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疯狂石头之蓝宝石
发布日期:2017-07-19
分类:最新公告

 


  花絮:

 

在电影《泰坦尼克号》中,女主角的未婚夫送给她一颗硕大的“海洋之星”,是否让你记忆犹新?这可是世界五大贵宝石之一。男人大多不记得,但是女人耿耿于怀,为什么她没有。 

 

蓝宝石(Sapphire),顾名思义,蓝色的宝石。这不是女人(nan ren)一生所爱(xue han)吗?

 

 

 

快醒醒,Diao丝工科男会跟你谈珠宝吗?买不起啊。 

 

人造的有,我们聊人造的吧。

 

 

 

二 什么是人造蓝宝石

 

蓝宝石(Sapphire-crystal)化学成分Al₂O₃:无色透明的人造蓝宝石,俗称人造刚玉,简单说就是Al₂O₃单晶。

 

首先澄清一个观点,蓝宝石可不一定就是蓝色。它可以有粉红黄粉红、黄、绿、白、甚至在同一颗石有多种颜色。就颜色而言,其实纯净的蓝宝石不是蓝,而是呈无色透明装,我们用一个蓝色背景打底。

 

 

 

这真的是蓝宝石,工科男是不骗人的。工科男比较喜欢拿化学式说话。

 

别听他们说蓝色宝石是“帝王石”,其实只是晶体内含有钛离子(Ti3+)与铁离子(Fe3+)。也别听他们说红色宝石誉为“爱情之石”(Ruby),其实就是晶体内含有铬离子(Cr3+)。再换成镍离子(Ni3+),就变成黄色蓝宝石了。

 

女人们,咱们能不那么梦幻吗,要相信科学。

 

 

 

 三 用途:

 

人造蓝宝石的确身价远不如天然宝石,为何还是如此受追捧。(不是受女人们追捧)

 

在找到答案之前,我们首先了解一下它的物理性能。

 

蓝宝石晶体硬度很高,为莫氏硬度9级,仅次于最硬的金刚石。它具有很好的透光性,热传导性和电气绝缘性,力学机械性能好,并且具有耐磨和抗风蚀的特点。蓝宝石晶体的熔点为2050℃,沸点3500℃,最高工作温度可达1900℃。因此,蓝宝石作为一种重要的技术晶体,已被广泛地应用于科学技术、国防与民用工业的许多领域。

 

 

 

LED半导体照明

 

如你所见,我们身边的照明灯具,无论是市政,家庭还是商业区,你会发现,LED灯已经无处不在,而90%以上的LED生产均采用蓝宝石衬底,这么大的用量,蓝宝石能不火吗?人类照明第一代明火照明,第二代钨丝灯,第三代荧光灯,第四代led照明。寿命长,能耗小,发光效率高。还有你不能直接看到的,例如led液晶电视里背光电源都是led灯,降低电视机能耗(用led灯来照亮液晶屏,不直接显示)。

 

 

 

作为国家重点支持的产业,LED照明产业正在蓬勃发展期,各地政府积极响应国家号召,用各类优惠政策对于这类高新产业吸引企业投资,一不小心产能过剩了,过错过错,过了就错。

 

消费类子产品的触摸屏,光学玻璃

 

蓝宝石晶体硬度很高,仅次于最硬的金刚石,所以它非常的耐磨。蓝宝石越来越广泛的出现在我们的生活里你能看见的:手机home健,摄像头盖,iwatch,以及各类中高档机械表的表镜。真的很耐磨,不信你拿你老婆的钻戒划一下你的手表试试。(坏了我不负责)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

其实蓝宝石一直想砸手机贴膜行业的饭碗,可惜,还没实现。

 

高硬度是把双刃剑,耐磨的同时也意味着高加工难度,降低成品良率,最终导致成本升高。同样一块康宁玻璃和蓝宝石手机屏,价格相差十倍。因此,持续降本是出路。

 

军工应用很高大上,但毕竟用量有限

 

蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性,强度高、硬度大、耐冲刷,可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作,因而被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。

 

蓝宝石具有高光学透射率,必须能有效地传输紫外到中红外波段的辐射;同时,它的光学散射小和折射率的均匀性好,又能满足大尺寸的窗口要求。所以蓝宝石单晶已成为先进国家高速战斗机、导弹等中波透红外窗口材料的极佳选择。美国、英国、俄罗斯、以色列等军事强国都在极力开展大尺寸的蓝宝石红外窗口研究,而且已经实现¢300-500mm蓝宝石晶体或¢120mm以上半球状蓝宝石整流罩的制备能力,应用于美国响尾蛇系列Aim-9X空空导弹、南非A-Darter空空导弹、以色列Python-4空空导弹、英国Asraam先进近距离空空导弹等。

 

 

 

 

 

 

 

四 人造蓝宝石制程及内部竞争现状 

 

人工生长蓝宝石的研究已有100多年的历史,蓝宝石无论用什么方式生长,简单理解就是个“融化再凝固”的过程,是纯粹的物理变化。由于凝固过程有相应的单一方向,因此叫蓝宝石单晶。方向有蓝宝石A晶向、R晶向、M晶向、C晶向 

 

总体说来,蓝宝石晶体生长方式可划分为溶液生长、熔体生长、气相生长三种,其中熔体生长方式因具有生长速率快,纯度高和晶体完整性好等特点,而成为是制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。

 

竞争是行业发展的源动力 

 

“没有竞争就没有伤害,没有伤害就没有成长”

 

第一,各主流技术路线间竞争。

 

目前可用来以熔体生长方式人工生长蓝宝石晶体的方法主要有泡生法、提拉法、区熔法、导模法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法、焰熔法等。

 

所有熔体生长方法中,小编重点介绍以下三种主流方法,因为它们钨钼材料需求量最大啊,哈哈~

 

1,凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法(和CZ法很相似)

 

上世纪六七十年代,经前苏联的Musatov改进,将KY法方法应用于蓝宝石单晶的制备。

 

目前,全球用于LED衬底的蓝宝石基板70%以上为泡生法或各种改良型泡生法生长。全球最大坩埚是出自安泰科技之手,KY法蓝宝石已经做到单重350kg了。

 

 

 

 

 

2,热交换法(Heat Exchanger Method)

 

热交换法主要在美国得到应用和发展,该工艺为美国CrystalSystems 公司的专利技术。其原理是利用热交换器来带走热量,使得晶体生长区内形成一下冷上热的纵向温度梯度,同时再藉由控制热交换器内气体流量(He冷却源)的大小以及改变加热功率的高低来控制此温度梯度,借此达成坩埚内熔汤由下慢慢向上凝固成晶体之目的。

 

该公司被GT-solar收购后,曾经一度风靡全球,长晶销售供不应求。2015年因为跟苹果公司开的玩笑太大而宣布破产。(捂脸)

 

3,定边膜喂法(Edge-defined Film-fedGrowth, EFG)

 

将原料置于钼坩埚中,由射频感应加热线圈加热原料使之熔化,于坩埚中间放置一钼制模具,利用毛细作用让熔汤摊平于钼制模具的上方表面,形成一薄膜,放下晶种使之碰触到薄膜,于是薄膜在晶种的端面上结晶成与晶种相同结构的单晶。晶种再缓慢往上拉升,逐渐生长单晶。由于此薄膜之边缘受到钼模所限定,并扮演持续喂料以供晶体生长之用,所以称为限定边缘膜喂法,简称导膜法,亦称导模法,。代表型企业日本Namiki,洛阳金诺,上海朗兆,中科院上硅所等。

 

 第二,同一技术不同门派间成本竞争  

 

越大越好,“the bigger thebetter“,理论上是越大,材料利用率越高,单位能耗陈本越低,综合成本总成本越低,前提是确保良率。而且随着技术不断提升,我们的确朝着这个方向在稳步提升,成本不断降低。

 

做大尺寸除了能降低成本,另外一个原因是大尺寸晶体更加适合掏大直径晶棒。如今2英寸衬底已经彻底被淘汰,4英寸普及,6英寸及更大晶圆普及迫在眉睫。

 

为什么外延厂喜欢用大尺寸晶棒呢?大尺寸的技术可以降低生产成本,使得其应用尺寸逐渐由2英寸向更高尺寸过渡。大尺寸的晶棒可以降低原材料的损耗,6英寸的圆晶生产的芯片是2英寸圆晶的10~12倍,然而几何面积增加只有2英寸圆晶的9倍,圆晶曲率的下降带来的“边缘效应”可以在外周形成更多的芯片。

 

 第三,产业链上下游降本竞争

 

蓝宝石产业进入中国后,与该产业配套的上下游产业链全面迅速完善起来。主要的原辅材料几乎都已经国产化,甚至像氧化铝原料和钨钼高温金属等材料都在出口。总之,感谢竞争,让每一个相关产业得到蜕变提升。竞争的终极目标只有一个,在确保品质的前提下降低成本。(谈到最后还是钱)。

 

 

 

五 外部竞争

 

竞争一 在消费类电子方面跟康宁玻璃一代代新品pk,但是不管怎么样,蓝宝石还是有它独特优异的性能,继续勇往直前。

 

 

 

竞争二 在衬底方面被硅衬底虎视眈眈

 

 

 

相比于硅衬底,蓝宝石目前的成本和透光性方面略胜一筹,所以仍然为主流应用。

 

 

 

六 地域发展趋势

 

蓝宝石产业环游了世界,发现中国才是真正的家。

 

欧美现行(出售设备和晶体赚得盆满钵满),然后进入日韩中(包括台湾)。

 

中国人的消化吸收能力再次让世界震惊,我们在2010-2015内完成行业大逆转,蓝宝石产业主产地变成了中国,而且相关后端配套MOCVD和消费类电子触屏加工产线在中国全面崛起,同时蓝宝石价格也从当初投产的时候2英寸卖25美元/mm,降到如今2不到美元,价格从缩减10倍。

 

近两年,在技术比拼不分伯仲的时候,有一种最省钱的办法是“走西北”,中国西北部电力往往过剩而且政府招商引资给予电力和税收的优惠,折算下来电费比东部地区几乎便宜一半。在蓝宝石成本构成中,电力成本占总成本30%以上,这意味着折算到成品价格中能降低15%。在当今蓝宝石产业微利时代,15%差价意味着存亡。

 

全球蓝宝石产业,中国赢了,而且是中国西北地区笑到了最后。

 

 

 

 七 蓝宝石的未来

 

上帝永远这么仁慈,关了一扇门,给我们留了后门。

 

Micro-LED-display已经发展了十数年,期间世界上多个项目组发布成果并促进着相关技术进一步发展。它比当前火热的OLED技术亮度更高、发光效率更好、但功耗更低 ,所以被公认为OLED后的下一代显示技术。想象一下,你的手机或者电视机显示屏由无数个微小的蓝宝石拼接而成,用量得多么可观,会不会有点小激动。

 

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