中國粉體網(wǎng)訊 氮化鋁屬于典型的第三代半導體材料，它具有特寬禁帶和非常大的激子束縛能，其中禁帶寬度為6.2eV，屬于直接帶隙半導體。由于氮化鋁具有多種突出的優(yōu)異物理性能，如高的擊穿場強、熱導率、電阻率等，在半導體領域中一直備受關注，也是半導體領域一直在“征服”的材料。
氮化鋁的性能特點
AlN是以共價鍵為主的晶體，屬于六角晶系類金剛石氮化物，其理論密度為3.26g/cm3，莫氏硬度7~8，室溫下的強度高，且強度會隨著溫度的升高下降較慢。
與其它幾種陶瓷材料相比較，氮化鋁具有優(yōu)異的綜合性能，尤其是其出色的導熱性能，非常適用于半導體基片和結構封裝材料，在電子工業(yè)中的應用潛力非常巨大。
氮化鋁的主要性能參數(shù)
在電子器件應用中，散熱是研制器件時考慮的一個關鍵點，理論上AlN熱導率可達320W·m-1·K-1，是理想的散熱材料。AlN粉體純度對其導熱性能影響很大，毫不夸張的講，AlN的純度每提高1%，其導熱率可以提高30%。而高導熱這個特性對于AlN來講，是優(yōu)勢更是難點。
AlN的熱導率受原料純度、燒結工藝等因素的影響，在實際中由于AlN中存在的雜質(zhì)和缺陷使產(chǎn)品的熱導率要低于理論值。在AlN單晶體生長方面，原料中的雜質(zhì)(尤其是氧和碳)會沉積到單晶內(nèi)部并形成各種缺陷，影響晶體質(zhì)量和性質(zhì)。其中，氧元素與AlN有很強的親和力，容易進入AlN晶格中形成缺陷，成為降低材料熱導率的主要因素。這些種種因素，讓氮化鋁也不易被“征服”。
氮化鋁粉體制備方法
氮化鋁粉體制備技術可以分為直接氮化法、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。
氮化鋁粉體制備常用技術優(yōu)缺點對比表
在氮化鋁粉體制備中，碳熱還原法獨占鰲頭，占了將近五成的比例，其次是直接氮化法和自蔓延法，分別為26%和12%。這三種方法也是實現(xiàn)了工業(yè)化應用的方法。溶液法、化學氣相法和等離子體法這三種方法主要用于合成的納米氮化鋁，難以規(guī)模化生產(chǎn)，目前主要停留在實驗室研發(fā)階段，在工業(yè)上應用尚有一段距離，因此這三種工藝在氮化鋁粉體制備技術中的占比處于較低的水平，僅有3%-5%。高能球磨法合成的氮化鋁粉體產(chǎn)量低，其比例最低僅為1%，常作為輔助活化手段與其他制備技術聯(lián)用。
在氮化鋁粉體制備方面，國外企業(yè)一直跑在前列。其中，日本企業(yè)占據(jù)了全球七成以上的市場，株式會社德山是一家日本百年企業(yè)，擁有最大的氮化鋁廠，其采用自主研發(fā)的碳熱還原技術，產(chǎn)量高達360t/年。SHAPAL TM是德山的陶瓷產(chǎn)品系列，由氮化鋁粉末燒結而成，其具有出色的導熱性，對鹵素氣體等離子體具有強大抵抗力以及與硅相似的熱膨脹系數(shù)等特點，廣泛用于需要有效散熱的組件和半導體生產(chǎn)設備的組件，目前主要擁有 SH-30、SH-15、SH-50三個系列的氮化鋁產(chǎn)品。
國內(nèi)生產(chǎn)AlN粉體品質(zhì)較好的企業(yè)主要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。我國氮化鋁產(chǎn)業(yè)起步晚，由于氮化鋁粉體制作工藝比較復雜、能耗高、周期長、生產(chǎn)成本較高，國內(nèi)企業(yè)粉體制備技術與國外尚有差距，生產(chǎn)的AlN粉體質(zhì)量與國外同類產(chǎn)品相比較，尤其在制品熱導率方面，尚有不及。隨著國內(nèi)研究不斷深入，氮化鋁制備技藝不斷提高，國內(nèi)外差距正在逐漸縮小。
氮化鋁在半導體領域中的應用
作為陶瓷封裝基板
隨著微電子及半導體技術的蓬勃發(fā)展，電機和電子元件逐級步入微型、輕量、高能量密度和大功率輸出時代，電子基板熱流密度大幅增加，保持設備內(nèi)部穩(wěn)定的運行環(huán)境成為需要重點關注的技術問題。AlN陶瓷因具有熱導率高、熱膨脹系數(shù)與硅接近、機械強度高、化學穩(wěn)定性好及環(huán)保無毒等特性，被認為是新一代散熱基板和電子器件封裝的理想材料。
氮化鋁陶瓷基板，來源：艾森達
相比Al2O3陶瓷基板和Si3N4陶瓷基板，AlN陶瓷基板具有這些優(yōu)勢：使用AlN陶瓷基板作為芯片的承載體，可以將芯片與模塊散熱底板隔離開，基板中間的AlN陶瓷層可有效提高模塊的絕緣能力（陶瓷層絕緣耐壓>2.5KV），而且氮化鋁陶瓷基板具有良好的導熱性，熱導率可以達到170-260W/mK。
此外，AlN陶瓷基板膨脹系數(shù)同硅相近，不會造成對芯片的應力損傷，氮化鋁陶瓷基板抗剝力>20N/mm2，具有優(yōu)秀的機械性能，耐腐蝕，不易發(fā)生形變，可以在較寬溫度范圍內(nèi)使用。
作為半導體設備零部件
在半導體加工中，對硅片的散熱工作相當重要，如果無法保證硅片表面的均溫，則在硅片的加工過程中將無法確保加工的均勻性，加工精度也會受到影響。
氮化鋁靜電吸盤，來源：NTK
使用氮化鋁做主材料的優(yōu)勢在于：可以通過控制其體積電阻率，獲得大范圍的溫度域和充分的吸附力，靜電吸盤可通過自由度高的加熱器設計可以實現(xiàn)良好的溫度均勻性；氮化鋁通過一體共燒成型，不會出現(xiàn)因電極的劣化造成歷時變化，最大限度的保障產(chǎn)品質(zhì)量；在等離子鹵素真空氣氛環(huán)境下能持久運行，以承受半導體及微電子最苛刻的制程環(huán)境，還可提供穩(wěn)定的吸附力和溫度控制。
作為襯底材料
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，AlN與GaN熱匹配和化學兼容性更高、襯底與外延層之間的應力更小。因此，AlN晶體作為GaN外延襯底時可大幅度降低器件中的缺陷密度，提高器件的性能，在制備高溫、高頻、高功率電子器件方面有很好的應用前景。
另外，用AlN晶體做高鋁（Al）組份的AlGaN外延材料襯底還可以有效降低氮化物外延層中的缺陷密度，極大地提高氮化物半導體器件的性能和使用壽命。基于AlGaN的高質(zhì)量日盲探測器已經(jīng)獲得成功應用。
氮化鋁單晶襯底
目前，日本德山化工數(shù)年前就已宣布其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。但是，HVPE的產(chǎn)業(yè)化仍面臨一些技術問題需要克服，目前AIN單晶襯底的主要生長方法仍以物理氣相沉積(PVT)為主，全球頭部企業(yè)包括我國的奧趨光電。
在去年，國內(nèi)奧趨光電不斷突破技術瓶頸，開發(fā)了全球最大尺寸、直徑達60mm，且具有世界領先深紫外透光性的高質(zhì)量氮化鋁單晶襯底，自主開發(fā)了顛覆性、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等，對打破國外壟斷、填補該領域的國內(nèi)空白和實現(xiàn)產(chǎn)品的國產(chǎn)化替代有著重要意義。
作為薄膜材料
由于AlN帶隙寬、極化強，禁帶寬度為6.2eV，其制備的氮化鋁薄膜材料具有很多優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，如高的擊穿場強、高熱導率、高電阻率、高化學和熱穩(wěn)定性以及良好的光學及力學性能，被廣泛應用作為電子器件和集成電路的封裝中隔離介質(zhì)和絕緣材料。
高質(zhì)量的AlN薄膜還具有極高的超聲傳輸速度、較小的聲波損耗、相當大的壓電耦合常數(shù)，與Si、GaAs相近的熱膨脹系數(shù)等特點，獨特的性質(zhì)使它在機械、微電子、光學以及電子元器件、聲表面波器件制造和高頻寬帶通信等領域有著廣闊的應用前景。
目前，氮化鋁薄膜的制備尚且處于設備復雜、造價昂貴、難于商品化的階段，并且所使用的制備薄膜的方法通常要求將襯底加熱到較高的溫度。目前低溫制備氮化鋁薄膜的方法還不成熟、不完善。而集成光學器件的發(fā)展，需要在較低的溫度下進行薄膜制備，以避免對襯底材料的熱損傷。改進氮化鋁薄膜的制備方法，在較低的溫度、較簡單的工藝條件下得到更致密、更均勻、更高純度、更低成本的氮化鋁薄膜，還有大量的工作需要去做。
氮化鋁市場規(guī)模與現(xiàn)狀
作為導熱材料，隨著新能源汽車與5G行業(yè)的發(fā)展，氮化鋁市場價值越來越得到凸顯。根據(jù)半導體微電子、功率器件協(xié)會和汽車工業(yè)協(xié)會公布的數(shù)據(jù)預測AlN全球市場模超過1000億元。
由于氮化鋁材料制作工藝比較復雜、能耗高、周期長、價格昂貴、生產(chǎn)成本較高，目前大部分國產(chǎn)氮化鋁材料尚達不到高導熱、高強度的應用要求，這造成國內(nèi)氮化鋁產(chǎn)量不能滿足市場需求，粉料大量依賴進口。根據(jù)旭光電子公告，2021年我國氮化鋁粉體需求量約為3400噸，供需缺口為2200噸。預計未來幾年，中國氮化鋁粉體需求量將保持15%左右的增速，到2025年需求量約5600噸，供應缺口達到3100噸。
2016-2025年中國氮化鋁粉體需求量及增速情況，來源：華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院
氮化鋁之所以受關注在于：其一，性能好，用起來“香”，物有所值；其二，生產(chǎn)過程復雜，受各種因素干擾，得之不易，對原材料要求高，制品制備工藝復雜，生產(chǎn)門檻較高；其三，市場發(fā)展迅速，產(chǎn)能擴張速度跟不上需求增速。目前來看，如何提高氮化鋁粉體的批次穩(wěn)定性、進一步減低成本，以及氮化鋁的后期處理是未來需要重點關注的問題。
參考來源：
張爽等：氮化鋁粉體制備國內(nèi)專利技術分析
邱寶付等：氮化鋁材料及其粉體制備的現(xiàn)狀與展望
中國粉體網(wǎng)：氮化鋁，要火！
中國粉體網(wǎng)：氮化鋁粉體國產(chǎn)化替代加速
中國粉體網(wǎng)：為何氮化鋁基板比其它基板貴，且一片難求？
華西證券：氮化鋁行業(yè)研究：AlN應用性能出眾，國產(chǎn)替代機遇顯著
華經(jīng)情報網(wǎng)：2022年中國氮化鋁產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、競爭格局及前景分析，供需缺口大，市場前景廣闊
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權告知刪除
