熱導(dǎo)率是氧化鋁陶瓷 8 - 10 倍！氮化鋁，陶瓷基板材料中的 “超級(jí)英雄”
文章來(lái)源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-01-22 21:48:23
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在科技日新月異的當(dāng)下，電子設(shè)備宛如飛速運(yùn)轉(zhuǎn)的“智慧心臟”，驅(qū)動(dòng)社會(huì)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(yán)重制約器件性能與可靠性。何種材料能在這場(chǎng)散熱“戰(zhàn)役”中脫穎而出？答案是氮化鋁。這一半導(dǎo)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(lái)？一同深入探索。 一、氮化鋁：性能卓越的理想材料 進(jìn)入21世紀(jì)，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?yán)重影響器件性能。陶瓷材料因具備熱導(dǎo)率高、耐熱性好、高絕緣等特性，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(shì)盡顯。Al?O?雖開(kāi)發(fā)早、成本低，但熱導(dǎo)率僅17 - 25W/(m·K)，與半導(dǎo)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(yīng)用。SiC熱導(dǎo)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(dǎo)率與AlN相當(dāng)，但熱膨脹系數(shù)過(guò)高且粉體有毒，多數(shù)國(guó)家已棄用。 氮化鋁則展現(xiàn)出令人矚目的性能：其一，導(dǎo)熱率高，室溫理論導(dǎo)熱率最高可達(dá)320W/(m·K)，是氧化鋁陶瓷的8 - 10倍，實(shí)際生產(chǎn)也能高達(dá)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(yīng)用于大功率LED無(wú)需絕緣處理，簡(jiǎn)化工藝。 其四，為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，以強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，硬度和強(qiáng)度高，機(jī)械性能好，化學(xué)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(mǎn)足后續(xù)工藝要求。 氮化鋁屬于典型的第三代半導(dǎo)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(dǎo)體。其以共價(jià)鍵為主，屬六角晶系類(lèi)金剛石氮化物，理論密度3.26g/cm³，莫氏硬度7 - 8，室溫強(qiáng)度高且隨溫度升高下降緩慢。理論上AlN熱導(dǎo)率可達(dá)320W·m?¹·K?¹，是理想散熱材料，但其熱導(dǎo)率受原料純度、燒結(jié)工藝等因素制約，實(shí)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(dǎo)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(xué)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(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。溶液法、化學(xué)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(guó)外企業(yè)領(lǐng)先。日本企業(yè)占據(jù)全球七成以上市場(chǎng)，株式會(huì)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(dá)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(dǎo)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(yīng)用于散熱組件和半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備。 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)AlN粉體品質(zhì)較好的企業(yè)有臺(tái)灣高雄竹路應(yīng)用材料、寧夏艾森達(dá)、寧夏時(shí)星、旭光電子以及廈門(mén)鉅瓷等。但我國(guó)氮化鋁產(chǎn)業(yè)起步晚，粉體制備工藝復(fù)雜、能耗高、周期長(zhǎng)、成本高，與國(guó)外企業(yè)存在差距，尤其在制品熱導(dǎo)率方面。不過(guò)，隨著國(guó)內(nèi)研究深入，差距正逐漸縮小。 三、氮化鋁的多元應(yīng)用：半導(dǎo)體領(lǐng)域的關(guān)鍵角色 陶瓷封裝基板：隨著微電子及半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，電子基板熱流密度增加，穩(wěn)定運(yùn)行環(huán)境成為關(guān)鍵。AlN陶瓷因熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)與硅接近、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好且環(huán)保無(wú)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(shì)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(dǎo)率達(dá)170 - 260W/mK，膨脹系數(shù)與硅相近，抗剝力>20N/mm²，機(jī)械性能優(yōu)秀，耐腐蝕，不易形變，可在寬溫度范圍使用。  半導(dǎo)體設(shè)備零部件:在半導(dǎo)體加工中，硅片散熱至關(guān)重要。以氮化鋁為主材料，可通過(guò)控制體積電阻率，實(shí)現(xiàn)大范圍溫度域和充分吸附力。靜電吸盤(pán)可通過(guò)自由度高的加熱器設(shè)計(jì)實(shí)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(yùn)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(lán)寶石或SiC襯底相比，其與GaN熱匹配和化學(xué)兼容性更高，襯底與外延層應(yīng)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(wèn)題，目前AIN單晶襯底主要生長(zhǎng)方法仍為物理氣相沉積(PVT)，我國(guó)奧趨光電取得突破，開(kāi)發(fā)出全球最大尺寸、直徑達(dá)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(lán)寶石基氮化鋁薄膜模板的工藝專(zhuān)利技術(shù)，對(duì)打破國(guó)外壟斷意義重大。 薄膜材料：由于AlN帶隙寬、極化強(qiáng)，其制備的氮化鋁薄膜材料具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率、高電阻率、高化學(xué)和熱穩(wěn)定性以及良好光學(xué)及力學(xué)性能，廣泛應(yīng)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(diǎn)，在機(jī)械、微電子、光學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。但目前氮化鋁薄膜制備存在設(shè)備復(fù)雜、造價(jià)昂貴、難于商品化的問(wèn)題，且制備方法常需高溫，低溫制備方法不成熟，改進(jìn)制備方法，實(shí)現(xiàn)低溫、簡(jiǎn)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(dǎo)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(yīng)用需求日益增長(zhǎng)，終端市場(chǎng)面向汽車(chē)電子、LED、軌道交通、通訊基站、航空航天和軍事國(guó)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(dǎo)電性好、絕緣性佳、可高密度封裝等優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足天線高質(zhì)量要求。在多芯片模塊（MCM）中，AlN陶瓷的高導(dǎo)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(dǎo)體封裝方面，AlN陶瓷因熱導(dǎo)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(dǎo)體模塊對(duì)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(zhǎng)壽命。 四、氮化鋁市場(chǎng)：規(guī)模增長(zhǎng)與挑戰(zhàn)并存 2023年全球氮化鋁市場(chǎng)規(guī)模約為1.03億美元，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到1.6億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為6.5%。北美和歐洲是主要消費(fèi)市場(chǎng)，亞太地區(qū)尤其是中國(guó)，憑借龐大的半導(dǎo)體制造基地和快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，成為重要增長(zhǎng)點(diǎn)。 中國(guó)氮化鋁市場(chǎng)發(fā)展迅速，已成為全球重要的生產(chǎn)和消費(fèi)市場(chǎng)。2022年中國(guó)氮化鋁市場(chǎng)規(guī)模占全球市場(chǎng)份額為17.66%，2023年行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模同比增長(zhǎng)4.6%，預(yù)計(jì)未來(lái)六年復(fù)合增長(zhǎng)率為5.26%，2029年規(guī)模將達(dá)到24.49百萬(wàn)美元，2024年預(yù)計(jì)同比增長(zhǎng)2.7%。中國(guó)在氮化鋁生產(chǎn)技術(shù)上取得顯著進(jìn)展，科研投入增加，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量逐年上升。 全球氮化鋁市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，主要廠商集中在北美和歐洲，中國(guó)企業(yè)快速崛起。全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局分散，主要廠商通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)能擴(kuò)張鞏固地位。中國(guó)本土企業(yè)逐漸崛起，國(guó)產(chǎn)替代布局推進(jìn)。在散熱基板、電子器件封裝、光電子器件等領(lǐng)域，氮化鋁應(yīng)用潛力巨大。隨著“碳中和”政策推進(jìn)，其在節(jié)能降耗方面的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步凸顯。 氮化鋁市場(chǎng)未來(lái)將持續(xù)增長(zhǎng)，隨著技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)需求擴(kuò)大，將在更多高科技領(lǐng)域應(yīng)用。中國(guó)市場(chǎng)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(lái)氮化鋁行業(yè)發(fā)展依賴(lài)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(guó)氮化鋁市場(chǎng)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(mén)鉅瓷科技有限公司、艾森達(dá)新材料科技有限公司、寧夏時(shí)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(chǎng)中具有重要影響力。 總之，氮化鋁作為半導(dǎo)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(yīng)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(qiáng)大動(dòng)力。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_567097.html 來(lái)源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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