雖然早在1862年就首次開發了氮化鋁(AIN)，但直到20世紀80年代，其在電子行業中的潛力才被真正認識到。經過幾年的發展，氮化鋁憑借其獨特的特性，成為下一代電力電子設備(如可再生能源系統和電動汽車)理想的材料。

根據Business Research Insights的報告，到2031年，氮化鋁的市場價值預計將以每年6.9%的復合年增長率(CAGR)增長。這表明制造商正在越來越多地將氮化鋁用于下一代產品的基板中，并將在未來十年內繼續擴大應用。推動這一需求的重要因素之一是電力電子行業對高效熱管理解決方案的需求，而電動汽車和可再生能源系統的普及進一步加速了這種增長。

破解氮化鋁的常見誤區

與任何先進材料一樣，關于氮化鋁的特性及其應用也存在一些誤解和錯誤認知。以下是最常見的三個誤區：

1、氮化鋁生產成本昂貴。

2、氮化鋁難以融入現有制造工藝。

3、氮化鋁太脆弱，尤其是在上下附有厚銅層的基板中，由于熱膨脹系數的差異容易出現問題。

誤區一：氮化鋁生產成本高

實際上，與其他陶瓷材料相比，氮化鋁的制造成本處于相同的水平。作為原材料，氮化鋁通常比另一種常用于電力電子基板的材料——氮化硅(Si?N?)更便宜。

氮化鋁的價格取決于多種因素，例如制造工藝、材料尺寸、包裝以及雜質含量。以氮化硅為例，樣品中通常會含有至少七種常見雜質，這些雜質的種類和濃度可能或不可能對基板的特性造成影響。為了減少雜質，需要更多的加工步驟，這自然會增加生產成本。

誤區二：氮化鋁制造工藝效率低

氮化鋁被廣泛采用的一個重要原因是，其可以通過現有的多種成熟方法靈活加工，適用于多樣化的用途。

在電力電子領域，氮化鋁因其極高的熱導率而成為一種非常有吸引力的基板材料。氮化鋁基板可以通過流延成型(tape casting)方法制造。

流延成型是一種常見的技術，長期以來用于低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝。LTCC工藝通過將多層導電、介電和電阻材料的薄片疊加并一次性燒結完成，從而節省了時間與成本。

對于其他應用，氮化鋁還可以通過化學氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)的方法沉積在其他材料表面。

化學氣相沉積(CVD)是一種熱化學工藝。將氣態前體材料引入密封反應室，與硅片表面發生化學反應或分解。最終形成所需的薄膜材料，直到達到目標厚度。這種技術已經在半導體行業中應用超過50年，用于制造多種薄膜，如多晶硅、硅氧化物和金屬膜。

物理氣相沉積(PVD)涵蓋了一系列技術，其核心區別在于使用固體前體材料。PVD方法包括濺射、脈沖激光沉積(PLD)和熱蒸發(如電子束蒸發)。PVD技術同樣已經在半導體領域使用超過50年，用于沉積金屬化層、屏障層和晶圓連接層。

值得注意的是，這些沉積技術并不需要制造商對設備進行大規模改造即可適配氮化鋁生產，因為其特性與傳統陶瓷類似。

誤區三：氮化鋁是一種易碎材料

軍用設備通常需要承受沖擊和振動，商用設備(包括電動汽車)也面臨類似的挑戰。確實，氮化鋁在受到應力時會發生斷裂而非顯著變形，這種脆性在某些需要高機械強度和韌性的應用中可能會帶來挑戰。但在電力電子領域，這種脆性遠不足以抵消氮化鋁的其他優點，同時有多種方法可以有效應對這一問題。

例如，TDK公司在基板中使用鎢作為導電材料。鎢不僅是優秀的導體，還可以承受氮化鋁基板燒結過程中高達1800°C的溫度，而鎢的熔點高達3400°C。

此外，基板上下應用的薄銅層也對機械強度有顯著影響。一般來說，銅層越厚，熱性能表現越好。然而，由于氮化鋁和銅的熱膨脹系數不同，過厚的銅層可能在極端溫度循環中導致材料分層或開裂。因此，在像汽車這樣需要經歷頻繁溫度循環的應用中，設計工程師需要權衡銅層厚度的選擇，在熱性能和機械性能之間找到最佳平衡點。

氮化鋁高效的散熱能力使其成為其他常用陶瓷基板(如氮化硅和氧化鋁)的有力替代品。氮化鋁的散熱方式更為獨特——以球形方式散熱，這種特性提升了熱效率。此外，氮化鋁能夠在更小的占用面積內維持5到12倍于氮化硅或氧化鋁的熱效率。

氮化鋁的附加優勢

作為基板材料，氮化鋁的優勢眾多，例如與碳化硅(SiC)兼容，特別適用于高壓電力電子設備——這一特性結合了兩種材料的優點，提升了熱導率和電絕緣性，同時改善機械性能并降低回路電感和阻抗。

氮化鋁的熱膨脹系數(CTE)與硅、SiC和氮化鎵(GaN)相似，因此在芯片與基板之間的連接更加優化，熱循環中的機械應力被降至最低。

此外，多層氮化鋁陶瓷的設計更靈活，可以根據客戶需求調整熱導率、電絕緣性和機械強度等特性，非常適合電力電子行業的高效散熱需求。

多層氮化鋁基板還能夠滿足高頻率和高功率密度設備的需求，如800V電動汽車電池架構、快速充電站、風力渦輪機和太陽能發電系統。

高功率電子設計中的新選擇

氮化鋁基板為電子和高功率設計提供了一種極具潛力的選擇。它兼具高熱導率、電絕緣性和材料兼容性的特點。多層結構進一步提升了其靈活性，允許制造商根據客戶需求定制封裝和基板。隨著創新制造工藝和材料的持續發展，氮化鋁基板在未來有望在多種電子設備中帶來革命性的性能提升，為不斷發展的電子行業提供更高效的解決方案。

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