揭示电子行业中氮化铝的3个常见误区

虽然早在1862年就首次开发了氮化铝(AIN)，但直到20世纪80年代，其在电子行业中的潜力才被真正认识到。经过几年的发展，氮化铝凭借其独特的特性，成为下一代电力电子设备(如可再生能源系统和电动汽车)理想的材料。

根据Business Research Insights的报告，到2031年，氮化铝的市场价值预计将以每年6.9%的复合年增长率(CAGR)增长。这表明制造商正在越来越多地将氮化铝用于下一代产品的基板中，并将在未来十年内继续扩大应用。推动这一需求的重要因素之一是电力电子行业对高效热管理解决方案的需求，而电动汽车和可再生能源系统的普及进一步加速了这种增长。

破解氮化铝的常见误区

与任何先进材料一样，关于氮化铝的特性及其应用也存在一些误解和错误认知。以下是最常见的三个误区：

1、氮化铝生产成本昂贵。

2、氮化铝难以融入现有制造工艺。

3、氮化铝太脆弱，尤其是在上下附有厚铜层的基板中，由于热膨胀系数的差异容易出现问题。

误区一：氮化铝生产成本高

实际上，与其他陶瓷材料相比，氮化铝的制造成本处于相同的水平。作为原材料，氮化铝通常比另一种常用于电力电子基板的材料——氮化硅(Si₃N₄)更便宜。

氮化铝的价格取决于多种因素，例如制造工艺、材料尺寸、包装以及杂质含量。以氮化硅为例，样品中通常会含有至少七种常见杂质，这些杂质的种类和浓度可能或不可能对基板的特性造成影响。为了减少杂质，需要更多的加工步骤，这自然会增加生产成本。

误区二：氮化铝制造工艺效率低

氮化铝被广泛采用的一个重要原因是，其可以通过现有的多种成熟方法灵活加工，适用于多样化的用途。

在电力电子领域，氮化铝因其极高的热导率而成为一种非常有吸引力的基板材料。氮化铝基板可以通过流延成型(tape casting)方法制造。

流延成型是一种常见的技术，长期以来用于低温共烧陶瓷(LTCC)工艺。LTCC工艺通过将多层导电、介电和电阻材料的薄片叠加并一次性烧结完成，从而节省了时间与成本。

对于其他应用，氮化铝还可以通过化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)的方法沉积在其他材料表面。

化学气相沉积(CVD)是一种热化学工艺。将气态前体材料引入密封反应室，与硅片表面发生化学反应或分解。最终形成所需的薄膜材料，直到达到目标厚度。这种技术已经在半导体行业中应用超过50年，用于制造多种薄膜，如多晶硅、硅氧化物和金属膜。

物理气相沉积(PVD)涵盖了一系列技术，其核心区别在于使用固体前体材料。PVD方法包括溅射、脉冲激光沉积(PLD)和热蒸发(如电子束蒸发)。PVD技术同样已经在半导体领域使用超过50年，用于沉积金属化层、屏障层和晶圆连接层。

值得注意的是，这些沉积技术并不需要制造商对设备进行大规模改造即可适配氮化铝生产，因为其特性与传统陶瓷类似。

误区三：氮化铝是一种易碎材料

军用设备通常需要承受冲击和振动，商用设备(包括电动汽车)也面临类似的挑战。确实，氮化铝在受到应力时会发生断裂而非显著变形，这种脆性在某些需要高机械强度和韧性的应用中可能会带来挑战。但在电力电子领域，这种脆性远不足以抵消氮化铝的其他优点，同时有多种方法可以有效应对这一问题。

例如，TDK公司在基板中使用钨作为导电材料。钨不仅是优秀的导体，还可以承受氮化铝基板烧结过程中高达1800°C的温度，而钨的熔点高达3400°C。

此外，基板上下应用的薄铜层也对机械强度有显著影响。一般来说，铜层越厚，热性能表现越好。然而，由于氮化铝和铜的热膨胀系数不同，过厚的铜层可能在极端温度循环中导致材料分层或开裂。因此，在像汽车这样需要经历频繁温度循环的应用中，设计工程师需要权衡铜层厚度的选择，在热性能和机械性能之间找到最佳平衡点。

氮化铝高效的散热能力使其成为其他常用陶瓷基板(如氮化硅和氧化铝)的有力替代品。氮化铝的散热方式更为独特——以球形方式散热，这种特性提升了热效率。此外，氮化铝能够在更小的占用面积内维持5到12倍于氮化硅或氧化铝的热效率。

氮化铝的附加优势

作为基板材料，氮化铝的优势众多，例如与碳化硅(SiC)兼容，特别适用于高压电力电子设备——这一特性结合了两种材料的优点，提升了热导率和电绝缘性，同时改善机械性能并降低回路电感和阻抗。

氮化铝的热膨胀系数(CTE)与硅、SiC和氮化镓(GaN)相似，因此在芯片与基板之间的连接更加优化，热循环中的机械应力被降至最低。

此外，多层氮化铝陶瓷的设计更灵活，可以根据客户需求调整热导率、电绝缘性和机械强度等特性，非常适合电力电子行业的高效散热需求。

多层氮化铝基板还能够满足高频率和高功率密度设备的需求，如800V电动汽车电池架构、快速充电站、风力涡轮机和太阳能发电系统。

高功率电子设计中的新选择

氮化铝基板为电子和高功率设计提供了一种极具潜力的选择。它兼具高热导率、电绝缘性和材料兼容性的特点。多层结构进一步提升了其灵活性，允许制造商根据客户需求定制封装和基板。随着创新制造工艺和材料的持续发展，氮化铝基板在未来有望在多种电子设备中带来革命性的性能提升，为不断发展的电子行业提供更高效的解决方案。

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