中国粉体网讯 我国于1963年成功研制出第一颗人造金刚石，经过多年发展，中国金刚石行业已形成完整而庞大的工业体系。
三磨所培育的CVD钻石，来源：国机集团
金刚石向中高端跃进
从产业规模来看，中国人造金刚石单晶产量占全球的95%。2022年美国进口人造金刚石中，中国金刚石占比达到78%；欧盟28国进口人造金刚石中，中国金刚石占比达到75%；印度进口人造金刚石中，中国金刚石占比达到90%；日本进口人造金刚石中，中国金刚石占比达到81%。
来源：《中国人造金刚石产业地图（2023年）》，孙兆达演讲
从具体应用来看，根据中国机床工具工业协会统计，我国超硬材料（含上下游）产值已位居世界首位并突破千亿元规模，磨料级人造金刚石产量突破200亿克拉，全球占比超过95%，其上游专用制造设备六面顶压机几乎全由我国供应，专用MPCVD设备约占全球50%；立方氮化硼约6亿克拉，全球占比约75%，大尺寸人造金刚石单晶产量突破1500万克拉，全球占比约50%，复合超硬材料也达到50%以上；下游金刚石线锯全球占比达到95%以上，石材和陶瓷领域用金刚石切磨抛制品全球占比达到60%以上。
人造金刚石作为结构性材料，主导着金刚石工具市场，其高效、精密且环保的特质，使其成为航空航天、汽车制造及电子信息等关键领域的核心工具，被誉为现代工业的基石。尽管在声、光、电、磁、热等多个高科技领域展现出巨大潜力，如半导体器件、热管理材料、光学应用及环保医疗等，但当前人造金刚石的应用仍主要集中于结构性材料，占比高达90%以上，而功能化应用的份额尚不足10%，预示着未来广阔的发展空间和机遇。
来源：《中国人造金刚石产业地图（2023年）》，孙兆达演讲
目前，人造金刚石经历了从传统磨料到首饰级金刚石的演进，完成了从工业到消费级市场的渗透，需求端景气度持续向上。接下来如何继续向中高端跃迁？答案已经浮出水面，就是功能性金刚石。
金刚石材料的性能
具体来看，金刚石半导体具有超宽禁带(5.45eV)、高击穿场强(10MV/cm)、高载流子饱和漂移速度、高热导率(2000W/m·k)等材料特性，有望成为“终极半导体”；在电学方面，其绝缘性能和介电常数使其在复杂电路中发挥稳定作用；在声学上，金刚石在所有材料中具有最高的表面声波速度和极高的杨氏模量；在光学上，金刚石可透过从远红外到紫外小于带隙能量的光子；在热学上，其导热性超过铜，因此金刚石具有跨领域应用的潜力；机械性能方面，高强度和耐磨性确保芯片能够承受极端工作条件。
据市场调研机构Virtue market数据指出，2023年全球金刚石半导体基材市场价值为1.51亿美元，预计到2030年底市场规模将达到3.42亿美元。在2024-2030年的预测复合年增长率为12.3%。其中，在中国、日本和韩国等国家电子和半导体行业不断增长的需求的推动下，亚太地区预计将主导金刚石半导体衬底市场，到2023年预计将占全球收入份额的40%以上。
凭借着金刚石卓越的特性和广阔的应用前景，其在半导体产业中多个关键环节展现巨大潜力：
半导体封装基板。基板是裸芯片封装中热传导的关键环节。目前Al2O3陶瓷是产量最多、应用最广的陶瓷基片，但其热导率（(15-35W/ (m·K) ) ）远远不能满足目前高频、大功率、超大规模集成电路中使用。
随着微电子技术进步，高密度小型化趋势加剧，组件热流密度攀升，对基板材料要求剧增。高热导率、高性能基片材料如AlN、Si3N4、SiC及金刚石等应运而生。金刚石因高热导、低热胀、高稳定，成封装基板新星，其中，金刚石/金属复合材料初露锋芒，虽成本高、加工难，但其热导优势显著，吸引大厂研发。针对算力需求增长，金刚石基板创新散热方案，助推AI、数据中心等领域飞跃。
热沉与散热。金刚石凭卓越热导与绝缘性能成为高功率散热首选，金刚石单晶热沉片的热导率是铜、银的5倍。在半导体激光器中，金刚石热沉片显著提升散热，减低热阻，增强输出功率，延长寿命。这一特性也使得金刚石在新能源汽车、工业控制等应用领域的高功率IGBT模块中也具有广泛的应用前景。
金刚石热沉片，来源：曜世新材料
目前高功率半导体激光器普遍使用的散热材料是氮化铝热沉，将其作为过渡热沉烧结在铜热沉上。但在热导率要求1000~2000W/m·k之间时，金刚石是当前首选甚至唯一可选的热沉材料。金刚石用作热沉材料主要有两种形式，即金刚石薄膜和将金刚石与铜、铝等金属复合。
第三代半导体材料精密加工。第三代半导体材料如碳化硅、氮化镓加工难度大，金刚石微粉及其产品凭其超硬特性成为加工利器，尤其在碳化硅晶体加工中不可或缺。随着5G、物联网技术普及，消费电子精密加工需求激增，金刚石刀具与微粉制品为金属、陶瓷等脆性材料提供高精度表面处理，加速行业技术革新与产业升级。
此外，金刚石在其他功能性应用中“大展身手”，例如金刚石没有保留的透光能力，也使它成为视窗，如红外线夜视镜或雷达罩的极品。金刚石具有高频传声的特点，又使它成为扩音机振动膜的不二选择；高灵敏的金刚石量子传感器等等。
“赛道”已铺开，玩家已布局
2019 年，国家发改委发布了《产业结构调整指导目录(2019 年本)》，鼓励信息、新能源、国防、航空航天等领域高品质人工晶体材料、制品和器件，功能性人造金刚石材料生产装备技术开发等产业发展。2021 年，国家发改委对《产业结构调整指导目录(2019 年本)》进行更新，坚持对功能性人造金刚石材料生产装备技术开发等产业发展进行鼓励。
5月18，四方达“天璇功能性金刚石超级工厂”在郑州经开综保区B区正式投产，据介绍，这也是目前国内最大的CVD金刚石单体工厂，功能性金刚石成品年产能超100万克拉。
技术人员在生产线上操作设备，来源：河南日报
惠丰钻石此前在投资者互动平台表示，公司将加大功能性金刚石在半导体、散热材料、 光学等新领域的应用，开拓新的收入增长点，为公司长期可持续发展奠定基础；国机精工是国内较早进行MPCVD法生长大单晶金刚石的机构，研制了MPCVD设备，摸索出MPCVD生长工艺，目前，散热材料和光学窗口片已实现小批量销售；沃尔德目前有MPCVD设备100台左右，主要产品包括金刚石振膜声学器件、金刚石热沉材料、金刚石光学窗口、金刚石工具材料、硼掺杂金刚石膜涂层电极及制品、CVD培育钻石等；岱勒新材的产品金刚石线及子公司岱华产品抛光液、清洗剂等在半导体或3C领域已有批量应用。
产业化方面也是热火朝天。碳基芯材科技（武威）有限公司MPCVD金刚石项目凉山开工；碳基芯材科技（乌海）有限公司MPCVD金刚石项目乌海开工；荣盛晶创新材料科技有限公司金刚石产业基地投产，投产的是一期项目建设年产能二百万克拉高品质CVD金刚石功能材料制备基地；元素六（Element Six, E6）正在主导美国一个关键项目-开发使用单晶(SC)金刚石衬底的超宽带高功率半导体。
在前沿科技研究方面，浙江大学林时胜教授利用MPCVD的方法成功制备出了硼氮共掺杂的块体单晶金刚石，并成功实现了超导态和金属态；Diamond Foundry培育出了世界上第一个单晶金刚石晶片；华为与厦门大学与合作开发了基于反应性纳米金属层的金刚石低温键合技术，成功将多晶金刚石衬底集成到 2.5D 玻璃转接板封装芯片的背面，并采用热测试芯片（TTV）研究其散热特性。
来源：
Carbontech：电力损耗仅1/50000！日本金刚石半导体逐近商业化
马志斌：MPCVD金刚石的制备与应用研究进展
半导体行业观察：钻石芯片，加速
36氪河南：培育白钻第一人冯参军，牵手长飞光纤推出金刚石芯片散热中国方案
河南省品牌促进会：高质量发展|中国人造金刚石产业地图发布!
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（中国粉体网编辑整理/空青）
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