當(dāng)電子設(shè)備性能狂飆突進(jìn)，散熱問題卻成了“卡脖子”的隱形殺手。從手機(jī)發(fā)燙到AI芯片過熱，傳統(tǒng)硅脂、鋁基散熱片已難堪重負(fù)。而一種看似“奢華”的材料——金剛石，正以“終極導(dǎo)熱王者”的姿態(tài)，掀起一場(chǎng)散熱技術(shù)的顛覆性革命！
金剛石能夠滿足熱管理應(yīng)用的超高要求，主要有兩種形式，一種把金剛石作為導(dǎo)熱填料使用，另外一種則是金剛石熱沉片。
導(dǎo)熱金剛石填料
高分子導(dǎo)熱材料被廣泛地應(yīng)用于電力電子、精密制造等諸多領(lǐng)域。由于多種多樣的端基，其制備的導(dǎo)熱材料的用途也是各有不同，按照應(yīng)用場(chǎng)景的不同可以分為導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱凝膠，導(dǎo)熱墊等。
對(duì)以聚合物為基體的導(dǎo)熱復(fù)合材料而言，不僅聚合物基體能夠顯著影響材料的導(dǎo)熱性能，而且填料也能在很大程度上影響復(fù)合材料整體的熱導(dǎo)率。
在形形色色的導(dǎo)熱填料中，金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)很高，可達(dá)2000W/m·K，將其作為填料添加到導(dǎo)熱凝膠和導(dǎo)熱墊中，能顯著提高這些材料的導(dǎo)熱能力，加快熱量傳遞速度，例如華為公布的以金剛石顆粒為填料的導(dǎo)熱材料專利，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，較傳統(tǒng)硅脂等界面導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱性能有大幅提升。
單晶金剛石 圖源：河南飛孟金剛石
不同種類的金剛石其導(dǎo)熱性能也不是一成不變的，它們之間也存在一定的差異。就制造工藝而言，可以把金剛石分為直接成型的金剛石單晶和由大粒徑金剛石微粒破碎而來(lái)的金剛石破碎料。金剛石單晶，其粒徑往往較大，熱穩(wěn)定性較高；金剛石破碎料其粒徑要稍小，但熱穩(wěn)定性會(huì)稍差。
金剛石熱沉片
金剛石熱沉片具有高熱導(dǎo)率、低膨脹等優(yōu)勢(shì)，可用于替代氮化鋁、銅、鋁碳化硅等材料，廣泛應(yīng)用于各種大功率電子器件中，終端應(yīng)用涉及到光通訊、航天航空、新能源汽車、5G基站、電子封裝、光伏、儲(chǔ)能等領(lǐng)域。
金剛石熱沉片 圖源：河南飛孟金剛石
經(jīng)過近幾十年來(lái)的極速發(fā)展，各種化學(xué)氣相法（CVD）技術(shù)已被用于生長(zhǎng)金剛石薄膜。化學(xué)氣相法可以分為熱絲化學(xué)氣相沉積（HFCVD）、微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）、直流等離子體噴射化學(xué)氣相沉積（DPJCVD）等。
MPCVD適用于合成高檔多晶和單晶金剛石薄膜，生長(zhǎng)速度相對(duì)較高，但成本較高，尤其是大面積生長(zhǎng)。DPJCVD開發(fā)主要是為了實(shí)現(xiàn)極高的生長(zhǎng)速率但薄膜質(zhì)量和大面積生長(zhǎng)受到限制。HFCVD是大面積生長(zhǎng)的最佳選擇，因?yàn)橹挥袛U(kuò)大真空反應(yīng)器和燈絲排列才能擴(kuò)大有效生長(zhǎng)面積。
市場(chǎng)規(guī)模及發(fā)展
1.金剛石
我國(guó)作為全球最大的人造金剛石生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)顯著。2023年，我國(guó)金剛石產(chǎn)量增至165.97億克拉，占全球總產(chǎn)量的90%以上。其中，單晶金剛石是由具有飽和性和方向性的共價(jià)鍵結(jié)合起來(lái)的晶體，是金剛石晶體中最常見的類型，2023年產(chǎn)量達(dá)84.5億拉克，占總產(chǎn)量的51%。
現(xiàn)今，科技的持續(xù)進(jìn)步和工業(yè)水平的不斷發(fā)展對(duì)工業(yè)金剛石提出了許多更高更新的要求，對(duì)高品級(jí)和特種金剛石的需求不斷擴(kuò)大，為我國(guó)人造金剛石產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。
2.金剛石熱沉片
近年來(lái)，全球金剛石熱沉片市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，2023年全球金剛石熱沉片市場(chǎng)規(guī)模約2.7億美元，隨著第三代半導(dǎo)體（如碳化硅、氮化鎵）的普及，預(yù)計(jì)2025年市場(chǎng)規(guī)模將突破4億美元。中國(guó)市場(chǎng)在過去幾年變化較快，市場(chǎng)占有率逐步提升。
金剛石熱沉片是理想的散熱材料，在5G射頻芯片、毫米波天線、無(wú)線充電、無(wú)線傳輸、IGBT、印刷線路板、AI和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著金剛石熱沉片產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大、制備技術(shù)進(jìn)步，金剛石熱沉片生產(chǎn)成本將下降，應(yīng)用領(lǐng)域及市場(chǎng)規(guī)模有望進(jìn)一步擴(kuò)展。
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