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為何說半導體散熱下一代材料或是金剛石？

文章來源： OFweek 新材料網更新時間：2025-07-08 16:14:11

有沒有過手機燙到握不住、電腦風扇狂響卻依然卡頓的煩躁？這些場景揭示了一個隱形瓶頸：芯片高速運轉產生的熱量，正成為解鎖更強性能的“攔路虎”。當傳統散熱手段觸達天花板，科技巨頭們不約而同轉向了一種自然界的神奇材料——金剛石。

它不僅在珠寶柜臺里閃耀，更悄悄潛入實驗室，成為工程師們對抗高溫的秘密武器。從降低20℃的GPU溫度，到激增三倍的AI運算速度，金剛石散熱正帶來突破性改變。這堅硬璀璨的“石頭”，為何被視作下一代半導體材料的風口？

01. 金剛石或是“六邊形戰士”

當今半導體行業面臨嚴峻散熱挑戰：芯片制程越精細、熱設計功耗越高，熱流密度就越大。當芯片表面溫度突破70-80℃，每升高1℃，可靠性就會驟降10%。設備故障過半源于過熱，高效散熱已成為解鎖AI和高性能計算潛力的關鍵瓶頸。破解之道，可能就藏在一種古老而神奇的材料里——金剛石。

金剛石被譽為解決散熱問題的“終極”方案。它的熱導率是硅的13倍、碳化硅(SiC)的4倍、銅或銀的4-5倍，且同時具備超寬禁帶半導體特性，堪稱“半導體材料”領域的“六邊形戰士”。

它帶來的性能提升是革命性的：在半導體芯片領域，應用金剛石散熱技術能讓GPU、CPU的計算能力飆升至普通芯片的3倍，溫度驟降60%，能耗大幅降低40%，可為數據中心節省巨額冷卻開支。

金剛石的應用潛力遠不止于傳統芯片。在新能源汽車中，它能將電動汽車充電速度提升5倍，熱負荷銳減10倍，同時讓逆變器體積縮小6倍。對太空衛星而言，金剛石技術助力數據速率提升5-10倍，衛星尺寸縮小50%，并在苛刻的太空環境中保持超強穩定性。無人機借助金剛石技術，充電1分鐘即可投入工作，其高效吸收高密度激光束的能力徹底解決了續航瓶頸。此外，量子計算、核能處理等前沿領域也因金剛石獨特的物理特性而展現出前所未有的潛力。

產業化的“從0到1”臨界點已到。全球科技巨頭正積極布局：美國Akash Systems公司依托芯片法案支持鉆石散熱研發；英偉達的實驗室中，采用金剛石散熱的GPU展現了3倍性能優勢；華為也接連公布相關專利，彰顯其在HPC、5G與AI領域的應用雄心。

國內產業鏈同樣大放異彩：憑借占全球90%以上產量的規模化制造優勢，中國的人造金剛石成本優勢顯著。化合積電等國內企業已提供完整的金剛石半導體解決方案并實現規模量產(光莆股份為其股東)。2024年8月，我國對相關設備技術的出口管制進一步凸顯其戰略價值。

開源證券預測市場規模將呈爆發式增長——從2025年約0.5億美元(滲透率不足0.1%)，極速攀升至152億美元(滲透率約10%)，年復合增長率高達214%。一場由金剛石引領的散熱革命正在重塑整個電子產業的未來格局。

02. 國內產業鏈優勢明顯

在全球金剛石產業的版圖上，中國展現著無與倫比的制造實力。我們的產量占據壓倒性優勢——2020年超200億克拉人造金剛石產出，壟斷全球90%以上供應。這一統治地位絕非偶然，其背后是一條從設備到材料的完整且極具成本效益的產業鏈支撐。

核心設備技術牢牢掌握在自己手中。人造金剛石生產的關鍵裝備——六面頂壓機，幾乎由中國完全主導；化學氣相沉積(MPCVD)設備的全球市場份額也達到約50%。國產設備不僅技術水平領先世界，其成本優勢更是將中國制造的人造金剛石推上全球最低價的寶座，為金剛石散熱技術的大規模產業化掃清了重要的成本障礙。

與此同時，立方氮化硼產量占全球75%，大尺寸人造金剛石單晶產量全球占比接近50%，復合超硬材料份額超50%。下游應用同樣強勢：金剛石線鋸全球占比達95%以上，石材和陶瓷領域使用的金剛石切磨拋制品占比超60%。這種從材料源頭的礦石加工直至終端工業應用的全面覆蓋，奠定了無與倫比的產業基礎。

中國的產能優勢，已成為全球高科技產業穩定供應的基石。美國進口數據提供了有力佐證：2019年美國進口的所有金剛石中，高達81%來自中國。其中鍍衣金剛石對中國的依賴度達到驚人的99%，細金剛石依賴度91%，粗金剛石依賴度50%。即便是更復雜的金剛石工具(如砂輪、節塊磨輪等)，中國產品占比也分別達到34%、32%和約26%。日本也高度依賴中國的金剛石供應，進口量占比55%。這種深度的依賴關系，突顯了中國在全球金剛石供應鏈中難以替代的關鍵角色。

完整的產業鏈條涵蓋了“設備制造+毛坯生產”兩大核心環節：

設備制造端：國機精工、遼寧鑫源等領軍企業代表了中國的全球技術高度。在培育鉆石主流生產方法之一的高溫高壓法(HTHP)中，核心裝備六面頂壓機的技術領先全球。而在化學氣相沉積法(CVD)領域，國內 MPCVD 設備技術也取得長足進步，設備數量呈現快速增長態勢。

毛坯生產端：力量鉆石、中兵紅箭、黃河旋風、四方達、惠豐鉆石、沃爾德等骨干企業構成強大的產業矩陣。全球 HTHP 法與 CVD 法產能比例約為6:4，中國幾乎壟斷了HTHP法產能，且在生產小克拉級培育鉆石方面具備顯著的成本和效率優勢。雖然CVD 法產能分布相對分散，但中國企業憑借對前沿技術的持續投入，已在大尺寸單晶、高品質彩鉆及異形鉆等細分領域取得突破。

令人欣喜的是，國內領先企業不再滿足于材料制造本身，正依托在 CVD 和 HTHP 技術上的深厚積累，集中力量向高附加值的散熱應用領域發起沖刺。

金剛石優異的導熱性能，正被力量鉆石、沃爾德、國機精工、中兵紅箭、黃河旋風、惠豐鉆石、四方達等公司應用于解決半導體芯片、5G 射頻器件以及 AI 計算核心等高端應用場景的散熱難題。它們在用于芯片導熱的熱沉材料、制備高功率器件所需的金剛石基薄膜以及半導體襯底等關鍵技術方向上不斷取得實質性突破。中國從全球制造中心向金剛石高端應用創新高地的躍升進程，正以前所未有的速度展開。

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