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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：賢集網更新時間：2025-01-22 21:48:23

在科技日新月異的當下，電子設備宛如飛速運轉的“智慧心臟”，驅動社會前行。但隨著電子元器件朝集成化、高密度組裝發展，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“戰役”中脫穎而出？答案是氮化鋁。這一半導體領域的“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，電子技術日新月異，電子元器件集成與組裝密度飆升，散熱難題愈發凸顯。以大功率LED封裝為例，僅有20% - 30%的輸入功率轉化為光能，其余70% - 80%都變為熱量，嚴重影響器件性能。陶瓷材料因具備熱導率高、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。

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

氮化鋁則展現出令人矚目的性能：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，實際生產也能高達200W/(m·K)。

其二，線膨脹系數小，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，為纖鋅礦結構，以強共價鍵結合，硬度和強度高，機械性能好，化學穩定性和耐高溫性能出色，在空氣1000℃、真空1400℃下仍能保持較好穩定性，耐腐蝕性能滿足后續工藝要求。

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、燒結工藝等因素制約，實際低于理論值，原料中的氧、碳等雜質易形成缺陷降低熱導率。

二、氮化鋁粉體制備：現狀與挑戰并存

氮化鋁粉體制備技術多樣，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%，這三種方法實現了工業化應用。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，難以規模化生產，占比僅3% - 5%。高能球磨法合成產量低，占比最低僅1%，常作為輔助手段與其他技術聯用。

在氮化鋁粉體制備領域，國外企業領先。日本企業占據全球七成以上市場，株式會社德山是日本百年企業，擁有最大的氮化鋁廠，采用自主研發的碳熱還原技術，產量達360t/年。其SHAPAL TM系列產品由氮化鋁粉末燒結而成，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，廣泛應用于散熱組件和半導體生產設備。

國內生產AlN粉體品質較好的企業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。但我國氮化鋁產業起步晚，粉體制備工藝復雜、能耗高、周期長、成本高，與國外企業存在差距，尤其在制品熱導率方面。不過，隨著國內研究深入，差距正逐漸縮小。

三、氮化鋁的多元應用：半導體領域的關鍵角色

陶瓷封裝基板：隨著微電子及半導體技術發展，電子基板熱流密度增加，穩定運行環境成為關鍵。AlN陶瓷因熱導率高、熱膨脹系數與硅接近、機械強度高、化學穩定性好且環保無毒，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，膨脹系數與硅相近，抗剝力>20N/mm²，機械性能優秀，耐腐蝕，不易形變，可在寬溫度范圍使用。

半導體設備零部件:在半導體加工中，硅片散熱至關重要。以氮化鋁為主材料，可通過控制體積電阻率，實現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計實現良好溫度均勻性，且氮化鋁一體共燒成型，避免電極劣化，保障產品質量，能在等離子鹵素真空氣氛環境下持久運行，提供穩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產業化面臨技術問題，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，開發出全球最大尺寸、直徑達60mm且具有世界領先深紫外透光性的高質量氮化鋁單晶襯底，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，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和絕緣材料。

高質量AlN薄膜還具有超聲傳輸速度高、聲波損耗小、壓電耦合常數大以及與Si、GaAs相近的熱膨脹系數等特點，在機械、微電子、光學等領域應用前景廣闊。但目前氮化鋁薄膜制備存在設備復雜、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，實現低溫、簡單工藝下制備高質量薄膜，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、通信行業天線、固體繼電器、功率LED、多芯片封裝（MCM）等領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。

例如在天線領域，AlN陶瓷基電路板因介電常數小、金屬膜層導電性好、絕緣性佳、可高密度封裝等優勢，滿足天線高質量要求。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部熱量，提高穩定性。在高溫半導體封裝方面，AlN陶瓷因熱導率高、熱膨脹系數與SiC匹配，成為高溫電子封裝優選材料。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：規模增長與挑戰并存

2023年全球氮化鋁市場規模約為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。

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

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

氮化鋁市場未來將持續增長，隨著技術進步和市場需求擴大，將在更多高科技領域應用。中國市場在全球的地位將愈發重要。然而，行業面臨生產成本高、技術壁壘高等挑戰。

未來氮化鋁行業發展依賴技術創新、成本控制以及政策支持等多方面協同努力。全球和中國氮化鋁市場的主要生產商包括德山化工、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域的關鍵材料，雖面臨諸多挑戰，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，為電子技術等領域的發展注入強大動力。

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