U-MAP潛心開發出使用纖維狀氮化鋁的基板和墊片。 在2023年7月舉辦的日本「第25屆熱設計與對策技術展」上展出（攝影：日經XTECH）

   

      一種打破常識的新型散熱材料在日本問世，這就是使用了纖維狀AlN（氮化鋁）的基板和墊片。由來自名古屋大學的初創企業U-MAP（位於名古屋市）開發。在用途方面，設想基板用於功率半導體和雷射器等的封裝，墊片用於CPU等的散熱。

  

      （使用纖維狀AlN的）基板同時具有此前很難兼顧的高導熱率和高機械強度。（使用纖維狀AlN的）墊片也達到了很高的機械強度，並實現了不到以往一半的厚度。這些散熱材料的使用，可能會給電子設備的熱設計帶來巨大變化。使用（纖維狀AlN）基板的話，可以讓配備了高發熱密度、小型且高輸出功率的功率半導體元件模組的熱設計更加容易。使用（纖維狀AlN）墊片的話，可輕鬆克服筆記型電腦和智慧手機等便攜設備在小型輕量化方面遇到的散熱課題。

   

基板和墊片均計劃2024年開始量産（資料來源：日經XTECH根據U-MAP的採訪內容製表）

  

      AlN基板在功率模組內用於封裝功率元件的絕緣基板。此外還被用作封裝半導體雷射器元件的Submount（基臺），以及用於LED模組的陶瓷封裝。這些用途均對散熱性有很高的要求。

  

      除AlN外，Si3N4（氮化矽）也是具有出色散熱性的材料。AlN的導熱率雖然高於Si3N4，但機械強度很難提高。

  

      對此，U-MAP將纖維狀的AlN單晶體「Thermalnite」填充製成基板，在保持高導熱率的情況下提高了機械強度。通過這種方法，使作為機械強度指標的「破壞韌性」達到5.5MPa·√m，使導熱率達到200W/m·K以上。破壞韌性是普通AlN基板的約兩倍，數值與Si3N4接近。導熱率是Si3N4的約兩倍。

  

      之所以能夠提高機械強度，是因為「Thermalnite」具備各向異性。而傳統AlN基板則僅僅由各向同性粒子構成。

  

    開孔加工變得更容易

  

      破壞韌性高，將帶來主要三個好處。第一，不容易斷，因此可以通過切薄使得熱阻降低。第二，基板的加工性提高，使得開孔等加工更容易，還有利於提高成品率。第三，可靠性提高。用在新開發的AlN基板上添加金屬導體層製作的「金屬鍍膜基板」實施冷熱迴圈試驗，調查了可靠性。

  

  

      針對AlN部分的厚度為0.5mm的（使用新開發的AlN基板製成的）金屬鍍膜基板，進行了從攝氏零下40度到零上150度的冷熱迴圈試驗，結果迴圈超過3000次，都沒有發生斷裂。而採用傳統AlN基板的金屬鍍膜基板，在AlN部分的厚度為0.635mm，實施同樣的冷熱迴圈試驗下，迴圈600次就發生了斷裂。

  

    厚度不到一半的熱界面材料

   

      此次開發的散熱片是適用於冷卻CPU（中央處理器）及GPU（圖形處理器）等的TIM（熱界面材料）墊片。特點是比傳統TIM墊片更薄。普通TIM墊片的厚度為0.5mm左右，而開發品的厚度只有0.2mm，因此可以降低熱阻。

   

添加了「Thermalnite」的TIM墊片只有0.2mm厚（攝影：日經XTECH）

  

      之所以能減薄，是因為機械強度高。如果強度低，則容易斷裂，導致加工困難。

  

      在TIM墊片中添加的「Thermalnite」呈纖維狀，因此可以增加機械強度。機械強度增加到接近原來2倍。「Thermalnite」也使導熱率提高到了5W/m·K。

  

      U-MAP將於2024年量産AlN基板。生産將由合作夥伴岡本硝子進行。TIM墊片的産品化也正不斷推進，計劃2023年內供貨樣品。據説最快2024年下半年實現量産。

  

    關鍵詞：氮化鋁（AlN） 

      氮化鋁（AlN）：鋁與氮的化合物。同時具有電絕緣性以及像鋁一樣的高導熱性。氮化鋁被用於封裝功率半導體的絕緣基板及封裝雷射元件的Submount（基臺）等。添加雜質後，可以作為半導體使用。由於其禁頻寬度非常大，因此用於發射短波長紫外線（遠紫外線）的元件和功率半導體。AlN有比SiC（碳化矽）更大的禁頻寬度，介電強度高，因此理論上被認為可以製作比SiC更低損耗的功率半導體元件。

  

      根津禎 日經XTECH

      資料來源：日經XTECH

      https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/00001/08308/

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