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熱導率是氧化鋁陶瓷 8 - 10 倍！氮化鋁，陶瓷基板材料中的 “超級英雄”
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時間：2025-01-22 21:48:23
在科技日新月異的當下，電子設(shè)備宛如飛速運轉(zhuǎn)的“智慧心臟”，驅(qū)動社會前行。但隨著電子元器件朝集成化、高密度組裝發(fā)展，散熱難題如“暗礁”，嚴重制約器件性能與可靠性。何種材料能在這場散熱“戰(zhàn)役”中脫穎而出？答案是氮化鋁。這一半導體領(lǐng)域的“璀璨新星”，憑卓越性能嶄露頭角，備受矚目。它有何神奇之處，又將如何重塑電子技術(shù)未來？一同深入探索。



一、氮化鋁：性能卓越的理想材料



進入21世紀，電子技術(shù)日新月異，電子元器件集成與組裝密度飆升，散熱難題愈發(fā)凸顯。以大功率LED封裝為例，僅有20% - 30%的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能，其余70% - 80%都變?yōu)闊崃浚瑖乐赜绊懫骷阅堋Ｌ沾刹牧弦蚓邆錈釋矢摺⒛蜔嵝院谩⒏呓^緣等特性，成為功率器件封裝基板的常用之選，而氮化鋁更是其中的佼佼者。



與傳統(tǒng)陶瓷基板材料如Al?O?、SiC和BeO相比，氮化鋁優(yōu)勢盡顯。Al?O?雖開發(fā)早、成本低，但熱導率僅17 - 25W/(m·K)，與半導體材料熱膨脹系數(shù)匹配差，限制其在高頻、大功率領(lǐng)域應用。SiC熱導率高且熱膨脹系數(shù)與Si相近，然而介電性能欠佳、燒結(jié)損耗大、成本高且難以制得致密產(chǎn)品。BeO雖熱導率與AlN相當，但熱膨脹系數(shù)過高且粉體有毒，多數(shù)國家已棄用。



氮化鋁則展現(xiàn)出令人矚目的性能：其一，導熱率高，室溫理論導熱率最高可達320W/(m·K)，是氧化鋁陶瓷的8 - 10倍，實際生產(chǎn)也能高達200W/(m·K)。



其二，線膨脹系數(shù)小，理論值為4.6×10??/K，與Si、GaAs相近，且與GaN晶格匹配，利于芯片與基板結(jié)合。



其三，能隙寬度為6.2eV，絕緣性佳，應用于大功率LED無需絕緣處理，簡化工藝。



其四，為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，以強共價鍵結(jié)合，硬度和強度高，機械性能好，化學穩(wěn)定性和耐高溫性能出色，在空氣1000℃、真空1400℃下仍能保持較好穩(wěn)定性，耐腐蝕性能滿足后續(xù)工藝要求。



氮化鋁屬于典型的第三代半導體材料，具有特寬禁帶和大激子束縛能，禁帶寬度6.2eV，為直接帶隙半導體。其以共價鍵為主，屬六角晶系類金剛石氮化物，理論密度3.26g/cm³，莫氏硬度7 - 8，室溫強度高且隨溫度升高下降緩慢。理論上AlN熱導率可達320W·m?¹·K?¹，是理想散熱材料，但其熱導率受原料純度、燒結(jié)工藝等因素制約，實際低于理論值，原料中的氧、碳等雜質(zhì)易形成缺陷降低熱導率。



二、氮化鋁粉體制備：現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)并存



氮化鋁粉體制備技術(shù)多樣，包括直接氮化法、碳熱還原法、自蔓延法、等離子體法、化學氣相法、溶液法和高能球磨法。其中，碳熱還原法占據(jù)近五成比例，直接氮化法和自蔓延法分別占26%和12%，這三種方法實現(xiàn)了工業(yè)化應用。溶液法、化學氣相法和等離子體法主要用于合成納米氮化鋁，難以規(guī)模化生產(chǎn)，占比僅3% - 5%。高能球磨法合成產(chǎn)量低，占比最低僅1%，常作為輔助手段與其他技術(shù)聯(lián)用。



在氮化鋁粉體制備領(lǐng)域，國外企業(yè)領(lǐng)先。日本企業(yè)占據(jù)全球七成以上市場，株式會社德山是日本百年企業(yè)，擁有最大的氮化鋁廠，采用自主研發(fā)的碳熱還原技術(shù)，產(chǎn)量達360t/年。其SHAPAL TM系列產(chǎn)品由氮化鋁粉末燒結(jié)而成，具有出色導熱性、抗鹵素氣體等離子體能力以及與硅相似的熱膨脹系數(shù)，廣泛應用于散熱組件和半導體生產(chǎn)設(shè)備。



國內(nèi)生產(chǎn)AlN粉體品質(zhì)較好的企業(yè)有臺灣高雄竹路應用材料、寧夏艾森達、寧夏時星、旭光電子以及廈門鉅瓷等。但我國氮化鋁產(chǎn)業(yè)起步晚，粉體制備工藝復雜、能耗高、周期長、成本高，與國外企業(yè)存在差距，尤其在制品熱導率方面。不過，隨著國內(nèi)研究深入，差距正逐漸縮小。



三、氮化鋁的多元應用：半導體領(lǐng)域的關(guān)鍵角色



陶瓷封裝基板：隨著微電子及半導體技術(shù)發(fā)展，電子基板熱流密度增加，穩(wěn)定運行環(huán)境成為關(guān)鍵。AlN陶瓷因熱導率高、熱膨脹系數(shù)與硅接近、機械強度高、化學穩(wěn)定性好且環(huán)保無毒，成為新一代散熱基板和電子器件封裝的理想材料。



相比Al?O?和Si?N?陶瓷基板，AlN陶瓷基板優(yōu)勢明顯，可隔離芯片與散熱底板，提高絕緣能力（陶瓷層絕緣耐壓>2.5KV），熱導率達170 - 260W/mK，膨脹系數(shù)與硅相近，抗剝力>20N/mm²，機械性能優(yōu)秀，耐腐蝕，不易形變，可在寬溫度范圍使用。



半導體設(shè)備零部件:在半導體加工中，硅片散熱至關(guān)重要。以氮化鋁為主材料，可通過控制體積電阻率，實現(xiàn)大范圍溫度域和充分吸附力。靜電吸盤可通過自由度高的加熱器設(shè)計實現(xiàn)良好溫度均勻性，且氮化鋁一體共燒成型，避免電極劣化，保障產(chǎn)品質(zhì)量，能在等離子鹵素真空氣氛環(huán)境下持久運行，提供穩(wěn)定吸附力和溫度控制。



襯底材料：AlN晶體是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想襯底。與藍寶石或SiC襯底相比，其與GaN熱匹配和化學兼容性更高，襯底與外延層應力更小，可大幅降低器件缺陷密度，提高性能，在制備高溫、高頻、高功率電子器件方面前景廣闊。



用AlN晶體做高鋁組份的AlGaN外延材料襯底，可降低氮化物外延層缺陷密度，提高器件性能和壽命。目前，日本德山化工采用高溫氫化物氣相外延(HVPE)方法獲得2英寸AIN厚膜和1英寸左右的AIN單晶，但HVPE產(chǎn)業(yè)化面臨技術(shù)問題，目前AIN單晶襯底主要生長方法仍為物理氣相沉積(PVT)，我國奧趨光電取得突破，開發(fā)出全球最大尺寸、直徑達60mm且具有世界領(lǐng)先深紫外透光性的高質(zhì)量氮化鋁單晶襯底，以及大批量制備高性能硅基、藍寶石基氮化鋁薄膜模板的工藝專利技術(shù)，對打破國外壟斷意義重大。



薄膜材料：由于AlN帶隙寬、極化強，其制備的氮化鋁薄膜材料具有高擊穿場強、高熱導率、高電阻率、高化學和熱穩(wěn)定性以及良好光學及力學性能，廣泛應用于電子器件和集成電路封裝的隔離介質(zhì)和絕緣材料。



高質(zhì)量AlN薄膜還具有超聲傳輸速度高、聲波損耗小、壓電耦合常數(shù)大以及與Si、GaAs相近的熱膨脹系數(shù)等特點，在機械、微電子、光學等領(lǐng)域應用前景廣闊。但目前氮化鋁薄膜制備存在設(shè)備復雜、造價昂貴、難于商品化的問題，且制備方法常需高溫，低溫制備方法不成熟，改進制備方法，實現(xiàn)低溫、簡單工藝下制備高質(zhì)量薄膜，仍需大量工作。



此外，氮化鋁基板在功率半導體器件、混合集成功率電路、通信行業(yè)天線、固體繼電器、功率LED、多芯片封裝（MCM）等領(lǐng)域應用需求日益增長，終端市場面向汽車電子、LED、軌道交通、通訊基站、航空航天和軍事國防等。



例如在天線領(lǐng)域，AlN陶瓷基電路板因介電常數(shù)小、金屬膜層導電性好、絕緣性佳、可高密度封裝等優(yōu)勢，滿足天線高質(zhì)量要求。在多芯片模塊（MCM）中，AlN陶瓷的高導熱性可減少微電子元器件內(nèi)部熱量，提高穩(wěn)定性。在高溫半導體封裝方面，AlN陶瓷因熱導率高、熱膨脹系數(shù)與SiC匹配，成為高溫電子封裝優(yōu)選材料。功率半導體模塊對散熱要求高，AlN陶瓷基板是理想選擇。在功率LED封裝中，AlN陶瓷基板可快速散熱，減少器件損壞，延長壽命。



四、氮化鋁市場：規(guī)模增長與挑戰(zhàn)并存



2023年全球氮化鋁市場規(guī)模約為1.03億美元，預計到2030年將達到1.6億美元，年均復合增長率（CAGR）為6.5%。北美和歐洲是主要消費市場，亞太地區(qū)尤其是中國，憑借龐大的半導體制造基地和快速增長的市場需求，成為重要增長點。



中國氮化鋁市場發(fā)展迅速，已成為全球重要的生產(chǎn)和消費市場。2022年中國氮化鋁市場規(guī)模占全球市場份額為17.66%，2023年行業(yè)市場規(guī)模同比增長4.6%，預計未來六年復合增長率為5.26%，2029年規(guī)模將達到24.49百萬美元，2024年預計同比增長2.7%。中國在氮化鋁生產(chǎn)技術(shù)上取得顯著進展，科研投入增加，專利申請數(shù)量逐年上升。



全球氮化鋁市場競爭激烈，主要廠商集中在北美和歐洲，中國企業(yè)快速崛起。全球市場競爭格局分散，主要廠商通過技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)能擴張鞏固地位。中國本土企業(yè)逐漸崛起，國產(chǎn)替代布局推進。在散熱基板、電子器件封裝、光電子器件等領(lǐng)域，氮化鋁應用潛力巨大。隨著“碳中和”政策推進，其在節(jié)能降耗方面的優(yōu)勢將進一步凸顯。



氮化鋁市場未來將持續(xù)增長，隨著技術(shù)進步和市場需求擴大，將在更多高科技領(lǐng)域應用。中國市場在全球的地位將愈發(fā)重要。然而，行業(yè)面臨生產(chǎn)成本高、技術(shù)壁壘高等挑戰(zhàn)。



未來氮化鋁行業(yè)發(fā)展依賴技術(shù)創(chuàng)新、成本控制以及政策支持等多方面協(xié)同努力。全球和中國氮化鋁市場的主要生產(chǎn)商包括德山化工、Toyal Toyo Aluminium K.K.、MARUWA、蘇州錦藝新材料科技股份有限公司、Matoso Sangyo、廈門鉅瓷科技有限公司、艾森達新材料科技有限公司、寧夏時興科技有限公司、百圖股份和浙江珍璟新材料科技有限公司等，這些公司在市場中具有重要影響力。



總之，氮化鋁作為半導體領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，雖面臨諸多挑戰(zhàn)，但憑借其卓越性能和廣闊應用前景，有望在各方努力下，突破困境，為電子技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展注入強大動力。

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來源：賢集網(wǎng)
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