氮化鋁—最「流行」的基材

進入21世紀以來，隨著電子技術的快速發展，電子元件的整合度和組裝密度不斷提高，散熱成為影響裝置性能和可靠性的關鍵因素。以高功率LED封裝為例，輸入功率只有約20%至30%轉換為光能，而剩餘的70%至80%則轉換為熱。如此大量的熱量累積會導致嚴重的後果。

利用封裝基板將晶片（熱源）產生的熱量導出，實現與外部環境的熱交換，從而達到散熱的目的。其中，陶瓷材料具有高導熱性、優異的耐熱性、高絕緣性、高強度以及與晶片材料熱特性相兼容等優點，已成為功率裝置封裝基板的常用材料。

憑藉其高導熱性和綜合性能，它確實令人著迷。

長期以來，常用的陶瓷基板都包含鋁₂這₃碳化矽和氧化鈹。鋁₂這₃ 陶瓷材料是最早開發的，其製備技術最成熟，成本最低，應用範圍最廣。然而，鋁的熱導率較低。₂這₃ 陶瓷的熱導率僅為17-25 W/(m·K)，且其熱膨脹係數與矽（Si）和砷化鎵（GaAs）等半導體材料的熱膨脹係數匹配度較差，這限制了它們在高頻、高功率和高集成電路中的應用。雖然碳化矽（SiC）陶瓷基板具有高導熱性和與矽（Si）接近的熱膨脹係數，但其介電性能差、燒結損耗高、成本高，且難以生產緻密產品，這些都限制了它們的大規模應用。氧化鈹（BeO）的熱導率與氮化鋁（AlN）相當，但其熱膨脹係數過高，且氧化鈹粉末有毒；吸​​收會導致慢性鈹中毒，因此世界上大多數國家已停止使用氧化鈹。

氮化鋁的性能如何？讓我們一起來看看：

1. 卓越的導熱性： 氮化鋁具有很高的導熱係數，其在室溫下的理論最大值可達 320 W/(m·K)，比氧化鋁陶瓷高約 8 到 10 倍。市售的氮化鋁產品很容易達到 200 W/(m·K) 的導熱係數。

2. 良好的熱學和晶格匹配： 氮化鋁（AlN）具有較低的熱膨脹係數（CTE），理論值為4.6 × 10⁻⁶/K。此CTE與矽（Si）和砷化鎵（GaAs）相當，且其溫度依賴性與矽非常接近。此外，AlN與氮化鎵（GaN）具有良好的晶格匹配性。這種熱學和晶格相容性確保了在高功率裝置製造過程中晶片與基板之間牢固的鍵合，這對裝置的性能和可靠性至關重要。

3. 寬頻隙和高絕緣性： 氮化鋁陶瓷的帶隙為 6.2 eV，具有優異的電絕緣性能。這一固有特性使其在高功率 LED 應用中無需額外的絕緣層，從而簡化了製造過程。

4. 優異的機械性質、熱穩定性和耐化學性： 氮化鋁（AlN）以纖鋅礦結構結晶，其特徵是具有強烈的共價鍵。這種結構賦予了AlN高硬度、高強度和良好的整體機械性能。此外，AlN也表現出優異的化學穩定性和耐高溫性能。它在空氣中可穩定至1000℃，在真空環境中可穩定至1400℃，有利於高溫燒結製程。其耐腐蝕性也足以滿足後續加工步驟的要求。

總之，這些優異的性能使氮化鋁（AlN）成為高功率電子等高要求應用中基板材料的傑出選擇。

在眾多領域中扮演關鍵角色

目前，對…的需求 氮化鋁基板 在功率半導體裝置、混合積體電路、電信天線、固態繼電器、功率LED和多晶片模組（MCM）等領域，市場需求穩定成長。終端市場主要面向汽車電子、LED、軌道運輸、通訊基地台、航空航太和軍事國防。

天線
天線可以將傳輸線上傳播的導波轉換為自由空間中傳播的電磁波，也可以將電磁波轉換為導波，其本質是一種轉換器。天線用途廣泛，需要在各種環境下都能良好運作，因此其組件需要具備高品質和極高的可靠性。普通電路板無法滿足天線的基本要求，現階段最接近天線​​各方面要求的是陶瓷電路板，其中氮化鋁（AlN）陶瓷電路板性能最佳，主要體現在以下方面：
（1）介電常數小，可減少高頻損耗，使訊號完全傳輸。
（2）低電阻且附著力良好的金屬薄膜層。此金屬層導電性好，電流通過時產生的熱量少。
（3）陶瓷基板具有良好的絕緣性。天線在使用過程中會產生高壓電，而陶瓷基板的擊穿電壓很高。
（4）高密度包裝是可能的。

多晶片模組（MCM）

多晶片模組（MCM）是一種先進的微電子元件，具有高性能、高可靠性和小型化等特點，能夠滿足航空航太、軍事電子等領域嚴苛的應用需求。隨著元件功率的提升和封裝密度的提高，高效散熱已成為一項必須優先考慮的關鍵技術。 MCM-C封裝基板材料通常採用多層陶瓷結構，並利用氮化鋁（AlN）陶瓷的高導熱性，顯著降低微電子元件的內部發熱量，從而提高其運作穩定性。

高溫半導體封裝

基於碳化矽、氮化鎵和鑽石的寬帶隙半導體材料和裝置可以在高溫下工作， 西克科技 碳化矽（SiC）是目前最成熟的材料。由於其優異的物理化學性質，SiC 能夠在高達 600°C 的高溫環境下穩定工作，因此在航空航天領域的高溫電子系統中具有極其重要的應用價值。目前，高溫電子封裝基板主要採用氧化鋁（Al₂O₃）和氮化鋁（AlN）陶瓷基板，其中氮化鋁陶瓷的熱導率比氧化鋁高出數倍。₂這₃ 陶瓷的熱膨脹係數與碳化矽 (SiC) 相匹配，使其成為高溫電子封裝的首選材料。

功率半導體模組

功率半導體模組是由功率電子元件整合而成的組件，這些元件根據特定的封裝方式和功能進行封裝。這些模組可以根據所需的功能選擇合適的元件進行封裝，常見的元件包括絕緣柵雙極型電晶體 (IGBT)、功率金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET) 和功率積體電路等。功率半導體模組對散熱的要求非常高。作為主要核心元件之一，陶瓷電路板也是散熱的首要接觸點。因此，高導熱性的氮化鋁 (AlN) 陶瓷基板無疑是理想的選擇，尤其適用於汽車電子 IGBT 模組。

功率LED封裝

LED是一種將電能轉換為光能的半導體晶片。科學研究表明，只有20%-30%的電能有效轉化為光能，其餘部分則以熱的形式散失。如果沒有合適的散熱方法，會導致燈具的工作溫度急劇升高，並顯著縮短LED的使用壽命。陶瓷電路板的出現，特別是透過應用氮化鋁（AlN）陶瓷基板，有效解決了LED照明中的散熱問題。在LED封裝中，產生的熱量能夠迅速傳遞到高導熱性的AlN陶瓷基板上，實現快速散熱，從而有效降低裝置損壞，並更好地延長LED的使用壽命。

概括

與氧化鋁陶瓷基板相比，氮化鋁陶瓷基板目前在中國的應用範圍相對較窄，這主要是由於其生產流程要求高、成本較高等因素，主要應用於高階電子領域。然而，隨著電子資訊產業技術的不斷升級，PCB基板小型化和功能整合化的發展趨勢日益明顯。市場對散熱基板和封裝材料的導熱性和耐高溫性能的需求不斷增長，使得性能與普通基板相當的材料難以滿足市場需求。因此，氮化鋁陶瓷基板產業迎來了發展機會。目前，氮化鋁已成為最受關注的封裝基板材料之一。