Добре провеждаща топлина керамична част от алуминиев нитрид (AlN), керамичен топлинен шунт

Алуминиевият нитрид (AlN) не е само неорганичен материал, но се счита и за ключов материал в електронното опаковане и полупроводниковите приложения. Неговата кристална структура, доминирана от ковалентни връзки, го прави шестостенен нитрид с диамантоподобна структура и проявява широка забранена зона (6,2 eV) и значителна енергия на свързване на екситони, което го прави директен полупроводник по отношение на забранената зона. Топлопроводността на алуминиевия нитрид достига около 320 W/m·K ·K, сравнимо с BeO и SiC, и повече от 5 пъти по-високо от това на Al2O3. Едновременно с това коефициентът на термично разширение на алуминиевия нитрид е съвместим с кремния и арсенида на галия, което допълнително подобрява потенциала му за приложение в областта на електронното опаковане. Освен това алуминиевият нитрид притежава отлични електрически изолационни, механични и оптични свойства, е нетоксичен и устойчив на корозия при високи температури, което дава нова надежда на полупроводниковата индустрия

Керамичните части от алуминиев нитрид (AlN) са напреднали компоненти, произведени от прах от AlN чрез прецизно формоване и високотемпературно спечаване (1700–1900 °C ) с добавки за спечаване като Y₂O₃ . Те намират широко приложение в електрониката, полупроводниковата индустрия и аерокосмическата област благодарение на своите изключителни термични, електрически и механични свойства.

Греятелят от керамика на алуминиев нитрид притежава висока топлопроводност, отлично изравняване на топлината и електрическа изолация. Греятелите от керамика AlN се използват широко в уреди за производство на полупроводници и могат да се прилагат в системи за вакуумно изпаряване, напръскващи машини и устройства за химическо отлагане от газова фаза (CVD).

Основни свойства

• Топлопроводност: 170–230 W/(m·K), ~6–8 пъти по-висока от тази на Al₂O₃; някои марки достигат 260 W/(m·K).
• Топлинно разширение: ~4,5×10⁻⁶/K, което добре съответства на коефициента за топлинно разширение на кремния (Si) — 3,5–4×10⁻⁶/K, за да се минимизира термичното напрежение.
• Електрическа изолация: Устойчивост >10¹⁴ Ω·cm при стайна температура; запазва стабилността си при високи температури.
• Механични свойства: Твърдост по Викерс ~1200 HV, огъваща якост 300–400 MPa, добра устойчивост на топлинен шок.
• Химическа стабилност: Устойчив към разтопени алуминий и мед, както и към повечето киселини и основи; стабилен до ~1400 °C в окислителни среди.

Ключови приложения

• Електронно опаковане: Подложки, топлоотводи и корпуси за високомощни полупроводникови елементи (IGBT, LED, RF модули) — решава проблемите с натрупването на топлина и термичното несъответствие с кремния.
• Обработка на полупроводници: Частите, устойчиви на плазма (държачи, електростатични хватки, вложки на камерата), използвани в инструменти за травиране/нанасяне.
• Авиация и отбрана: Лека изолация и термично управление при високи температури в авиониката и двигателните системи.
• Оптоелектроника: Разпръсвачи на топлина за лазери и оптични компоненти, изискващи ниско термично разширение и висока топлопроводност.

Производство и персонализация

Типичен процес: Смесване на прахове → формоване (сухо пресоване, ламиниране на фолио, инжекционно формоване) → спечаване (1700–1900 °C с Y₂O₃) → прецизно машинно обработване (шлайфане, полирване, лазерно рязане). Размерите, дебелината, повърхностната шлифовка и металният слой (напр. директно медно свързване) могат да се адаптират според конкретните проектни изисквания.

Преимущества спрямо алтернативите

• По-безопасен от BeO (нетоксичен).
• По-добро топлинно съвпадение с кремний (Si), отколкото с SiC.
• По-висока топлопроводност от Al₂O₃ при съпоставима електрическа изолация.

Предизвикателства

• По-висока цена от Al ₂ O ₃ ; чувствителен към дефекти при обработката, които влияят върху топлопроводността.
• Изисква строг контрол на влажността по време на обработката, за да се предотврати хидролизата.

Керамичните части от AlN са критични за електрониката от ново поколение и високотехнологичните системи, като осигуряват ефективно топлоуправление и надеждна работа в екстремни условия.

Керамичният топлоотвод от AlN е компонент за премиум топлоуправление

използван в електроника с висока производителност и висока надеждност, където е критично едновременното изискване за максимален топлинен пренос и електрическа изолация. Той решава класическия проблем с изолиращите, но топлинно резистивни интерфейси, като осигурява

път, който е едновременно високо топлопроводим и електрически изолиращ.

Материал: Нитрид на алуминий (AlN) е напреднал технически керамичен материал.

Основно свойство: Той притежава изключително висока топлопроводност за

електрически изолатор. Високочистият AlN може да има топлопроводност, която конкурира

тази на метали като алуминий ( ≈ 170–220 W/мK ).

Други свойства: Това е отличен електрически изолатор, има коефициент на

термично разширение (КТР), който добре съвпада с този на кремния и други

полупроводници, както и висока механична якост и химическа стабилност.

Основни приложения:

• Силова електроника: Изолиращи подложки за IGBT, MOSFET, силови модули и LED-опаковки. Предава топлината от полупроводниковия чип към металната основна плоча или радиатор, без нужда от отделна изолираща подложка (която често има по-ниска топлопроводност).
• RF/микровълнови опаковки: Като рамка или капак на прозорец, осигуряващи както герметичен затвор, така и път за отвеждане на топлината от вътрешния RF чип.
• Носачи за лазерни диоди: За монтиране на лазерни диоди, където ефективното отвеждане на топлина е критично за производителността и срока на експлоатация, като се запазва електрическата изолация.
• Приложения при високо напрежение и висока честота: Където са необходими както превъзходни топлопроводни характеристики, така и висока диелектрична якост.

 Типичен дизайн и употреба:

Една топлопроводна прокладка от AlN често се представя като точно изработена плоча, разстоятел или

подложка. Тя може да има:

• Метализирани проводни линии или площадки от едната или двете страни (използвайки Mo-Mn или дебелослойни технологии) за заваряване или лепене към други компоненти.
• Отвори или преходни отвори за електрически връзки.
• Обикновено се лепи или заваря между горещия компонент (напр. полупроводников чип) и системата за охлаждане (напр. меден радиатор).

Технически спецификации