Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrid: Wissenswertes

Aluminiumnitrid hat mit der Weiterentwicklung der Keramikindustrie an Bedeutung gewonnen. AlN zeichnet sich durch hervorragende Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolierung aus. AlN bietet außerdem den Vorteil, dass es bei der Bearbeitung keine Gesundheitsgefährdung für Arbeiter darstellt. Daher gilt AlN als überlegen gegenüber anderen Keramiken der Konkurrenz.

Eigenschaften von AlN: Eine Kurzanleitung zum Nachschlagen

Hier finden Sie eine Kurzanleitung zu allen Eigenschaften von Aluminiumnitrid. Die Tabelle hilft Ihnen, den Anwendungskontext von AlN einzuschätzen.

Wie wird Aluminiumnitrid synthetisiert?

Aluminiumnitrid kann durch direkte Nitrierung von Aluminiumoxid hergestellt werden. Eine weitere Produktionsmethode ist die thermische Reduktion von Aluminiumoxid durch Kohlenstoffbindung. Die kovalenten Bindungen im AlN sind sehr stark, was das Sintern erschwert. Für die Herstellung von AlN durch Sintern benötigt das Material spezielle Additive in flüssiger Form.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von Hochleistungskeramik. Die weltweite Produktion von Nitridkeramik erfolgt grundsätzlich durch isostatisches Pressen oder Trockenpressen. Weitere Verfahren sind das Spritzgießen mit Keramik oder das Niederdruck-Spritzgießen. Das Sinterverfahren von AlN umfasst das Funkenplasmasintern, das drucklose Sintern und das Mikrowellensintern.

Es gibt zwei Arten der Formgebung von Nitridkeramik: die Trockenformung und die Nassformung. Die Trockenformung kann entweder normal oder kaltisostatisch erfolgen. Die Nassformung dient der Herstellung komplexer Formen. Zu den Verfahren gehören Schlickerguss, Tape-Gel-Gießen und Spritzguss.

Detaillierte Informationen zu den physikalischen Eigenschaften von Aluminiumnitrid

Aluminiumnitrid steht, wie der Name schon sagt, für Nitrid in fester Form, bestehend aus Aluminiumoxid. Es weist eine große Bandlücke auf. Die geringe Atommasse und die höheren interatomaren Bindungen verleihen der Keramik Festigkeit. Es weist im Allgemeinen eine Wurtzit-Kristallstruktur auf und besitzt zudem eine metastabile kubische Phase.

Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium liegt zwischen 150 und 320 W/m K. Die elektrische Leitfähigkeit von Aluminiumnitrid liegt bei etwa 10-11 bis 10-13. Bei Dotierung reduziert sich die Leitfähigkeit auf 10-5 oder 10-6. Aluminium in seiner Wurtzitphase findet Anwendung in der optischen Elektronik.

AlN ist bei hohen Temperaturen von etwa 2200 °C stabil. Die Morphologie besteht aus Oxidschichten auf der Oberfläche, die das Material bei einer Betriebstemperatur von 1370 °C schützen. Hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit ist es anfällig für Angriffe durch Alkalien und Mineralsäuren. Die Nitridkeramik ist jedoch beständig gegen Angriffe durch geschmolzene Salze.

AlN-Eigenschaften: Ein Überblick

Hier ist eine kurze Zusammenfassung der wichtigsten Eigenschaften von AlN

• Hohe Betriebstemperatur

• Hervorragende Wärmeleitfähigkeit, die 5-mal höher ist als bei Aluminiumoxid

• Der CTE-Wert von Aln ist niedrig

• Der Wert der Dielektrizitätskonstante ist geringer

• Guter elektrischer Widerstand und gute Isolationseigenschaften

• Gute Druckfestigkeit

• Gute Korrosionsbeständigkeit außer Säuren und Laugen

• Die Reinheit von AlN ist höher

Aluminiumnitrid CTE

Der Wärmeausdehnungskoeffizient gibt uns einen anschaulichen Eindruck vom Temperaturverhalten des Materials. Hochleistungskeramiken sind für ihre geringere Wärmeausdehnung bekannt. Der WAK-Wert gibt Aufschluss darüber, wie sich das Material unter Temperatur ausdehnt. Unter Wärmeeinwirkung bleibt die atomare Struktur jedoch stabil, wenn sich das Material ausdehnt.

Im Vergleich zu Metallen weist Hochleistungskeramik wie AlN einen halb so großen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Der geringere WAK-Wert sorgt dafür, dass sie auch unter Druck ihre mechanische Festigkeit behält. Zirkonoxid und Aluminiumoxid weisen die höchste Wärmeausdehnung auf, Siliziumnitrid und Hartmetall hingegen die niedrigste.

 Der WAK von Aluminiumnitrid liegt im Bereich von 5,3 bis 4,2 (x 10-6) K-1 entlang der x- und z-Achse bei einem Arbeitstemperaturbereich von 300 K. Der WAK von Aluminiumnitrid wird als gleichwertig mit Silizium angesehen.

Wärmeausdehnungskoeffizient und Effizienz des Keramiksubstrats

Obwohl AlN sich durch gute Temperaturübertragung und elektrischen Widerstand auszeichnet, was die Mikroelektronik unterstützt, wollen wir sehen, welchen Einfluss der CTE auf die Funktion von Aln-basierten Keramiksubstraten hat.

Auswirkungen der Wärmeausdehnung im DBC-Substrat

Das DBC-Substrat besteht aus Aln oder Siliziumnitrid, das mit Kupfer verbunden ist. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen Aln, Cu und SiN (4,5 ppm, 17 ppm und 3 ppm) verursachen hohe mechanische Spannungen. Diese Spannungen führen zu Rissen in der Geometrie. Die Risse entstehen durch Schockzyklen beim Erhitzen und Abkühlen der Keramik.

Die Steuerung des WAK ist daher entscheidend für die langfristige Funktionsfähigkeit von Keramiksubstraten. Ein Vergleich der unterschiedlichen WAK verschiedener Keramikmaterialien wurde oben gegeben.

Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrid

Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie gut ein Material Wärmeenergie durchlässt. AlN hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Zudem besitzt es einen hohen elektrischen Widerstand, was es zu einem hervorragenden Wärmeableitungsmaterial macht. Die Leitfähigkeit von Keramik wird durch verschiedene Eigenschaften beeinflusst.

Das Vorhandensein von Verunreinigungen kann die Wärmeübertragung erheblich beeinträchtigen. Mit zunehmender Sauerstoffverunreinigung steigt die Leitfähigkeit von AlN. Darüber hinaus verringert die Anzahl der Leerstellen im Kristallgitter oder Silizium- und Kohlenstoffverunreinigungen die Wärmeleitfähigkeit.

Die Wärmeeigenschaften von AlN können während des Produktionsprozesses gesteuert werden. Veränderungen der Mikrostruktur und die unterschiedlichen Bedingungen während der Verarbeitung tragen dazu bei, den Wärmefluss zu variieren. Die Verwendung hochreiner Pulver und die angewandte Sintermethode erhöhen die Wärmeleitfähigkeit deutlich.

Wärmeleitfähigkeit von AlN, warum wird es BeO vorgezogen?

BeO und AlN haben beide Keramiken eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Daher können sie bei hohen Temperaturen eingesetzt werden. Sehen wir uns an, inwiefern AlN BeO übertrifft.

Berylliumoxid (BeO)

Die Wärmeleitfähigkeit von Beo liegt im Bereich von 330 W/Mk. Sie werden hauptsächlich dort eingesetzt, wo Wärmemanagement entscheidend ist. Berylliumoxid wird aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit als Substrat und Isolator verwendet. Eine weitere Anwendung ist die Herstellung von Röhren in Mikrowellen, wo thermische Stabilität wichtig ist.

Das Problem mit BeO ist seine Toxizität. Berylliumoxid ist gefährlich und erfordert sorgfältige Handhabung. Das Recycling und die Wiederverwendung der Keramik sind im Umgang mit BeO recht problematisch.

Aluminiumnitrid (AlN)

Die Leitfähigkeit von Aluminiumnitrid ist im Vergleich zu BeO im Bereich von 170–210 W/mK vergleichsweise geringer. Nitridkeramik findet dort Anwendung, wo Ungiftigkeit gefragt ist. ALN-Keramik wird in LEDs und der Halbleiterelektronik zur Wärmeableitung eingesetzt. Aufgrund der genannten Vorteile wird AlN in der Leistungselektronik BeO vorgezogen.

Aln weist einen hohen elektrischen Widerstand und eine hohe Wärmebeständigkeit auf, was es zu einem besseren Isoliermaterial macht. Aluminiumnitrid wird bevorzugt bei Hochtemperaturanwendungen eingesetzt und kommt in der Verbraucherelektronik zum Einsatz, um unsichere Handhabungssituationen zu vermeiden.

Leitfähigkeiten verschiedener Keramiken: eine Übersicht

Die obige Grafik zeigt einen Vergleich der Leitfähigkeit verschiedener Keramikmaterialien. Generell gilt, dass Materialien mit geringerer Leitfähigkeit als elektrischer Isolator bevorzugt werden. Zirkonoxid weist laut Tabelle eine geringere Leitfähigkeit auf und eignet sich daher gut als Isolator. Die Wärmeleitfähigkeit von AlN ist sehr hoch, ebenso die Wärmeableitung.

Die Leitfähigkeit von Aln wird beispielsweise in Hochleistungs-LEDs und Dioden eingesetzt. Diese Geräte erzeugen in der Regel Wärme. Die Wärmeableitungseigenschaft von AlN hilft, Überhitzung zu vermeiden. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und sorgt für eine längere Lebensdauer.

Die beiden gängigen Techniken zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von AlN sind die Heißdrahtmethode und die transiente Heißstreifenmethode.

Industrielle Verwendung von AlN

Nachfolgend sind die gängigen industriellen Verwendungszwecke von Aluminiumnitridkeramik aufgeführt:

• Feuerfest: AlN ist ein gutes Feuerfestmaterial. Es wird als Tiegelauskleidung oder zur strukturellen Unterstützung von Gussformen und zugehörigem Zubehör verwendet.

• Elektronisches SubstratAlN-Substrate werden in militärischen Multichip-Modulen eingesetzt. Sie dienen als Wärmeableitungsplatten in der Leistungselektronik, in Laserdioden und als LED-Kühlkörper. Die Wärmeableitungskapazität ist auf ihre bessere Leitfähigkeit zurückzuführen.

• Automobile: Aluminiumnitrid wird in thermischen und gasbasierten Hybrid-Zündmotoren von Automobilen verwendet. Es ist bei hohen Temperaturen stabil.

• Verpackungsmaterial: Aluminiumnitride sind gute Verpackungsmaterialien, die hitzebeständig und langlebig sind.

Abschluss

Die Einführung von Aluminiumnitrid bietet optimale Funktionalität für Hochtemperaturanwendungen. Die höhere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu vergleichbaren Werkstoffen ermöglicht die Entwicklung effizienter Wärmeableitungssysteme in der Leistungselektronik. Kurz gesagt: Die Lebensdauer und Leistung der Materialien wird erhöht, was ein Vorteil von Aluminiumnitrid ist.