热导率是氧化铝陶瓷 8 - 10 倍！氮化铝，陶瓷基板材料中的 “超级英雄” -山东化工网

热导率是氧化铝陶瓷 8 - 10 倍！氮化铝，陶瓷基板材料中的 “超级英雄”

文章来源：贤集网更新时间：2025-01-22 21:48:23

在科技日新月异的当下，电子设备宛如飞速运转的“智慧心脏”，驱动社会前行。但随着电子元器件朝集成化、高密度组装发展，散热难题如“暗礁”，严重制约器件性能与可靠性。何种材料能在这场散热“战役”中脱颖而出？答案是氮化铝。这一半导体领域的“璀璨新星”，凭卓越性能崭露头角，备受瞩目。它有何神奇之处，又将如何重塑电子技术未来？一同深入探索。

一、氮化铝：性能卓越的理想材料

进入21世纪，电子技术日新月异，电子元器件集成与组装密度飙升，散热难题愈发凸显。以大功率LED封装为例，仅有20% - 30%的输入功率转化为光能，其余70% - 80%都变为热量，严重影响器件性能。陶瓷材料因具备热导率高、耐热性好、高绝缘等特性，成为功率器件封装基板的常用之选，而氮化铝更是其中的佼佼者。

与传统陶瓷基板材料如Al₂O₃、SiC和BeO相比，氮化铝优势尽显。Al₂O₃虽开发早、成本低，但热导率仅17 - 25W/(m·K)，与半导体材料热膨胀系数匹配差，限制其在高频、大功率领域应用。SiC热导率高且热膨胀系数与Si相近，然而介电性能欠佳、烧结损耗大、成本高且难以制得致密产品。BeO虽热导率与AlN相当，但热膨胀系数过高且粉体有毒，多数国家已弃用。

氮化铝则展现出令人瞩目的性能：其一，导热率高，室温理论导热率最高可达320W/(m·K)，是氧化铝陶瓷的8 - 10倍，实际生产也能高达200W/(m·K)。

其二，线膨胀系数小，理论值为4.6×10⁻⁶/K，与Si、GaAs相近，且与GaN晶格匹配，利于芯片与基板结合。

其三，能隙宽度为6.2eV，绝缘性佳，应用于大功率LED无需绝缘处理，简化工艺。

其四，为纤锌矿结构，以强共价键结合，硬度和强度高，机械性能好，化学稳定性和耐高温性能出色，在空气1000℃、真空1400℃下仍能保持较好稳定性，耐腐蚀性能满足后续工艺要求。

氮化铝属于典型的第三代半导体材料，具有特宽禁带和大激子束缚能，禁带宽度6.2eV，为直接带隙半导体。其以共价键为主，属六角晶系类金刚石氮化物，理论密度3.26g/cm³，莫氏硬度7 - 8，室温强度高且随温度升高下降缓慢。理论上AlN热导率可达320W·m⁻¹·K⁻¹，是理想散热材料，但其热导率受原料纯度、烧结工艺等因素制约，实际低于理论值，原料中的氧、碳等杂质易形成缺陷降低热导率。

二、氮化铝粉体制备：现状与挑战并存

氮化铝粉体制备技术多样，包括直接氮化法、碳热还原法、自蔓延法、等离子体法、化学气相法、溶液法和高能球磨法。其中，碳热还原法占据近五成比例，直接氮化法和自蔓延法分别占26%和12%，这三种方法实现了工业化应用。溶液法、化学气相法和等离子体法主要用于合成纳米氮化铝，难以规模化生产，占比仅3% - 5%。高能球磨法合成产量低，占比最低仅1%，常作为辅助手段与其他技术联用。

在氮化铝粉体制备领域，国外企业领先。日本企业占据全球七成以上市场，株式会社德山是日本百年企业，拥有最大的氮化铝厂，采用自主研发的碳热还原技术，产量达360t/年。其SHAPAL TM系列产品由氮化铝粉末烧结而成，具有出色导热性、抗卤素气体等离子体能力以及与硅相似的热膨胀系数，广泛应用于散热组件和半导体生产设备。

国内生产AlN粉体品质较好的企业有台湾高雄竹路应用材料、宁夏艾森达、宁夏时星、旭光电子以及厦门钜瓷等。但我国氮化铝产业起步晚，粉体制备工艺复杂、能耗高、周期长、成本高，与国外企业存在差距，尤其在制品热导率方面。不过，随着国内研究深入，差距正逐渐缩小。

三、氮化铝的多元应用：半导体领域的关键角色

陶瓷封装基板：随着微电子及半导体技术发展，电子基板热流密度增加，稳定运行环境成为关键。AlN陶瓷因热导率高、热膨胀系数与硅接近、机械强度高、化学稳定性好且环保无毒，成为新一代散热基板和电子器件封装的理想材料。

相比Al₂O₃和Si₃N₄陶瓷基板，AlN陶瓷基板优势明显，可隔离芯片与散热底板，提高绝缘能力（陶瓷层绝缘耐压>2.5KV），热导率达170 - 260W/mK，膨胀系数与硅相近，抗剥力>20N/mm²，机械性能优秀，耐腐蚀，不易形变，可在宽温度范围使用。

半导体设备零部件:在半导体加工中，硅片散热至关重要。以氮化铝为主材料，可通过控制体积电阻率，实现大范围温度域和充分吸附力。静电吸盘可通过自由度高的加热器设计实现良好温度均匀性，且氮化铝一体共烧成型，避免电极劣化，保障产品质量，能在等离子卤素真空气氛环境下持久运行，提供稳定吸附力和温度控制。

衬底材料：AlN晶体是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想衬底。与蓝宝石或SiC衬底相比，其与GaN热匹配和化学兼容性更高，衬底与外延层应力更小，可大幅降低器件缺陷密度，提高性能，在制备高温、高频、高功率电子器件方面前景广阔。

用AlN晶体做高铝组份的AlGaN外延材料衬底，可降低氮化物外延层缺陷密度，提高器件性能和寿命。目前，日本德山化工采用高温氢化物气相外延(HVPE)方法获得2英寸AIN厚膜和1英寸左右的AIN单晶，但HVPE产业化面临技术问题，目前AIN单晶衬底主要生长方法仍为物理气相沉积(PVT)，我国奥趋光电取得突破，开发出全球最大尺寸、直径达60mm且具有世界领先深紫外透光性的高质量氮化铝单晶衬底，以及大批量制备高性能硅基、蓝宝石基氮化铝薄膜模板的工艺专利技术，对打破国外垄断意义重大。

薄膜材料：由于AlN带隙宽、极化强，其制备的氮化铝薄膜材料具有高击穿场强、高热导率、高电阻率、高化学和热稳定性以及良好光学及力学性能，广泛应用于电子器件和集成电路封装的隔离介质和绝缘材料。

高质量AlN薄膜还具有超声传输速度高、声波损耗小、压电耦合常数大以及与Si、GaAs相近的热膨胀系数等特点，在机械、微电子、光学等领域应用前景广阔。但目前氮化铝薄膜制备存在设备复杂、造价昂贵、难于商品化的问题，且制备方法常需高温，低温制备方法不成熟，改进制备方法，实现低温、简单工艺下制备高质量薄膜，仍需大量工作。

此外，氮化铝基板在功率半导体器件、混合集成功率电路、通信行业天线、固体继电器、功率LED、多芯片封装（MCM）等领域应用需求日益增长，终端市场面向汽车电子、LED、轨道交通、通讯基站、航空航天和军事国防等。

例如在天线领域，AlN陶瓷基电路板因介电常数小、金属膜层导电性好、绝缘性佳、可高密度封装等优势，满足天线高质量要求。在多芯片模块（MCM）中，AlN陶瓷的高导热性可减少微电子元器件内部热量，提高稳定性。在高温半导体封装方面，AlN陶瓷因热导率高、热膨胀系数与SiC匹配，成为高温电子封装优选材料。功率半导体模块对散热要求高，AlN陶瓷基板是理想选择。在功率LED封装中，AlN陶瓷基板可快速散热，减少器件损坏，延长寿命。

四、氮化铝市场：规模增长与挑战并存

2023年全球氮化铝市场规模约为1.03亿美元，预计到2030年将达到1.6亿美元，年均复合增长率（CAGR）为6.5%。北美和欧洲是主要消费市场，亚太地区尤其是中国，凭借庞大的半导体制造基地和快速增长的市场需求，成为重要增长点。

中国氮化铝市场发展迅速，已成为全球重要的生产和消费市场。2022年中国氮化铝市场规模占全球市场份额为17.66%，2023年行业市场规模同比增长4.6%，预计未来六年复合增长率为5.26%，2029年规模将达到24.49百万美元，2024年预计同比增长2.7%。中国在氮化铝生产技术上取得显著进展，科研投入增加，专利申请数量逐年上升。

全球氮化铝市场竞争激烈，主要厂商集中在北美和欧洲，中国企业快速崛起。全球市场竞争格局分散，主要厂商通过技术创新和产能扩张巩固地位。中国本土企业逐渐崛起，国产替代布局推进。在散热基板、电子器件封装、光电子器件等领域，氮化铝应用潜力巨大。随着“碳中和”政策推进，其在节能降耗方面的优势将进一步凸显。

氮化铝市场未来将持续增长，随着技术进步和市场需求扩大，将在更多高科技领域应用。中国市场在全球的地位将愈发重要。然而，行业面临生产成本高、技术壁垒高等挑战。

未来氮化铝行业发展依赖技术创新、成本控制以及政策支持等多方面协同努力。全球和中国氮化铝市场的主要生产商包括德山化工、Toyal Toyo Aluminium K.K.、MARUWA、苏州锦艺新材料科技股份有限公司、Matoso Sangyo、厦门钜瓷科技有限公司、艾森达新材料科技有限公司、宁夏时兴科技有限公司、百图股份和浙江珍璟新材料科技有限公司等，这些公司在市场中具有重要影响力。

总之，氮化铝作为半导体领域的关键材料，虽面临诸多挑战，但凭借其卓越性能和广阔应用前景，有望在各方努力下，突破困境，为电子技术等领域的发展注入强大动力。

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