Hyvä lämmönjohtavuus, alumiininitridi-keramiikasta valmistettu osa, AlN-keramiikkaa käytetään lämmönjakajana

Alumiininitridi (AlN) ei ole ainoastaan epäorgaaninen materiaali, vaan sitä pidetään myös avainmateriaalina elektroniikkapakkausten ja puolijohdesovellusten alalla. Sen kovalenttisista sidoksista muodostuva kiteinen rakenne tekee siitä heksagonaalisen timanttimaisen nitridin ja se osoittaa laajaa energiaväliä (6,2 eV) ja merkittävää eksitoni-sidosenergiaa, mikä tekee siitä suoran energiavälin puolijohteen. Alumiininitridin lämmönjohtavuus on noin 320 W/m ·K, joka on verrattavissa BeO:n ja SiC:n lämmönjohtavuuteen ja yli viisi kertaa suurempi kuin Al2O3:n. Samalla sen lämpölaajenemiskerroin on yhteensopiva piin ja galliumarsenidin kanssa, mikä lisää entisestään sen soveltuvuutta elektroniikkapakkausten alalla. Lisäksi alumiininitridi osoittaa erinomaisia sähköeristys-, mekaanisia ja optisia ominaisuuksia, on myrkytön ja kestää korkealämpöistä korroosiota, mikä tuo uutta toivoa puolijohdeteollisuudelle.

Alumiininitridi (AlN) -keraamiosat ovat edistyneitä komponentteja, jotka valmistetaan AlN-jauheesta tarkkaa muotointia ja korkealämpöistä sintrausta (1700–1900 °C) käyttäen sintrauslisäaineita, kuten Y₂O₃ . Niitä käytetään laajalti elektroniikassa, puolijohteissa ja avaruustekniikassa niiden poikkeuksellisten lämmön-, sähkö- ja mekaanisten ominaisuuksien vuoksi.

Alumiininitridi-keramiikkalämmittimellä on ominaisuuksia, kuten korkea lämmönjohtavuus, erinomainen lämpöyhtäläistäminen ja sähköeristävyys. AlN-keramiikkalämmittimiä käytetään laajalti puolijohdevalmistuslaitteissa, ja niitä voidaan käyttää myös tyhjiöhöyrystysjärjestelmissä, sputterointilaitteissa ja CVD-laitteissa.

Keskeiset ominaisuudet

• Lämmönjohtavuus: 170–230 W/(m·K), noin 6–8-kertainen verrattuna Al₂O₃:een; joissakin laaduissa saavutetaan jopa 260 W/(m·K).
• Lämpölaajenemiskerroin: n. 4,5×10⁻⁶/K, mikä vastaa hyvin piin (Si) arvoa (3,5–4×10⁻⁶/K) ja vähentää lämpöjännitystä.
• Sähköeristävyys: Resistanssi yli 10¹⁴ Ω·cm huoneenlämmössä; pysyy vakiona korkeissa lämpötiloissa.
• Mekaaniset ominaisuudet: Vickers-kovuus n. 1200 HV, taivutuslujuus 300–400 MPa, hyvä lämpövaihteluvarmuus.
• Kemiallinen stabiilius: Kestävä sulassa alumiinissa ja kuparissa sekä useimmissa hapoissa ja emäksisissä liuoksissa; stabiili aina noin 1400 °C:n lämpötilaan asti hapettavissa olosuhteissa.

Tärkeät sovellukset

• Elektroniikkapakkaus: Alustat, lämmönpoistimet ja pakkaukset tehokkaille puolijohteille (IGBT:t, LED:t, RF-moduulit) — ratkaisee lämmön kertymisen ja lämpölaajenemisen epäyhtäläisyyden piin kanssa.
• Puolijohdeteollisuus: Plasmankestävät osat (kiinnityslevyt, sähköstaattiset kiinnikkeet, kammion sisäverkot) etch-/karakterointityökaluihin.
• Ilmailu ja puolustusteollisuus: kevyt, korkealämpötilainen eristys ja lämmönhallinta elektroniikkajärjestelmissä ja propulsiojärjestelmissä.
• Optoelektroniikka: laserlämmönjakajat ja optiset komponentit, joille vaaditaan alhainen lämpölaajenemiskerroin ja korkea lämmönjohtavuus.

Valmistus ja mukauttaminen

Tyypillinen prosessi: jauheiden sekoittaminen → muotoilu (kuivapuristus, kalvovalmistus, suurpainevalumuotti) → sintraus (1700–1900 °C Y₂O₃:n kanssa) → tarkkuuskoneistus (hiominen, hiomakulmaus, laserleikkaus). Osia voidaan mukauttaa koon, paksuuden, pinnanlaatutason ja metallointityyppin (esim. suora kupariliitos) mukaan tiettyihin suunnittelutarpeisiin.

Etulyötyminen verrattuna vaihtoehtoihin

• Turvallisempi kuin BeO (ei myrkkyvaikutteinen).
• Parempi lämpölaajenemisominaisuuden yhteensopivuus piin kanssa kuin piikarbidi.
• Korkeampi lämmönjohtavuus kuin Al₂O₃:lla samalla eristysominaisuudella.

Haasteet

• Korkeampi hinta kuin Al:lla ₂ O ₃ ; herkkä käsittelyvirheille, jotka vaikuttavat lämmönjohtavuuteen.
• Käsittelyn aikana vaaditaan tiukkaa kosteuden hallintaa estääkseen hydrolyysin.

AlN-keramiikkakomponentit ovat ratkaisevan tärkeitä seuraavan sukupolven elektroniikalle ja korkeateknologisille järjestelmille, mahdollistaen tehokkaan lämmönhallinnan ja luotettavan suorituskyvyn äärimmäisissä olosuhteissa.

AlN-keramiikkainen lämmönsiirtolevy on premium-luokan lämmönhallintakomponentti

korkean suorituskyvyn ja luotettavuuden elektroniikassa, jossa samanaikainen tarve maksimaaliselle lämmönsiirrolle ja sähköiselle eristykselle on ratkaisevan tärkeä. Se ratkaisee klassisen ongelman eristeisistä, mutta lämpöresistisiä rajapintoja tarjoavista materiaaleista tarjoamalla

polun, joka on sekä erinomaisen lämmönjohtava että sähköisesti eristeinen.

Materiaali: Alumiininitridi (AlN) on edistynyt tekninen keramiikka.

Tärkein ominaisuus: Se on erinomaisen lämmönjohtava sähköeriste.

korkealaatuinen AlN voi olla lämmönjohtavuudeltaan vertailukelpinen metallien, kuten alumiinin,

kanssa. ≈ 170–220 W/mK ).

Muut ominaisuudet: Se on erinomainen sähköeriste, sen lämpölaajenemiskerroin (CTE) vastaa läheisesti piin ja muiden puolijohteiden lämpölaajenemiskerrointa, ja sillä on korkea mekaaninen lujuus sekä kemiallinen vakaus.

lämpölaajenemiskerroin (CTE) vastaa läheisesti piin ja muiden puolijohteiden lämpölaajenemiskerrointa, ja sillä on korkea mekaaninen lujuus sekä kemiallinen vakaus.

lämpölaajenemiskerroin (CTE) vastaa läheisesti piin ja muiden puolijohteiden lämpölaajenemiskerrointa, ja sillä on korkea mekaaninen lujuus sekä kemiallinen vakaus.

Ensisijaiset käyttösovellukset:

• Tehoelektroniikka: Eristävät alustat IGBT-kytkimille, MOSFET-kytkimille, tehomoduuleille ja LED-pakkausyksiköille. Se siirtää lämpöä puolijohdekiteestä metallipohjalevyyn tai jäähdytyskappaleeseen ilman erillistä eristävää padia (jolla on usein heikompi lämmönjohtavuus).
• RF-/mikroaaltopakkausyksiköt: Ikkunakehys tai kansi, joka tarjoaa sekä tiukankatkon sulkeuman että reitin lämmön poistumiselle sisäisestä RF-kiteestä.
• Laserdiodikannattimet: Laserdiodien kiinnitykseen, jossa tehokas lämmönpoisto on ratkaisevan tärkeää suorituskyvyn ja käyttöiän kannalta samalla kun sähköinen eristys säilyy.
• Korkeajännitteiset ja korkeataajuuiset sovellukset: Joissa vaaditaan sekä erinomaista lämmönjohtavuutta että korkeaa eristyslujuutta.

 Tyypillinen suunnittelu ja käyttö:

AlN-lämmönjohtoalue tulee usein tarkasti koneistettuna levyynä, eristelevänä tai

alustana.

• Metallisoituja johdinradia tai liitospintoja yhdellä tai molemmilla puolilla (molybdeenimangaanitekniikkaa tai paksukalvotekniikkaa käyttäen) kiinnitystä varten muuhun komponenttiin juottamalla tai kuumajuottamalla.
• Läpikuultavia reikiä tai läpijuotteita sähköisten liitosten varmistamiseksi.
• Sitä kiinnitetään yleensä juottamalla tai kuumajuottamalla kuumennetun komponentin (esim. puolijohdekiekko) ja jäähdytysratkaisun (esim. kuparista valmistetun lämmönvaihtimen) väliin.

Tekniset tiedot