1862年,F.Birgeler和A.Geuhter首次发现了氮化铝,两位科学先驱或许没有想到,这种新材料将会在一百年后焕发怎样的光芒。

 

20世纪70年代,随着研究的不断深入,氮化铝的制备工艺日趋成熟,其应用范围也不断扩大。21世纪后,随着微电子技术的飞速发展,电子整机和电子元器件正朝微型化、轻型化、集成化,以及高可靠性和大功率输出等方向发展,越来越复杂的器件对基板和封装材料的散热提出了更高要求,自此,拥有高导热性能的氮化铝基板成为了散热基板领域"明星材料"。

 

通过自主创新,实现"卡脖子技术的突破"

 

一直以来,我国陶瓷基板生产企业规模较小,研发投入资金有限,技术人员较少且经验不足,导致我国陶瓷基板行业整体水平较低,以中低端产品为主,产品缺乏竞争力,尤其是高性能、大尺寸氮化铝薄基板依赖于进口。日本有多家企业研发和生产氮化铝陶瓷基板,是全球最大的氮化铝陶瓷基板生产国,主要研发生产氮化铝陶瓷基板产品的公司包括如京瓷、日本特殊陶业、住友金属工业、富士通、东芝、日本电气等。由于特殊技术要求,加上设备投资大、制造工艺复杂,高性能、大尺寸氮化铝陶瓷基板核心制造技术被日本等国家的几个大公司掌控。

 


正天新材氮化铝薄基板产品

 

成立于2017年的浙江正天新材料科技有限公司(以下简称"正天新材")通过自主创新,掌握了流延、裁切、冲片、烧结及后道CNC、研磨、抛光、激光切割等完整加工链核心技术,开发出了LED封装用基板、半导体用基板、薄膜电路基板等不同用途的氮化铝基板产品,在高性能、大尺寸氮化铝陶瓷基板方面实现了重要突破。

 

聚焦最具应用潜力的基板材料

 

成功的创业至少包括两个因素,眼光和实力。

 

正天新材之所以将目光锁定在氮化铝身上,是因为氮化铝蕴藏着巨大的潜在应用价值。目前应用广泛的陶瓷基板主要是氧化铝陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板、氧化铍陶瓷基板、碳化硅基板和氮化硅陶瓷基板等。长期以来,绝大多数大功率混合集成电路的基板材料一直沿用 Al2O3和 BeO 陶瓷,但 Al2O3基板的热导率低,热膨胀系数和 Si 不太匹配,无法满足高功率大电压器件发展要求,只适用于对散热要求较低的工作环境;BeO 虽然具有优良的综合性能,但其较高的生产成本和粉末含有剧毒的缺点限制了它的应用推广;SiC由于其具有较高的介电损耗和较低的击穿电压,不利于应用在高频高压的工作环境中。

 


正天新材Φ308mm*1.0mm氮化铝陶瓷基板

 

而氮化铝似乎是一种"天生的"基板材料,以正天新材的氮化铝基板为例,据了解,正天新材生产的氮化铝陶瓷基板热导率可高达180W/(m·K)以上,这十分有利于LED中热量散发,提高LED性能;抗弯强度450MPA以上,机械性能较好;热膨胀系数达3.4×10-6/K,与LED常用材料Si、GaAs的热膨胀系数相近,变化规律也与Si的热膨胀系数的规律相似;同时还具有高电阻率、密度小、低介电常数、无毒等优异性能,将逐步取代传统大功率 LED 基板材料,是一种极具发展前景的陶瓷基板材料。

 

正天新材氮化铝陶瓷基板产品性能


 

即烧型工艺——以创新谋突破

 

氮化铝陶瓷基板行业门槛较高,研发生产过程较为复杂繁琐,例如流延成型过程中浆料制备、工艺参数的控制以及烧结过程中烧结方式的选择、烧结温度的控制、烧结助剂的添加、烧结气氛的控制等,均是需要逐一攻克的关键环节。

 

在工艺方面,正天新材创新性的采用即烧型工艺,所谓即烧型是指通过先进设备、先进的烧结工艺达到表面光滑平整,无需后期研磨。这样就避免了研磨过程中暗裂纹的产生,不容易破碎,据部分客户使用回馈,即烧型的基板在使用过程中,除去人工破坏之外,破碎率为"零"。

 


 

在设备方面,正天新材拥有成套自动化设备,拥有从流延、裁切、等静压、热切、排胶、烧结等成套设备技术经验,可实现全自动化生产。

 


车间一角

 

突破"大尺寸"行业难题

 

对陶瓷基板而言,"大尺寸薄片"是一个行业难题,这是因为随着尺寸的加大,曲翘、开裂等现象也随之出现。凭借先进的工艺与设备,正天新材在攻克大尺寸氮化铝基板方面已经走在了行业前列,目前公司已开发出了Φ308mm*1.0mm等大尺寸、低曲翘度(≤200μm)的成熟稳定产品。

 

正天新材氮化铝基板产品尺寸


 

据正天新材董总介绍,在IC行业,为了保证IC的制造质量,必须确保硅片在工艺设备之间的传输过程中保持绝对的平稳,同时还需保证硅片在加工载荷的作用下不会翘曲变形或偏移,这对硅片的夹持技术提出了严格的要求。同时,在半导体加工中,对硅片的散热工作相当重要,如果无法保证硅片表面的均温,则在对硅片的加工过程中将无法确保加工的均匀性,加工精度将受到极大的影响。静电吸盘作为现代半导体工业中应用最广的硅片夹持工具,目前主要是采用氧化铝陶瓷作为主体制造材料,但是氧化铝材料热导率及相关机械性能不及氮化铝陶瓷。这为正天新材的高性能、大尺寸氮化铝基板提供一片用武之地

 


静电吸盘

 

写在最后

 

随着功率器件特别是第三代半导体的崛起与应用,半导体器件逐渐向大功率、小型化、集成化、多功能等方向发展,对封装基板性能也提出了更高要求,尽管氮化铝陶瓷基板价格远高于其它种类基板,仍受到下游市场的高度认可,高性能氮化铝陶瓷基板市场需求将出现井喷式增长。据相关报告显示,2019年全球氮化铝陶瓷基板市场总值达到了100亿元左右,预计2026年可以增长到300亿元左右,年复合增长率20%以上。

 

在目前我国半导体产业受到打压的不利局面下,实现高性能、大尺寸氮化铝基板的国产化替代对我国的半导体产业发展具有重要意义。正天新材通过自主创新掌握核心技术,突破了一系列"卡脖子"难题,开发出了可媲美国外厂家的高性能、大尺寸氮化铝基板产品,在全面提升企业竞争能力的同时,也引领着行业走向全面国产替代的美好未来。

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作者 gan, lanjie