Deux principaux domaines d'application des céramiques de nitrure d'aluminium dans les véhicules à énergies nouvelles

Avec les progrès rapides de la technologie microélectronique, les systèmes et composants électroniques évoluent vers la miniaturisation. Léger Conception, intégration, fiabilité accrue et puissance de sortie supérieure : la complexité croissante des dispositifs impose des exigences plus élevées en matière de dissipation thermique des substrats et des matériaux d'encapsulation. De ce fait, les substrats en nitrure d'aluminium (AlN), reconnus pour leur conductivité thermique élevée, sont devenus un matériau de choix dans le domaine des substrats de dissipation thermique. Dans le secteur des véhicules à énergies nouvelles, ils peuvent même remplacer les substrats en oxyde d'aluminium, offrant ainsi de vastes perspectives d'application.

01 Application du nitrure d'aluminium dans les véhicules à énergies nouvelles

Substrats céramiques AlN pour IGBT
Face à la vague de modernisations des véhicules à énergies nouvelles, la demande en modules IGBT haute tension et haute puissance se fait de plus en plus pressante. Ces modules se heurtent à d'importants obstacles techniques et à des défis considérables, exigeant des matériaux d'encapsulation présentant une excellente dissipation thermique, une grande fiabilité et une capacité de transport de courant élevée. Les substrats en céramique cuivrée, grâce à leur conductivité thermique exceptionnelle, sont devenus des matériaux clés indispensables à l'encapsulation des modules de puissance pour le secteur de l'électronique de puissance.

Substrat en céramique plaqué cuivre
Source : Fuluowa

Comparativement aux substrats céramiques Al₂O₃ et Si₃N₄, les substrats céramiques AlN offrent les avantages suivants : leur utilisation comme support de puce isole cette dernière de la plaque de base de dissipation thermique du module. La couche intermédiaire en AlN améliore efficacement l’isolation du module (tension de tenue de l’isolation de la couche céramique > 2,5 kV). De plus, les substrats en nitrure d’aluminium présentent une excellente conductivité thermique, avec un coefficient de conductivité thermique compris entre 170 et 260 W/m·K. Ces propriétés supérieures font des substrats en nitrure d’aluminium cuivrés le choix privilégié pour le conditionnement des modules IGBT haute tension.

De plus, les substrats en céramique AlN présentent un coefficient de dilatation thermique similaire à celui du silicium, ce qui prévient les dommages dus aux contraintes mécaniques sur la puce. La résistance au pelage des substrats en nitrure d'aluminium dépasse 20 N/mm², offrant ainsi d'excellentes propriétés mécaniques, une résistance à la corrosion et une déformation minimale. Ils peuvent être utilisés sur une large plage de températures, améliorant ainsi la fiabilité des modules IGBT haute tension.

Nitrure d'aluminium pour phares LED
La température de fonctionnement des phares automobiles à LED est extrêmement élevée. Si la chaleur ne peut être dissipée rapidement, l'atténuation de la luminosité s'accélère. Dans ce cas, les performances du substrat de dissipation thermique des LED deviennent cruciales. Les substrats en céramique de nitrure d'aluminium, grâce à leur conductivité thermique élevée, leur excellente isolation et leur coefficient de dilatation thermique parfaitement adapté aux puces LED, constituent un choix idéal pour les phares haute puissance. De plus, les applications des substrats en céramique de nitrure d'aluminium dans l'automobile ne se limitent pas aux phares ; ils incluent divers capteurs et modules haute puissance pour véhicules intelligents, ce qui augure d'un avenir très prometteur.

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02 La clé des céramiques AlN hautes performances réside dans la préparation des poudres
Les technologies de préparation de poudre de nitrure d'aluminium peuvent être classées en nitruration directe, réduction carbothermique, synthèse auto-propagée à haute température (SHS), méthodes plasma, dépôt chimique en phase vapeur, méthodes en solution et broyage à billes à haute énergie.

Méthodes courantes de préparation de la poudre de nitrure d'aluminium
Parmi ces procédés, la réduction carbothermique domine, représentant près de 50 %, suivie de la nitruration directe et des méthodes auto-entretenues, avec respectivement 26 % et 12 %. Ces trois méthodes ont également atteint une application industrielle. Elles sont relativement matures, nécessitent un équipement plus simple et permettent d'obtenir des produits de haute pureté. Cependant, la complexité des formulations et des étapes de ces procédés, leur forte consommation d'énergie et certains risques pour la sécurité constituent autant de freins à la commercialisation à grande échelle du nitrure d'aluminium.

Il existe un écart important entre les technologies de préparation de poudre de nitrure d'aluminium en Chine et les normes internationales de haute qualité, tant en termes de qualité que de stabilité. Actuellement, le marché mondial de la poudre de nitrure d'aluminium est principalement approvisionné par des entreprises telles que le japonais Tokuyama (qui détient 75 % des parts de marché mondiales pour la poudre d'AlN de haute pureté), Toyo Aluminium, l'allemand Starck et l'américain Dow Chemical, avec des produits d'une pureté atteignant 99,9 %. En Chine, très peu d'entreprises sont capables de produire en masse des poudres formulées de haute qualité (à ce jour, seules deux entreprises ont commencé à commercialiser des poudres formulées).

03 Développement rapide de l'industrie nationale de l'AlN avec un potentiel important de substitution aux importations
Avec le développement des industries des semi-conducteurs et des énergies nouvelles, les exigences en matière de dissipation thermique dans le conditionnement des puces électroniques de puissance, des puces optiques, etc., augmentent. Les substrats céramiques évoluent de l'oxyde d'aluminium vers le nitrure d'aluminium et nitrure de siliciumBien que les entreprises nationales détiennent actuellement une part de marché relativement faible, cela indique un potentiel important de substitution aux importations à l'avenir.

Actuellement, la production mondiale de Substrats en nitrure d'aluminium Le marché est dominé par quelques fabricants, le Japon étant le principal exportateur. Parmi les principaux acteurs figurent Maruwa et Kyocera. La fabrication de substrats en nitrure d'aluminium nécessite des fours de frittage à haute température, initialement importés du Japon à un coût pouvant atteindre 6 millions de yuans par unité. Ce n'est qu'en 2015 que des avancées technologiques majeures ont été réalisées en Chine. Aujourd'hui, plusieurs entreprises chinoises disposent de capacités de production à grande échelle de substrats en nitrure d'aluminium, les plus performantes atteignant des capacités supérieures à 500 000 pièces par mois et se rapprochant progressivement du niveau de Maruwa. Grâce à l'amélioration continue des capacités de production de substrats en nitrure d'aluminium de haute qualité, la dépendance à long terme aux importations de substrats céramiques haute performance devrait évoluer.

Le marché actuel des substrats céramiques en nitrure d'aluminium représente environ 1 milliard de yuans. De 2019 à 2022, son taux de croissance annuel composé a dépassé 20 % en Chine. Le développement rapide de secteurs en aval, tels que les circuits intégrés à grande échelle, les IGBT, les communications micro-ondes, l'électronique automobile et la détection d'images, conjugué à la puissance croissante des dispositifs électroniques, va encore étendre le champ d'application du nitrure d'aluminium. Selon les experts du secteur, le taux de croissance de ce marché devrait se maintenir au-dessus de 20 % dans les années à venir. À ce rythme, sa valeur devrait atteindre 2 milliards de yuans d'ici 2026.