单晶金刚石（Single-Crystal Diamond, SCD）是目前已知热导率最高的天然或人工材料，在室温下其热导率可达 1800–2200 W/(m·K)，远超铜（约 400 W/(m·K)）和碳化硅（约 350–490 W/(m·K)）。这一卓越的高导热特性，结合其高电绝缘性、高硬度、低热膨胀系数和优异的化学稳定性，使其在多个高端工程领域具有不可替代的应用价值。
| 特性 | 数值/表现 | 工程意义 |
|---|---|---|
| 热导率 | 1800–2200 W/(m·K) | 极高效散热，抑制热点形成 |
| 电绝缘性 | 宽禁带（5.47 eV） | 可直接用于高电压器件，无需额外绝缘层 |
| 热膨胀系数 | ~1 × 10⁻⁶ /K（接近Si） | 与半导体材料热匹配，减少热应力 |
| 击穿场强 | >10 MV/cm | 耐高压，适用于功率电子 |
| 化学惰性 | 耐酸碱、抗氧化 | 适用于严苛环境 |
注：多晶金刚石热导率通常为 1000–1500 W/(m·K)，而单晶因无晶界散射，导热性能更优。
GaN/SiC 功率器件散热衬底
氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）器件虽耐高温，但局部功率密度极高（>10 kW/cm²），易产生“热瓶颈”。将单晶金刚石作为热沉（Heat Spreader）或直接键合衬底，可显著降低结温，提升器件寿命与输出功率。
应用实例：5G 基站射频功放、电动汽车逆变器、卫星通信模块。
激光二极管（LD）与高功率激光器
半导体激光器对温度极其敏感。单晶金刚石被用作激光芯片的微型热沉，有效控制波长漂移，提高光束稳定性和输出效率。
在 2.5D/3D 封装中，单晶金刚石薄膜可作为嵌入式微通道散热层或高导热中介层（Interposer），解决芯片堆叠带来的散热难题。
与传统金属热沉相比，金刚石更轻、绝缘、且不引入电磁干扰。
在毫开尔文（mK）级超导量子计算机中，热量积累会破坏量子态。单晶金刚石因其在低温下热导率进一步升高（4 K 时可达 >30,000 W/(m·K)），被用作量子芯片的支撑与导热平台，快速导出微弱热量。
在大型强子对撞机（LHC）等设备中，探测器前端电子学需在高辐射、高热流环境下工作。单晶金刚石既可作为辐射硬传感器材料，也可作为散热基板，兼具探测与热管理功能。
导弹制导系统、机载雷达等对重量、可靠性和散热效率要求极高。单晶金刚石热沉可实现“轻量化+高效散热”一体化设计，满足极端工况需求。
| 挑战 | 当前进展 |
|---|---|
| 成本高 | CVD（化学气相沉积）技术进步使英寸级单晶金刚石价格逐年下降 |
| 大面积制备难 | 目前主流尺寸为 4–10 mm，8 英寸仍在研发中 |
| 与半导体集成工艺复杂 | 开发了金刚石-Si、金刚石-GaN 的直接键合与异质集成技术 |
| 各向异性导热 | 需按晶向（如 [100] 方向）优化器件布局以发挥最大导热效率 |
单晶金刚石凭借超高热导率 + 优异综合物性，正从实验室走向高端工程应用，尤其在高功率密度电子、量子科技、先进封装等领域成为“终极散热材料”。随着 CVD 制备技术成熟与成本下降，未来有望在数据中心、电动汽车、6G 通信等更广泛场景中规模化应用，成为下一代热管理技术的核心材料之一。