AlN应用性能出众，国产替代机遇显著

主要观点:► 氮化铝具有一系列优良特性，核心优势特性为优良的热导性、可靠的电绝缘性、以及与硅相匹配的热膨胀系数等。它既是新一代散热基板和电子器件封装的理想材料，也可用于热交换器、压电陶瓷及薄膜、导热填料等，应用前景广阔。 半导体、新能源领域激发AlN需求增长 根据Maxmize Market Research数据，2021年全球陶瓷基板市场规模达到65.9亿美元，预计2029年全球规模将达到109.6亿美元，年均增长率约6.57%。 氮化铝作为陶瓷基板的理想材料市场广阔，不同产品类型应对不同应用场景需求，其中以AMB、DBC、DPC、HTCC和结构件为主要产品类型。AMB、DBC借IGBT之风，伴随新能源与电动车领域发展迅猛；DPC受大功率LED市场青睐；HTCC因射频、军工领域拉动需求增长；半导体硅片所用的静电吸盘则为AlN结构件重要应用。因此我们认为AlN需求将持续受益于高速增长的半导体与新能源市场。 ► 氮化铝粉体至关重要，粉板一体企业优势明显 高性能的氮化铝关键在于粉体制备，粉体质量直接影响基板性能，我们认为上下游一体化企业将获得更明显竞争优势。随着近年来电子产业的高速发展，我国氮化铝粉体市场需求快速增长，根据旭光电子公告的数据，中国氮化铝粉体需求量将保持15%左右的增速，到2025年国内市场需求量约5,600吨。国内氮化铝产量不能满足市场需求，粉料大量依赖进口。但随着国内研究不断深入，氮化铝制备技艺不断提高，国内外差距正在逐渐缩小，且随着我国政策大力支持加之市场需求不断扩大，国内粉体产业正向高质量推进。 投资建议 我们预计AlN凭借出色的热导性、绝缘性附加与硅相匹配的热膨胀系数，作为散热件和结构件将在半导体、新能源及军工领域获得大量新增需求。国内AlN产业发展迅猛，国产替代空间巨大，因为粉体质量直接影响基板性能，我们认为布局粉板兼有的上下游一体化公司将脱颖而出。核心受益：旭光电子、国瓷材料、三环集团、宏达电子。 风险提示 相关产业政策低于预期，影响市场需求释放规模；新技术研发进程缓慢，产品研发不及预期；系统性风险。 1.氮化铝热导性绝缘性出众，其热膨胀系数与硅相匹配 氮化铝因出众的热导性及与硅相匹配的热膨胀系数，成为电子领域备受关注的材料。氮化铝是一种六方晶系钎锌矿型结构形态的共价键化合物，其具有一系列优良特性，包括优良的热导性、可靠的电绝缘性、低的介电常数和介电损耗、无毒以及与硅相匹配的热膨胀系数等。它既是新一代散热基板和电子器件封装的理想材料，也可用于热交换器、压电陶瓷及薄膜、导热填料等，应用前景广阔。 AlN的晶体结构决定了其出色的热导性和绝缘性。根据《氮化铝陶瓷的流延成型及烧结体性能研究》的研究中提到，由于组成AlN分子的两种元素的原子量小，晶体结构较为简单，简谐性好，形成的Al-N键键长短，键能大，而且共价键的共振有利于声子传热机制，使得AlN材料具备优异于一般非金属材料的热传导性，此外AlN具备高熔点、高硬度以及较高的热导率，和较好的介电性能。 AlN相较其他陶瓷材料，与硅相匹配的热膨胀系数，加上优秀的热导性，更有利于应用于电子产业。根据《AlN陶瓷热导率及抗弯强度影响因素研究的新进展》的研究中提到，AlN因其热膨胀系数与Si匹配度高而被广泛关注，而传统的基板材料如Al2O3 由于其热导率低，其值约为AlN陶瓷的1/5且线膨胀系数与Si不匹配，已经不能够满足实际需求。BeO与SiC陶瓷基板的热导率也相对较高，但BeO毒性高，SiC绝缘性不好。而AlN作为一种新型高导热陶瓷材料，具有热膨胀系数与Si接近、散热性能优良、无毒等特性，有望成为替代电子工业用陶瓷基板 Al2O3 、SiC和BeO的极佳材料。 2.半导体与新能源市场激发AlN需求增长 氮化铝陶瓷因其多方面优异的性能，目前已经在多个民用和军用领域得到了广泛的应用。5G时代、新能源汽车时代以及人工智能时代的来临，使氮化铝陶瓷需求更多。 AlN应用广泛，因出色的热导性成为新一代散热基板和电子器件封装的理想材料。 根据艾邦陶瓷展的信息，AlN还可用于热交换器、坩埚、保护管、浇注模具、压电陶瓷及薄膜、导热填料等。 1.散热基板及电子器件封装 散热基板及电子器件封装是AlN陶瓷的主要应用。氮化铝陶瓷具有优异的导热性能，热胀系数接近硅，机械强度高，化学稳定性好而且环保无毒，被认为是新一代散热基板和电子器件封装的理想材料，非常适合于混合功率开关的封装以及微波真空管封装壳体材料，同时也是大规模集成电路基片的理想材料。 2.结构陶瓷 晶圆加工用静电吸盘就是常见的结构陶瓷应用。氮化铝结构陶瓷的机械性能好，硬度高，韧性好于 Al2O3 陶瓷，并且耐高温耐腐蚀。利用AIN陶瓷耐热耐侵蚀性，可用于制作坩埚、Al蒸发皿、半导体静电卡盘等高温耐蚀部件。 3.功能材料 氮化铝可用于制造能够在高温或者存在一定辐射的场景下使用的高频大功率器件，如高功率电子器件、高密度固态存储器等。作为第三代半导体材料之一的氮化铝，具有宽带隙、高热导率、高电阻率、良好的紫外透过率、高击穿场强等优良性能。 AlN的禁带宽度为6.2 eV，极化作用较强，在机械、微电子、光学以及声表面波器件(SAW)制造、高频宽带通信等领域都有应用，如氮化铝压电陶瓷及薄膜等。另外，高纯度的AlN陶瓷是透明的，具有优良的光学性能，再结合其电学性能，可制作红外导流罩、传感器等功能器件。 4.惰性耐热材料 AlN作为耐热材料可用其作坩埚、保护管、浇注模具等。氮化铝可在2000℃非氧化气氛下，仍具有稳定的性能，是一种优良的高温耐火材料，抗熔融金属侵蚀的能力强。 5.热交换器件 氮化铝陶瓷热导率高、热膨胀系数低，导热效率和抗热冲击性能优良，可用作理想的耐热冲和热交换材料，例如氮化铝陶瓷可以作为船用燃气轮机的热交换器材料和内燃机的耐热部件。由于氮化铝材料的优良导热性能，有效提高了热交换器的传热能力。 6.填充材料 氮化铝具有优良的电绝缘性，高导热，介电性能良好，与高分子材料相容性好，是电子产品高分子材料的优秀添加剂，可用于TIM填料、FCCL导热介电层填料，广泛应用于电子器件的热传递介质，进而提高工作效率，如CPU与散热器填隙、大功率三极管和可控硅元件与基材接触的细缝处的热传递介质。 全球陶瓷基板市场火爆，市场规模稳步增长。AlN陶瓷材料可用作覆铜基板材料、电子封装材料、超高温器件封装材料、高功率器件平台材料、高频器件材料、传感器薄膜材料、光学电子器件材料、涂层及功能增强材料等。根据Maxmize Market Research报告显示，2021年全球陶瓷基板市场规模达到65.9亿美元，预计2029年全球规模将达到109.6亿美元，年均增长率约为6.57%。根据陶瓷基板的不同工艺，可将陶瓷基板市场分为平面陶瓷基板和多层陶瓷基板市场，并进一步细分。 DPC陶瓷基板市场广阔。DPC陶瓷基板凭借其电路精度高且制备温度低的特点，被广泛用于高精度、小体积封装产品中，在高功率发光二极管中被广泛使用。根据GII研究数据显示，2020年DPC陶瓷基板全球市场规模达到12亿美元，预计2026年达到17亿美元，CAGR为5.2%。目前主要生产厂家有日本丸和、同欣电子、九豪精密等。 功率模块带动DBC、AMB陶瓷基板市场扩大。DBC陶瓷基板具有高强度、导热性能强以及结合稳定的优质性能，而AMB陶瓷基板是在DBC的基础上发展而来的，结合强度相对更高。近年来随着新能源汽车、光伏储能行业的快速发展，IGBT功率模块的需求快速增长，对于DBC、AMB陶瓷基板的需求也不断增加。根据半邦导体网，2020年DBC陶瓷基板市场规模为2.89亿美元，预计2027年可达到4.03亿美元，CAGR为8.6%。而根据GII预测，2020年AMB陶瓷基板市场规模为0.65亿美元，预计2027年可达到3.06亿美元，CAGR分别为22.7%。目前DBC陶瓷基板主要生产厂家有罗杰斯、贺利氏集团、高丽化工等；AMB陶瓷基板主要生产厂家有罗杰斯、日本京瓷、日本丸和等。 射频组件封装促进多层陶瓷基板先进封装需求增长。多层陶瓷基板主要包括高温共烧陶瓷基板（HTCC）以及低温共烧陶瓷基板（LTCC）。HTCC和LTCC技术具有良好的微波、导热、密封以及机械等性能，被广泛使用在射频电子元器件的封装中，在航空航天、卫星通信以及民用通信等领域应用广泛，因此占据了不小的市场份额。根据GII预测，2021年HTCC和LTCC陶瓷基板全球市场规模达到29亿美元，未来几年将以4%的复合增长率持续稳定增长。目前生产HTCC和LTCC陶瓷基板的主要生产厂家有日本京瓷、杜邦公司、村田制造株式会社等。 2.1.AMB、DBC借IGBT之风，伴随新能源与电动车领域发展迅猛 国内较为常见的陶瓷基板材料有 Al2O3 、AlN和SiN陶瓷基板，AIN和SiN逐渐开始采用AMB工艺。根据范彬彬在《陶瓷与金属连接的研究及应用进展》对陶瓷的研究发现，基板覆铜的具体工艺因陶瓷材料的种类不同而有所差异，对于Al2O3 陶瓷基板主要采用直接覆铜工艺(DBC)，AlN陶瓷基板可采用DBC或AMB工艺，Si3N4陶瓷基板在生产中较为广泛使用的是AMB工艺。 自上世纪50年代以来，电力电子器件从晶闸管过渡到GTR/GTO/MOSFET，逐渐发展到绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor, IGBT)。与前两代相比，第三代电力电子器件(如IGBT)具有频率高、功率大和开关速度快等优势，在国防军事、航天航空、电动牵引、轨道交通、新能源汽车以及家用电子器件领域得到广泛应用。 由于IGBT输出功率高，发热量大，散热不良将损坏IGBT芯片，因此对IGBT封装而言，散热是关键，必须选用陶瓷基板强化散热。氮化铝、氮化硅陶瓷基板具有热导率高、与硅匹配的热膨胀系数、高电绝缘等优点，非常适用于IGBT以及功率模块的封装。广泛应用于轨道交通、航天航空、电动汽车、智能电网、太阳能发电、变频家电、UPS等领域。根据《陶瓷与金属连接的研究及应用进展》的信息，国内高铁上IGBT模块，主要使用的是由丸和提供的氮化铝陶瓷基板。 根据《电子封装陶瓷基板》的研究显示，目前IGBT封装主要采用DBC陶瓷基板。主要因为DBC基板金属线路层较厚(一般为100 μm ~ 600μ，具有载流能力大、耐高温性好及可靠性高等特点。 DBC陶瓷基板制备首先在(Cu)和陶瓷基片( Al2O3 或AIN)引入氧元素，然后在1065°C形成Cu/O共晶相(金属铜熔点为1083°C)，进而与陶瓷基片和铜箔发生反应生成CuAl0或Cu(Al0)，实现铜箔与陶瓷间共晶键合。由于陶瓷和铜具有良好的导热性，且铜箔与陶瓷间共晶键合强度高，因此DBC基板具有较高的热稳定性，已广泛应用于绝缘栅双极二极管(IGBT)、激光器(LD)和聚焦光伏(CPV)等器件封装散热中。 由于DBC陶瓷基板制备工艺温度高，金属-陶瓷界面应力大，因此AMB技术越来越受到业界关注，特别是采用低温活性焊料。并且AMB方法比较简单，封接件性能也比较可靠，因此后来发展较快，成为电子器件中常用的陶瓷－金属接合方法之一，而且，如今特别适合于非氧化物陶瓷的接合，可以设想，日后AMB技术将在电子、电力、航空、航天等工业上发挥很大的作用。 根据《电子封装陶瓷基板》的研究中显示，DBC和AMB制备中除了工艺不同，是否有氧元素参与是主要区别之一，因此 Al2O3 不适用AMB法。 AMB陶瓷基板利用含少量活性元素的活性金属焊料实现铜箔与陶瓷基片间的焊接。活性焊料通过在普通金属焊料中添加Ti、Zr、Hf、V、Nb或Ta等稀土元素制备，由于稀土元素具有高活性，可提高焊料熔化后对陶瓷的润湿性，使陶瓷表面可与金属实现焊接。AMB基板制备技术是DBC基板工艺的改进(DBC基板制备中铜箔与陶瓷在高温下直接键合，而AMB基板采用活性焊料实现铜箔与陶瓷基片间键合)，通过选用活性焊料可降低键合温度(低于800°C)，进而降低陶瓷基板内