中國(guó)粉體網(wǎng)訊 我國(guó)于1963年成功研制出第一顆人造金剛石，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，中國(guó)金剛石行業(yè)已形成完整而龐大的工業(yè)體系。
三磨所培育的CVD鉆石，來(lái)源：國(guó)機(jī)集團(tuán)
金剛石向中高端躍進(jìn)
從產(chǎn)業(yè)規(guī)模來(lái)看，中國(guó)人造金剛石單晶產(chǎn)量占全球的95%。2022年美國(guó)進(jìn)口人造金剛石中，中國(guó)金剛石占比達(dá)到78%；歐盟28國(guó)進(jìn)口人造金剛石中，中國(guó)金剛石占比達(dá)到75%；印度進(jìn)口人造金剛石中，中國(guó)金剛石占比達(dá)到90%；日本進(jìn)口人造金剛石中，中國(guó)金剛石占比達(dá)到81%。
來(lái)源：《中國(guó)人造金剛石產(chǎn)業(yè)地圖（2023年）》，孫兆達(dá)演講
從具體應(yīng)用來(lái)看，根據(jù)中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)超硬材料（含上下游）產(chǎn)值已位居世界首位并突破千億元規(guī)模，磨料級(jí)人造金剛石產(chǎn)量突破200億克拉，全球占比超過(guò)95%，其上游專(zhuān)用制造設(shè)備六面頂壓機(jī)幾乎全由我國(guó)供應(yīng)，專(zhuān)用MPCVD設(shè)備約占全球50%；立方氮化硼約6億克拉，全球占比約75%，大尺寸人造金剛石單晶產(chǎn)量突破1500萬(wàn)克拉，全球占比約50%，復(fù)合超硬材料也達(dá)到50%以上；下游金剛石線(xiàn)鋸全球占比達(dá)到95%以上，石材和陶瓷領(lǐng)域用金剛石切磨拋制品全球占比達(dá)到60%以上。
人造金剛石作為結(jié)構(gòu)性材料，主導(dǎo)著金剛石工具市場(chǎng)，其高效、精密且環(huán)保的特質(zhì)，使其成為航空航天、汽車(chē)制造及電子信息等關(guān)鍵領(lǐng)域的核心工具，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的基石。盡管在聲、光、電、磁、熱等多個(gè)高科技領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，如半導(dǎo)體器件、熱管理材料、光學(xué)應(yīng)用及環(huán)保醫(yī)療等，但當(dāng)前人造金剛石的應(yīng)用仍主要集中于結(jié)構(gòu)性材料，占比高達(dá)90%以上，而功能化應(yīng)用的份額尚不足10%，預(yù)示著未來(lái)廣闊的發(fā)展空間和機(jī)遇。
來(lái)源：《中國(guó)人造金剛石產(chǎn)業(yè)地圖（2023年）》，孫兆達(dá)演講
目前，人造金剛石經(jīng)歷了從傳統(tǒng)磨料到首飾級(jí)金剛石的演進(jìn)，完成了從工業(yè)到消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)的滲透，需求端景氣度持續(xù)向上。接下來(lái)如何繼續(xù)向中高端躍遷？答案已經(jīng)浮出水面，就是功能性金剛石。
金剛石材料的性能
具體來(lái)看，金剛石半導(dǎo)體具有超寬禁帶(5.45eV)、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)(10MV/cm)、高載流子飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率(2000W/m·k)等材料特性，有望成為“終極半導(dǎo)體”；在電學(xué)方面，其絕緣性能和介電常數(shù)使其在復(fù)雜電路中發(fā)揮穩(wěn)定作用；在聲學(xué)上，金剛石在所有材料中具有最高的表面聲波速度和極高的楊氏模量；在光學(xué)上，金剛石可透過(guò)從遠(yuǎn)紅外到紫外小于帶隙能量的光子；在熱學(xué)上，其導(dǎo)熱性超過(guò)銅，因此金剛石具有跨領(lǐng)域應(yīng)用的潛力；機(jī)械性能方面，高強(qiáng)度和耐磨性確保芯片能夠承受極端工作條件。
據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Virtue market數(shù)據(jù)指出，2023年全球金剛石半導(dǎo)體基材市場(chǎng)價(jià)值為1.51億美元，預(yù)計(jì)到2030年底市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到3.42億美元。在2024-2030年的預(yù)測(cè)復(fù)合年增長(zhǎng)率為12.3%。其中，在中國(guó)、日本和韓國(guó)等國(guó)家電子和半導(dǎo)體行業(yè)不斷增長(zhǎng)的需求的推動(dòng)下，亞太地區(qū)預(yù)計(jì)將主導(dǎo)金剛石半導(dǎo)體襯底市場(chǎng)，到2023年預(yù)計(jì)將占全球收入份額的40%以上。
憑借著金剛石卓越的特性和廣闊的應(yīng)用前景，其在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)展現(xiàn)巨大潛力：
半導(dǎo)體封裝基板�；迨锹阈酒庋b中熱傳導(dǎo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前Al2O3陶瓷是產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的陶瓷基片，但其熱導(dǎo)率（(15-35W/ (m·K) ) ）遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足目前高頻、大功率、超大規(guī)模集成電路中使用。
隨著微電子技術(shù)進(jìn)步，高密度小型化趨勢(shì)加劇，組件熱流密度攀升，對(duì)基板材料要求劇增。高熱導(dǎo)率、高性能基片材料如AlN、Si3N4、SiC及金剛石等應(yīng)運(yùn)而生。金剛石因高熱導(dǎo)、低熱脹、高穩(wěn)定，成封裝基板新星，其中，金剛石/金屬?gòu)?fù)合材料初露鋒芒，雖成本高、加工難，但其熱導(dǎo)優(yōu)勢(shì)顯著，吸引大廠研發(fā)。針對(duì)算力需求增長(zhǎng)，金剛石基板創(chuàng)新散熱方案，助推AI、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域飛躍。
熱沉與散熱。金剛石憑卓越熱導(dǎo)與絕緣性能成為高功率散熱首選，金剛石單晶熱沉片的熱導(dǎo)率是銅、銀的5倍。在半導(dǎo)體激光器中，金剛石熱沉片顯著提升散熱，減低熱阻，增強(qiáng)輸出功率，延長(zhǎng)壽命。這一特性也使得金剛石在新能源汽車(chē)、工業(yè)控制等應(yīng)用領(lǐng)域的高功率IGBT模塊中也具有廣泛的應(yīng)用前景。
金剛石熱沉片，來(lái)源：曜世新材料
目前高功率半導(dǎo)體激光器普遍使用的散熱材料是氮化鋁熱沉，將其作為過(guò)渡熱沉燒結(jié)在銅熱沉上。但在熱導(dǎo)率要求1000~2000W/m·k之間時(shí)，金剛石是當(dāng)前首選甚至唯一可選的熱沉材料。金剛石用作熱沉材料主要有兩種形式，即金剛石薄膜和將金剛石與銅、鋁等金屬?gòu)?fù)合。
第三代半導(dǎo)體材料精密加工。第三代半導(dǎo)體材料如碳化硅、氮化鎵加工難度大，金剛石微粉及其產(chǎn)品憑其超硬特性成為加工利器，尤其在碳化硅晶體加工中不可或缺。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)普及，消費(fèi)電子精密加工需求激增，金剛石刀具與微粉制品為金屬、陶瓷等脆性材料提供高精度表面處理，加速行業(yè)技術(shù)革新與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。
此外，金剛石在其他功能性應(yīng)用中“大展身手”，例如金剛石沒(méi)有保留的透光能力，也使它成為視窗，如紅外線(xiàn)夜視鏡或雷達(dá)罩的極品。金剛石具有高頻傳聲的特點(diǎn)，又使它成為擴(kuò)音機(jī)振動(dòng)膜的不二選擇；高靈敏的金剛石量子傳感器等等。
“賽道”已鋪開(kāi)，玩家已布局
2019 年，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布了《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2019 年本)》，鼓勵(lì)信息、新能源、國(guó)防、航空航天等領(lǐng)域高品質(zhì)人工晶體材料、制品和器件，功能性人造金剛石材料生產(chǎn)裝備技術(shù)開(kāi)發(fā)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2021 年，國(guó)家發(fā)改委對(duì)《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2019 年本)》進(jìn)行更新，堅(jiān)持對(duì)功能性人造金剛石材料生產(chǎn)裝備技術(shù)開(kāi)發(fā)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行鼓勵(lì)。
5月18，四方達(dá)“天璇功能性金剛石超級(jí)工廠”在鄭州經(jīng)開(kāi)綜保區(qū)B區(qū)正式投產(chǎn)，據(jù)介紹，這也是目前國(guó)內(nèi)最大的CVD金剛石單體工廠，功能性金剛石成品年產(chǎn)能超100萬(wàn)克拉。
技術(shù)人員在生產(chǎn)線(xiàn)上操作設(shè)備，來(lái)源：河南日?qǐng)?bào)
惠豐鉆石此前在投資者互動(dòng)平臺(tái)表示，公司將加大功能性金剛石在半導(dǎo)體、散熱材料、 光學(xué)等新領(lǐng)域的應(yīng)用，開(kāi)拓新的收入增長(zhǎng)點(diǎn)，為公司長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)；國(guó)機(jī)精工是國(guó)內(nèi)較早進(jìn)行MPCVD法生長(zhǎng)大單晶金剛石的機(jī)構(gòu)，研制了MPCVD設(shè)備，摸索出MPCVD生長(zhǎng)工藝，目前，散熱材料和光學(xué)窗口片已實(shí)現(xiàn)小批量銷(xiāo)售；沃爾德目前有MPCVD設(shè)備100臺(tái)左右，主要產(chǎn)品包括金剛石振膜聲學(xué)器件、金剛石熱沉材料、金剛石光學(xué)窗口、金剛石工具材料、硼摻雜金剛石膜涂層電極及制品、CVD培育鉆石等；岱勒新材的產(chǎn)品金剛石線(xiàn)及子公司岱華產(chǎn)品拋光液、清洗劑等在半導(dǎo)體或3C領(lǐng)域已有批量應(yīng)用。
產(chǎn)業(yè)化方面也是熱火朝天。碳基芯材科技（武威）有限公司MPCVD金剛石項(xiàng)目涼山開(kāi)工；碳基芯材科技（烏海）有限公司MPCVD金剛石項(xiàng)目烏海開(kāi)工；榮盛晶創(chuàng)新材料科技有限公司金剛石產(chǎn)業(yè)基地投產(chǎn)，投產(chǎn)的是一期項(xiàng)目建設(shè)年產(chǎn)能二百萬(wàn)克拉高品質(zhì)CVD金剛石功能材料制備基地；元素六（Element Six, E6）正在主導(dǎo)美國(guó)一個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目-開(kāi)發(fā)使用單晶(SC)金剛石襯底的超寬帶高功率半導(dǎo)體。
在前沿科技研究方面，浙江大學(xué)林時(shí)勝教授利用MPCVD的方法成功制備出了硼氮共摻雜的塊體單晶金剛石，并成功實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)態(tài)和金屬態(tài)；Diamond Foundry培育出了世界上第一個(gè)單晶金剛石晶片；華為與廈門(mén)大學(xué)與合作開(kāi)發(fā)了基于反應(yīng)性納米金屬層的金剛石低溫鍵合技術(shù)，成功將多晶金剛石襯底集成到 2.5D 玻璃轉(zhuǎn)接板封裝芯片的背面，并采用熱測(cè)試芯片（TTV）研究其散熱特性。
來(lái)源：
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（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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