從珠寶到半導體:鑽石成為新世代導熱材料的關鍵角色

面對高功率電子與高速通訊時代的散熱挑戰,您的精密元件是否正因過熱而效能受損、壽命縮短?有效的熱管理,已成為提升產品競爭力與可靠度的首要任務。

鑽石,這種傳統上與奢華畫上等號的寶石,因其異常優異的導熱性,正顛覆工業與科技界的散熱瓶頸。

不同於金屬透過自由電子導熱,鑽石利用其獨特的聲子晶格震動,結合緊密原子排列、強勁共價鍵及極低晶格缺陷,實現遠超金屬材料的導熱效率,成為引領未來高效散熱技術的關鍵核心。

本文將深入探討鑽石為何具備卓越導熱性、其導熱與導電機制差異,以及在各類高端應用中的發展現況與市場潛力。

天然鑽石
天然鑽石
  • 化學成分: 天然鑽石是碳的一種結晶狀態,與石墨同為碳的同素異形體,主要雜質是N(0.01~0.25%)。
  • 顏色: 純淨的鑽石透明無色,由含各種雜質和晶體缺陷而呈現不同顏色。天然鑽石多呈淡黃色,人造鑽石為黃綠色。
  • 物理性質: 高熔點、高熱導率、高電阻率,密度ρ= 3.51524g/cm3。
  • 化學性質: 疏水、親油,常溫下為惰性,加熱到1000℃時,除個別氧化劑外不受化學試劑腐蝕。
  • 氧化性: 鑽石在純氧中600℃以上,鑽石開始失去光澤出現黑色表皮灰燼化。700~800℃時開始燃燒。
  • 人造鑽石在空氣中開始氧化的溫度為740~840℃,開始燃燒溫度為850~1000℃

※延伸閱讀:磨料-鑽石介紹


鑽石的導熱性主要源自於聲子的震動傳播。與一般金屬依賴自由電子傳熱不同,鑽石作為絕緣體,主要透過聲子——即晶格震動能量的量子來傳遞熱能。鑽石具備極高的晶體完整性、極少缺陷,加上碳原子質量輕、碳-碳共價鍵強,使聲子的平均自由程長、散射少,從而實現極高的熱導率。天然Type IIa鑽石的熱導率可達2200~2600 W/m·K,遠高於大多數金屬材料。

導熱機制說明:

  • 金屬的導熱: 主要透過自由電子傳遞熱能。
  • 鑽石的導熱:
    • 聲子可視為晶格震動的量子單位,當一部分原子受到熱能刺激開始震動,這種振動會像水波一樣沿晶體結構傳遞出去
    • 在鑽石這種原子排列極度緊密又高度對稱的材料中,聲子可以高速且低阻力地傳播,因此熱能能迅速從一處擴散到整個材料。

聲子導熱效率高的原因:

  • 碳原子質量小 → 聲子傳播速度快。
  • 碳–碳鍵結強 → 聲子能量高、波長短。
  • 晶體缺陷少 → 聲子散射少,平均自由程長。
  • 結構單純 → 有利於高頻聲子穩定傳播。

項目單晶鑽石多晶鑽石
導熱率可超過 2000–2200 W/m·K約 1200 W/m·K
結構特性無晶界、聲子散射少、硬度較高存在晶界、聲子散射多
導熱效率極高,適用高功率元件佳,已可用於LED等散熱
應用潛力高階功率元件、GaN晶片LED、雷射等中高階應用

單晶與多晶的鑽石膜的優點

  • 不論是單晶或多晶,其導熱性能皆遠超銀、銅、鋁等傳統材料
  • 宏崴單晶優點:其近乎完美的晶體結構,在熱傳導效率上表現相較多晶卓越,是高階應用如GaN晶片的理想選擇。
  • 宏崴多晶優點:其具備大面積與優異的成本效益,是LED、雷射等中高階工業應用散熱的優選方案。

材質熱導率(單位:W/m·K)
鑽石2200–2600
銀(Ag)429
銅(Cu)401
金(Au)317
鋁(Al)237
矽(Si)148
0.613
玻璃1.4
空氣0.026

以前購買鑽石時,有人會用舌尖舔一下,如果感覺舌尖涼涼的,就是真鑽;如果暖暖的,就只是玻璃。這個過程其實就是用舌尖當探針,在寶石上做一次熱導率的比較實驗。因為玻璃的熱導率很小,而真鑽的傳熱速率高達玻璃的千倍以上,因此感覺靈敏的舌尖的確很容易分辨兩者的差異。


您知道嗎?

當晶片表面溫度達到 70~80℃ 時,溫度每增加 1℃,晶片可靠度就會下降 10%。更令人擔憂的是,高達 55%以上的設備故障都與過熱直接相關!

面對這些嚴峻的挑戰,您需要的是最可靠的散熱方案。鑽石,是目前已知熱導率最高的材料,其導熱效率高達:

  • 矽(Si)的 13 倍
  • 碳化矽(SiC)的 4 倍
  • 銅和銀的 4~5 倍

選擇鑽石,就是選擇為您的關鍵元件提供無與倫比的熱管理能力,確保產品穩定運行,大幅延長使用壽命。


在高效能電子設計中,一個常見的迷思是:「導熱性好的材料,導電性也一定好嗎?」。答案對於鑽石來說:不等於

熱與電的傳導機制:

傳導類型傳遞方式
熱傳導依靠聲子(原子震動)傳遞熱能
電傳導幾乎沒有自由電子可供電流移動

鑽石雖然在原子震動方面(聲子)極為有效,因此導熱性能優異(可超過2000 W/m·K),但因其價電子皆參與共價鍵、幾乎沒有可自由移動的電子,所以是極佳的電絕緣體(導電率極低)。


憑藉其無與倫比的熱傳導與電絕緣特性,鑽石已成為解決高功率密度設備散熱挑戰的關鍵材料,在以下領域展現其巨大潛力:

1. 高功率電子元件

  • GaN 功率晶片、場效電晶體(FET)、功率放大器。
  • 單晶鑽石襯底可有效提升散熱能力與元件穩定性,能大幅延長元件壽命,提升系統穩定性,並實現更高的操作頻率。。

2. LED 與雷射散熱

  • 多晶鑽石膜貼合在LED晶片上 → 有效抑制熱點、提升亮度與壽命,確保光源輸出穩定,減少光衰,並提升產品可靠度。

3. 光電與紅外元件

  • 鑽石高透光性與高折射率 → 適合用作雷射窗、飛彈光罩、紅外感測器、太陽能電池增效層,極佳的光學穩定性,並能在嚴苛環境下保持性能。

4. 積體電路(IC)基板

  • 矽的導熱率僅約鑽石的 1/15,若能用鑽石替代基板,可大幅改善散熱瓶頸,突破傳統散熱限制,實現更小型化、高效能的晶片設計。

5. 熱導絕緣材料

  • 利用其高熱導但電絕緣的特性,用於特殊熱管理需求場景,能在高壓或高頻環境下,提供安全可靠的熱管理方案。

鑽石基板/鑽石晶圓
鑽石基板/鑽石晶圓
應用領域2025年市場規模(美元)預測年複合成長率(CAGR)主要應用產業
CVD鑽石散熱基板(Submount)136億11.7%(2024–2031)高功率半導體、雷射、通訊模組等
鑽石散熱片(Heat Spreaders)1.8億9.86%(2025–2033)航太、國防、電信、先進電子
鑽石散熱器(Heat Sinks)2.4億4.2%(2025–2033)高功率電子、光學模組
銅-鑽石複合材料(Cu-Diamond)3.38億12.1%(2025–2033)高效能運算、5G、電動車、航太
單晶鑽石市場(Single Crystal)16.37億4.7%(2025–2033)精密工具、半導體、光學元件

  • 高功率密度電子設備:隨著半導體、5G、電動車(EV)、AI伺服器等技術的發展,對高效熱管理材料的需求日益增加。
  • CVD技術進步:化學氣相沉積(CVD)技術的成熟,使得高品質鑽石材料的量產成為可能,降低了成本,擴大了應用範圍。
  • 航太與國防應用:鑽石材料在極端環境下的穩定性,使其在航太與國防領域的應用日益增多。

鑽石的高導熱性與電絕緣性,使其在半導體、高功率電子、雷射模組、5G通訊設備、電動車功率模組等領域具有廣泛應用。未來,隨著對高效熱管理解決方案需求的增加,鑽石導熱材料市場預計將持續增長。


鑽石其獨特的原子結構和卓越的聲子傳導機制,在高功率、高熱密度應用中展現無可取代的熱管理優勢。儘管是極佳的電絕緣體,其熱導率卻是傳統金屬的數倍,尤其單晶鑽石更能滿足最嚴苛的散熱需求。

從LED、雷射、GaN晶片,到5G通訊與電動車等前瞻應用,鑽石在先進熱管理系統中的地位日益核心。隨著CVD技術的成熟與市場需求的持續擴展,宏崴的鑽石導熱材料,不僅代表著領先的工業價值與龐大市場潛力,更將是您推動新世代電子與通訊技術發展、實現產品效能飛躍的關鍵夥伴。立即聯繫我們,讓我們為您的散熱挑戰提供量身定制的鑽石解決方案!


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