球HPHT法的主導者，佔據全球六成以上的產能。“1963年我們集團三磨所在兩面頂壓機上合成中國第一顆人造金剛石，走的就是這條路線，當時的目標很朴素：解決工業磨料和切削工具被‘卡脖子’的問題。”前述負責人介紹，此后60多年間，河南逐漸“長”出了全球最完整的超硬材料產業鏈。到2025年，全球培育鑽石毛坯產能約4000萬克拉，中國以2520萬克拉佔據63%份額，其中河南一省就佔全國產能八成以上。僅柘城縣一地便聚集了223家超硬材料企業，年產金剛石單晶60億克拉、金剛石微粉150億克拉。全球每兩顆人造鑽石，就有一顆產自河南。

　　從“切和磨”到“導和傳”

　　同樣是人工培育金剛石，放到工業場景裡，故事完全不同。

　　金剛石進入算力散熱，不是因為珠寶櫃台的生意不好做了，而是因為芯片真的“燙”到了傳統材料的極限。

　　工業和信息化部的數據顯示，截至今年6月底，全國智能算力規模已達2185EFLOPS（FP16），同比增長177%。同期，伴隨AI需求從超大規模雲廠商向多元化客戶擴散，全球的算力急速增長。這也意味著承載算力的芯片正以更快速度消耗能量、產生熱量。從英偉達公開數據看，其部分產品線芯片的熱設計功耗（TDP）已提升至1400W，而下一代Rubin GPU功耗將突破2300W。

　　業內人士指出，隨著單顆GPU功耗邁入千瓦級時代，傳統風冷、銅基散熱材料在局部熱點擴散和芯片溫度控制方面已逐漸逼近物理極限。

　　“人工智能蓬勃發展，芯片性能越來越強大，對散熱提出了越來越高的要求。”中國機床工具工業協會超硬材料分會秘書長孫兆達告訴記者，金剛石室溫熱導率是銅的5倍、鋁的10倍，是已知熱導率最高的材料之一。金屬靠自由電子“搬運”熱量，金剛石靠晶格原子振動形成的“聲子”傳熱，碰撞少、路徑直，導熱效率遠高於金屬。更關鍵的是，金剛石是絕緣體，貼在芯片上不會漏電，也不會干擾高頻信號﹔它的熱膨脹系數與硅高度匹配，芯片忽冷忽熱也不會開裂。

　　目前，行業主要形成三條技術路線：單晶金剛石、多晶金剛石以及金剛石復合材料。

　　單晶金剛石擁有最高熱導率，理論值可達到2000W/（m·K）以上，同時具備優異絕緣性能，被視為今后的重要方向。但由於大尺寸生長難度極高，目前整個行業尚不具備穩定量產2英寸以上單晶金剛石的能力，距離大規模商用仍有較長距離。

　　在多晶金剛石領域，黃河旋風宣布研制出8英寸金剛石熱沉片，並啟動量產。黃河旋風總經理龐文龍介紹，多晶金剛石在實現高熱導率，即1000—2200W/（m·K）的同時，能夠很好地解決大尺寸制備的難題，是目前較為現實的產業化路徑。

　　相比前兩條路線，金剛石復合材料產業化速度更快一些。這種路線並非完全使用金剛石，而是將金剛石微粉與銅、鋁、陶瓷等基材復合，在保持較高散熱性能的同時，大幅降低成本，也能夠兼容現有封裝體系。

　　有待大規模市場化

　　專家認為，金剛石散熱的方向是明確的，但當前仍處在從技術驗証向小批量供貨過渡的早期階段，大規模市場化還有相當距離。

　　最硬的卡點有兩個。一是良品率。半導體級金剛石熱沉片目前行業良品率不足50%，主要原因是微波等離子體化學氣相沉積法（MPCVD）生長溫度高達七八百攝氏度，單晶硅基體在冷卻過程中極易變形，直接導致金剛石膜碎裂甚至整批報廢。有企業測算，良品率如果從50%提升到80%至90%，生產成本可以直接縮減一半。

　　二是大尺寸制備。目前單晶金剛石在2英寸以上的穩定量產仍是行業性難題，多晶路線和金剛石-銅復合材料路線各有妥協，三條技術路線尚未完全成熟。此外，高端MPCVD設備的部分核心部件仍依賴進口，下游芯片客戶的認証周期長，產業鏈的成熟度還沒有跟上資本和輿論的熱度。

　　國機精工有關負責人告訴記者，人工培育金剛石要從磨料轉為散熱功能，是一個大跨越。“磨料和工具對金剛石的要求，核心是硬度、強度和粒度分布﹔半導體熱沉片對金剛石的要求，核心是熱導率的一致性、表面的平整度、缺陷密度以及和芯片工藝的兼容性。”該負責人說，“過去評價一顆金剛石好不好，看的是它能不能切得動、磨得平﹔現在評價一片金剛石能不能用，看的是它在每平方厘米幾百瓦的熱流密度下，能不能穩定地把熱量導出去，並且不引入新的失效模式。”

　　更根本的變化在於，磨料是消耗品，邏輯是量大、價低、循環採購﹔而熱沉片是功能部件，邏輯是認証周期長、一旦定點就深度綁定。企業從“賣材料”轉向“賣功能”，需要的不只是設備升級，更是從晶體生長控制、精密加工到下游封裝驗証的整條能力鏈重構。

　　“這也是為什麼很多在磨料領域很成熟的企業，進入熱沉片賽道后會發現，難點不在‘能不能長出來’，而在長出來之后能不能用、能不能穩、能不能批量。”國機精工有關負責人說。

　　專家建議，從產業組織的角度，目前最需要集中力量突破的是兩件事：大尺寸單晶的穩定制備以及加工環節的良率提升。“這兩件事決定了成本曲線能不能真正往下走。金剛石-銅復合材料作為過渡路線，在導熱系數和成本之間提供了一個折中方案，短期內在部分場景有望率先形成規模應用，但它的定位是‘把市場先撐起來’，不是替代單晶的終極方案。”孫兆達說。

　　“時間上，業內的基本共識是，金剛石散熱的大規模應用還需要三到五年的爬坡期。”國機精工有關負責人介紹，這個判斷的底層依據不是需求不足，而是材料產業自身的節奏：設備要調試、工藝窗口要收窄、客戶認証要一輪一輪走、良率要在量產中逐步逼近。

　　“對中國產業而言，優勢不在某一項單點技術，而在於擁有全球最完整的超硬材料產業鏈和最大的應用場景，這決定了我們有條件把這場‘長跑’跑完。”該負責人說。