Díl z keramiky z nitridu hlinitého s dobrým tepelným vodivostí, keramika AlN pro odvod tepla

Nitrid hlinitý (AlN) není pouze anorganický materiál, ale také je považován za klíčový materiál v oblasti elektronického balení a polovodičových aplikací. Jeho krystalová struktura, kterou převládají kovalentní vazby, jej činí šesterečným nitridem podobným diamantu a vykazuje širokou zakázanou pásmovou mezeru (6,2 eV) a významnou vazební energii excitonů, čímž se stává polovodičem s přímou zakázanou pásmovou mezerou. Tepelná vodivost nitridu hlinitého dosahuje až přibližně 320 W/m·K. ·K, srovnatelné s BeO a SiC, a více než pětkrát vyšší než u Al2O3. Zároveň je jeho koeficient tepelné roztažnosti kompatibilní s křemíkem a arsenidem gallia, což dále zvyšuje jeho potenciál využití v oblasti elektronického balení. Kromě toho aluminium nitrid vykazuje vynikající elektrickou izolaci, mechanické a optické vlastnosti, je netoxický a odolný vůči korozí za vysokých teplot, čímž přináší novou naději polovodičovému průmyslu.

Keramické součásti z nitridu hlinitého (AlN) jsou pokročilé komponenty vyrobené z prášku AlN prostřednictvím přesného formování a vysokoteplotního slinování (1700–1900 °C ) se slinovacími přísadami, jako je Y₂O₃ . Jsou široce využívány v elektronice, polovodičích a letecké a kosmické technice díky svým vynikajícím tepelným, elektrickým a mechanickým vlastnostem.

Ohřívač z keramiky z nitridu hlinitého má vlastnosti vysoké tepelné vodivosti, vynikající rovnoměrnosti rozvodu tepla a elektrické izolace. Keramické ohřívače z AlN se široce používají v zařízeních pro výrobu polovodičů a lze je využít v systémech pro vakuovou destilaci, naprašovacích strojích a zařízeních pro chemické vylučování z plynné fáze (CVD).

Základní vlastnosti

• Tepelná vodivost: 170–230 W/(m·K), přibližně 6–8× vyšší než u Al₂O₃; některé třídy dosahují až 260 W/(m·K).
• Teplotní roztažnost: přibližně 4,5×10⁻⁶/K, což velmi dobře odpovídá křemíku (3,5–4×10⁻⁶/K) a minimalizuje tak tepelné namáhání.
• Elektrická izolace: měrný elektrický odpor >10¹⁴ Ω·cm za pokojové teploty; zůstává stabilní i při vysokých teplotách.
• Mechanické vlastnosti: tvrdost podle Vickersa přibližně 1200 HV, mez pevnosti v ohybu 300–400 MPa, dobrá odolnost proti tepelným šokům.
• Chemická stabilita: odolný vůči roztaveným kovům hliník a měď, většině kyselin a zásad; stabilní až do teploty přibližně 1400 °C v oxidujícím prostředí.

Hlavní aplikace

• Elektronické obaly: podložky, teplosměny a obaly pro výkonné polovodičové součástky (IGBT, LED, RF moduly) – řeší problém hromadění tepla a tepelné nesouladu s křemíkem.
• Zpracování polovodičů: Díly odolné vůči plazmě (upínače, elektrostatické upínací svěrky, vložky komor) pro nástroje k leptání a usazování.
• Letectví a obrana: Lehká izolace a řízení tepla při vysokých teplotách v avionických a pohonných systémech.
• Optoelektronika: Rozváděče tepla pro lasery a optické komponenty vyžadující nízkou teplotní roztažnost a vysokou tepelnou vodivost.

Výroba a přizpůsobení

Typický proces: Míchání prášku → tvarování (suché lisování, lití pásky, vstřikování) → sintrování (1700–1900 °C za přítomnosti Y₂O₃) → přesné obrábění (broušení, lapování, laserové řezání). Rozměry dílů, tloušťka, povrchová úprava i metalizace (např. přímé měděné spojení) lze přizpůsobit konkrétním konstrukčním požadavkům.

Výhody oproti alternativám

• Bezpečnější než BeO (netoxický).
• Lepší tepelná shoda se Si než u SiC.
• Vyšší tepelná vodivost než u Al₂O₃ při srovnatelné izolační schopnosti.

Výzvy

• Vyšší cena než u Al ₂ O ₃ ; citlivé na výrobní vady ovlivňující tepelnou vodivost.
• Vyžaduje přísnou kontrolu vlhkosti během zpracování, aby se zabránilo hydrolýze.

Keramické součásti z AlN jsou klíčové pro elektroniku nové generace a vysoce technologické systémy, neboť umožňují účinné řízení tepla a spolehlivý provoz za extrémních podmínek.

Keramický tepelný mostík z AlN je komponent vyšší třídy pro řízení tepla

používaný v elektronice vysoce výkonné a vysoké spolehlivosti, kde je kritická současná potřeba maximálního přenosu tepla a elektrické izolace. Řeší klasický problém izolačních rozhraní s vysokým tepelným odporem tím, že poskytuje

cestu, která je zároveň vysoce tepelně vodivá a elektricky izolační.

Materiál: Nitrid hlinitý (AlN) je pokročilá technická keramika.

Klíčová vlastnost: Má mimořádně vysokou tepelnou vodivost pro

elektrický izolátor. Vysoce čistý AlN může mít tepelnou vodivost srovnatelnou

s kovy jako je hliník ( ≈ 170–220 W/mK ).

Další vlastnosti: Jedná se o vynikající elektrický izolant, má koeficient

teplotní roztažnosti (CTE), který velmi dobře odpovídá křemíku a jiným

polovodičům, a vyznačuje se vysokou mechanickou pevností a chemickou stabilitou.

Primární aplikace:

• Výkonová elektronika: Izolační podložky pro IGBT tranzistory, MOSFET tranzistory, výkonové moduly a LED pouzdra. Odvádí teplo z polovodičového čipu na kovovou základnu nebo chladič bez nutnosti samostatné izolační podložky (která často má nižší tepelnou vodivost).
• RF/mikrovlnná pouzdra: Jako rámeček okna nebo víko, které zajišťuje jak hermetické uzavření, tak cestu pro odvod tepla z vnitřního RF čipu.
• Nosné desky pro laserové diody: Pro upevnění laserových diod, kde je účinný odvod tepla rozhodující pro výkon a životnost zařízení, přičemž je zachována elektrická izolace.
• Aplikace s vysokým napětím a vysokou frekvencí: Tam, kde jsou vyžadovány jak vynikající tepelné vlastnosti, tak vysoká průrazná pevnost.

 Typický návrh a použití:

AlN tepelný odváděč často přichází jako přesně obráběná deska, vzdáleník nebo podložka.

může mít:

• Metalizované vodivé dráhy nebo plošky na jedné nebo obou stranách (pomocí technik Mo-Mn nebo tlustovrstvé metalizace) pro pájení nebo lepení k jiným součástem.
• Průchodné otvory nebo přechodové otvory (vias) pro elektrická připojení.
• Obvykle je pájen nebo pájen za studena mezi horkou součástí (např. polovodičový čip) a chladicím řešením (např. měděný chladič).

Technické specifikace