Ceramisch onderdeel van aluminiumnitride met goede thermische geleidbaarheid, AlN-ceramiek warmteafvoer

Aluminiumnitride (AlN) is niet alleen een anorganisch materiaal, maar wordt ook beschouwd als een sleutelmateriaal voor elektronische verpakkingen en halfgeleiderapplicaties. Zijn kristalstructuur, die gedomineerd wordt door covalente bindingen, maakt het tot een hexagonaal, diamantachtig nitride en vertoont een brede bandgap (6,2 eV) en een aanzienlijke excitonbindingsenergie, waardoor het een halfgeleider met directe bandgap is. De thermische geleidbaarheid van aluminiumnitride bedraagt ongeveer 320 W/m ·K, vergelijkbaar met BeO en SiC, en meer dan vijf keer zo hoog als die van Al2O3. Tegelijkertijd is de uitzettingscoëfficiënt van aluminiumnitride compatibel met silicium en galliumarsenide, wat het toepassingspotentieel in het gebied van elektronische verpakkingen verder vergroot. Bovendien vertoont aluminiumnitride uitstekende elektrische isolatie-, mechanische en optische eigenschappen, is het niet-toxisch en bestand tegen corrosie bij hoge temperaturen, waardoor het nieuwe hoop biedt aan de halfgeleiderindustrie

Ceramische onderdelen van aluminiumnitride (AlN) zijn geavanceerde componenten die worden vervaardigd uit AlN-poeder via precisievorming en sintervan bij hoge temperatuur (1700–1900 °C ) met sinterhulpmiddelen zoals Y₂O₃ . Ze worden op grote schaal toegepast in de elektronica-, halfgeleider- en ruimtevaartsector vanwege hun uitzonderlijke thermische, elektrische en mechanische eigenschappen.

De keramische verwarmingsplaat van aluminiumnitride heeft eigenschappen zoals een hoge thermische geleidbaarheid, uitstekende warmteverdeling en elektrische isolatie. De AlN-keramische verwarmingsplaat wordt veel gebruikt in halfgeleiderproductieapparatuur en kan worden ingezet in vacuümverdampingsystemen, sputtermachines en CVD-apparatuur.

Belangrijkste eigenschappen

• Thermische geleidbaarheid: 170–230 W/(m·K), ongeveer 6–8× hoger dan Al₂O₃; sommige kwaliteiten bereiken 260 W/(m·K).
• Thermische uitzettingscoëfficiënt: ca. 4,5×10⁻⁶/K, wat nauw aansluit bij die van silicium (3,5–4×10⁻⁶/K) om thermische spanning te minimaliseren.
• Elektrische isolatie: Weerstand >10¹⁴ Ω·cm bij kamertemperatuur; blijft stabiel bij hoge temperaturen.
• Mechanisch: Vickers-hardheid ca. 1200 HV, buigsterkte 300–400 MPa, goede weerstand tegen thermische schokken.
• Chemische stabiliteit: Bestand tegen gesmolten aluminium en koper, de meeste zuren en basen; stabiel tot ca. 1400 °C in oxidiserende omgevingen.

Belangrijke Toepassingen

• Elektronische verpakking: Substraten, koellichamen en behuizingen voor hoogvermogenshalfgeleiders (IGBT’s, LED’s, RF-modules) — oplossing voor warmteopbouw en thermische mismatch met silicium.
• Halfgeleiderverwerking: Plasmaresistente onderdelen (chuck, elektrostatische klem, kamerbekleding) voor ets- en afzetapparatuur.
• Lucht- en ruimtevaart & defensie: Lichtgewicht isolatie en thermisch beheer bij hoge temperaturen in avionica- en aandrijfsystemen.
• Opto-elektronica: Warmteverspreiders voor lasers en optische componenten die een lage uitzettingscoëfficiënt en hoge thermische geleidbaarheid vereisen.

Vervaardiging en aanpassing

Typisch proces: Poedermenging → vormgeven (droogpersen, tape-gieten, spuitgieten) → sinteren (1700–1900 °C met Y₂O₃) → precisiebewerking (slijpen, polijsten, lasersnijden). Onderdelen kunnen worden afgestemd op afmeting, dikte, oppervlakteafwerking en metallisatie (bijv. directe koperbinding) om te voldoen aan specifieke ontwerpvereisten.

Voordelen ten opzichte van alternatieven

• Veiliger dan BeO (niet-toxisch).
• Betere thermische aanpassing aan Si dan SiC.
• Hogere thermische geleidbaarheid dan Al₂O₃ met vergelijkbare isolatie-eigenschappen.

Uitdagingen

• Hogere kosten dan Al 2. O 3. ; gevoelig voor verwerkingsgebreken die de thermische geleidbaarheid beïnvloeden.
• Vereist strikte vochtbeheersing tijdens de verwerking om hydrolyse te voorkomen.

AlN-ceramische onderdelen zijn essentieel voor elektronica van de volgende generatie en hoogwaardige technologische systemen, waardoor efficiënt warmtebeheer en betrouwbare prestaties onder extreme omstandigheden mogelijk zijn.

Een AlN-ceramische warmteafvoer is een hoogwaardig component voor warmtebeheer

dat wordt gebruikt in elektronica met hoge prestaties en hoge betrouwbaarheid, waarbij tegelijkertijd maximale warmteoverdracht én elektrische isolatie cruciaal zijn. Het lost het klassieke probleem op van isolerende maar thermisch weerstand biedende interfaces door een

pad te bieden dat zowel zeer goed geleidend als isolerend is.

Materiaal: aluminiumnitride (AlN) is een geavanceerde technische keramiek.

Belangrijkste eigenschap: het heeft een uitzonderlijk hoge thermische geleidbaarheid voor een

elektrische isolator. Hoogzuiver AlN kan een thermische geleidbaarheid hebben die vergeleek kan worden met die van metalen zoals aluminium (

) ≈ 170–220 W/mK ).

Overige eigenschappen: Het is een uitstekende elektrische isolator, heeft een coëfficiënt van

thermische uitzetting (CTE) die nauw aansluit bij siliconen en andere

halfgeleiders, en beschikt over een hoge mechanische sterkte en chemische stabiliteit.

Primaire toepassingen:

• Vermogenselektronica: Isolerende substraatplaten voor IGBT’s, MOSFET’s, vermogensmodules en LED-verpakkingen. Het voert warmte af van de halfgeleiderchip naar de metalen basisplaat of koellichaam, zonder dat een aparte isolerende pad nodig is (die vaak een lagere thermische geleidbaarheid heeft).
• RF-/microgolfverpakkingen: Als raam- of dekselconstructie die zowel een hermetische afdichting biedt als een weg voor warmteafvoer vanaf de interne RF-chip.
• Dragers voor laserdiodes: Voor het monteren van laserdiodes, waarbij efficiënte warmteafvoer essentieel is voor prestaties en levensduur, terwijl elektrische isolatie behouden blijft.
• Toepassingen met hoog voltage en hoge frequentie: Waar zowel superieure thermische prestaties als een hoge diëlektrische sterkte vereist zijn.

 Typisch ontwerp en gebruik:

Een AlN-warmteafvoerplaat komt vaak voor als een nauwkeurig bewerkte plaat, afstandhouders of

substraat. Het kan het volgende bevatten:

• Gemetaliseerde geleidingsbanen of pads aan één of beide zijden (met behulp van Mo-Mn- of dikfilmtechnieken) voor het lassen of solderen aan andere componenten.
• Doorgaande gaten of via’s voor elektrische verbindingen.
• Het wordt doorgaans gesoldeerd of gelast tussen de warme component (bijv. een halfgeleiderdie) en de koeloplossing (bijv. een koperen heatsink).

Technische specificaties