中國粉體網(wǎng)訊 我國于1963年成功研制出第一顆人造金剛石，經(jīng)過多年發(fā)展，中國金剛石行業(yè)已形成完整而龐大的工業(yè)體系。
三磨所培育的CVD鉆石，來源：國機集團
金剛石向中高端躍進
從產(chǎn)業(yè)規(guī)模來看，中國人造金剛石單晶產(chǎn)量占全球的95%。2022年美國進口人造金剛石中，中國金剛石占比達到78%；歐盟28國進口人造金剛石中，中國金剛石占比達到75%；印度進口人造金剛石中，中國金剛石占比達到90%；日本進口人造金剛石中，中國金剛石占比達到81%。
來源：《中國人造金剛石產(chǎn)業(yè)地圖（2023年）》，孫兆達演講
從具體應(yīng)用來看，根據(jù)中國機床工具工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，我國超硬材料（含上下游）產(chǎn)值已位居世界首位并突破千億元規(guī)模，磨料級人造金剛石產(chǎn)量突破200億克拉，全球占比超過95%，其上游專用制造設(shè)備六面頂壓機幾乎全由我國供應(yīng)，專用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1500萬克拉，全球占比約50%，復(fù)合超硬材料也達到50%以上；下游金剛石線鋸全球占比達到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，其高效、精密且環(huán)保的特質(zhì)，使其成為航空航天、汽車制造及電子信息等關(guān)鍵領(lǐng)域的核心工具，被譽為現(xiàn)代工業(yè)的基石。盡管在聲、光、電、磁、熱等多個高科技領(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90%以上，而功能化應(yīng)用的份額尚不足10%，預(yù)示著未來廣闊的發(fā)展空間和機遇。
來源：《中國人造金剛石產(chǎn)業(yè)地圖（2023年）》，孫兆達演講
目前，人造金剛石經(jīng)歷了從傳統(tǒng)磨料到首飾級金剛石的演進，完成了從工業(yè)到消費級市場的滲透，需求端景氣度持續(xù)向上。接下來如何繼續(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
具體來看，金剛石半導(dǎo)體具有超寬禁帶(5.45eV)、高擊穿場強(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，金剛石可透過從遠紅外到紫外小于帶隙能量的光子；在熱學(xué)上，其導(dǎo)熱性超過銅，因此金剛石具有跨領(lǐng)域應(yīng)用的潛力；機械性能方面，高強度和耐磨性確保芯片能夠承受極端工作條件。
據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)Virtue market數(shù)據(jù)指出，2023年全球金剛石半導(dǎo)體基材市場價值為1.51億美元，預(yù)計到2030年底市場規(guī)模將達到3.42億美元。在2024-2030年的預(yù)測復(fù)合年增長率為12.3%。其中，在中國、日本和韓國等國家電子和半導(dǎo)體行業(yè)不斷增長的需求的推動下，亞太地區(qū)預(yù)計將主導(dǎo)金剛石半導(dǎo)體襯底市場，到2023年預(yù)計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) ) ）遠遠不能滿足目前高頻、大功率、超大規(guī)模集成電路中使用。
隨著微電子技術(shù)進步，高密度小型化趨勢加劇，組件熱流密度攀升，對基板材料要求劇增。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/金屬復(fù)合材料初露鋒芒，雖成本高、加工難，但其熱導(dǎo)優(yōu)勢顯著，吸引大廠研發(fā)。針對算力需求增長，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，增強輸出功率，延長壽命。這一特性也使得金剛石在新能源汽車、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，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、鋁等金屬復(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。
此外，金剛石在其他功能性應(yīng)用中“大展身手”，例如金剛石沒有保留的透光能力，也使它成為視窗，如紅外線夜視鏡或雷達罩的極品。金剛石具有高頻傳聲的特點，又使它成為擴音機振動膜的不二選擇；高靈敏的金剛石量子傳感器等等。
“賽道”已鋪開，玩家已布局
2019 年，國家發(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)》，鼓勵信息、新能源、國防、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)開發(fā)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2021 年，國家發(fā)改委對《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2019 年本)》進行更新，堅持對功能性人造金剛石材料生產(chǎn)裝備技術(shù)開發(fā)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展進行鼓勵。
5月18，四方達“天璇功能性金剛石超級工廠”在鄭州經(jīng)開綜保區(qū)B區(qū)正式投產(chǎn)，據(jù)介紹，這也是目前國內(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100萬克拉。
技術(shù)人員在生產(chǎn)線上操作設(shè)備，來源：河南日報
惠豐鉆石此前在投資者互動平臺表示，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，開拓新的收入增長點，為公司長期可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)；國機精工是國內(nèi)較早進行MPCVD法生長大單晶金剛石的機構(gòu)，研制了MPCVD設(shè)備，摸索出MPCVD生長工藝，目前，散熱材料和光學(xué)窗口片已實現(xiàn)小批量銷售；沃爾德目前有MPCVD設(shè)備100臺左右，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金剛石項目涼山開工；碳基芯材科技（烏海）有限公司MPCVD金剛石項目烏海開工；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)的是一期項目建設(shè)年產(chǎn)能二百萬克拉高品質(zhì)CVD金剛石功能材料制備基地；元素六（Element Six, E6）正在主導(dǎo)美國一個關(guān)鍵項目-開發(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單晶金剛石晶片；華為與廈門大學(xué)與合作開發(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，并采用熱測試芯片（TTV）研究其散熱特性。
來源：
Carbontech：電力損耗僅1/50000！日本金剛石半導(dǎo)體逐近商業(yè)化
馬志斌：MPCVD金剛石的制備與應(yīng)用研究進展
半導(dǎo)體行業(yè)觀察：鉆石芯片，加速
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（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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