Aluminiumnitrid – Das angesagteste Substratmaterial

Seit Beginn des 21. Jahrhunderts hat sich mit der rasanten Entwicklung der Elektroniktechnologie der Integrationsgrad und die Bestückungsdichte elektronischer Bauteile kontinuierlich verbessert. Dadurch ist die Wärmeableitung zu einem Schlüsselfaktor für die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Geräte geworden. Am Beispiel von Hochleistungs-LEDs lässt sich dies verdeutlichen: Nur etwa 20 bis 30 % der Eingangsleistung werden in Lichtenergie umgewandelt, während die restlichen 70 bis 80 % in Wärme umgewandelt werden. Die Ansammlung dieser großen Wärmemenge kann schwerwiegende Folgen haben.

Durch die Verwendung von Gehäusesubstraten zur Wärmeableitung vom Chip (Wärmequelle) wird ein Wärmeaustausch mit der Umgebung erreicht und somit die Wärmeabfuhr sichergestellt. Keramische Werkstoffe haben sich aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, ausgezeichneten Hitzebeständigkeit, hohen Isolationsfähigkeit, hohen Festigkeit und Kompatibilität mit den thermischen Eigenschaften der Chipmaterialien als gängige Materialien für Gehäusesubstrate von Leistungshalbleitern etabliert.

Mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und umfassenden Leistungsfähigkeit ist es wahrhaft faszinierend.

Lange Zeit zählten Aluminium zu den gebräuchlichsten Keramiksubstraten.₂DER₃, SiC und BeO. Al₂DER₃ Keramik wurde zuerst entwickelt und verfügt über die ausgereifteste Herstellungstechnologie, die niedrigsten Kosten und das breiteste Anwendungsgebiet. Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium ist jedoch gering.₂DER₃ Die Wärmeleitfähigkeit von Keramik beträgt lediglich 17–25 W/(m·K), und ihr Wärmeausdehnungskoeffizient ist schlecht mit dem von Halbleitermaterialien wie Silizium (Si) und Galliumarsenid (GaAs) abgestimmt, was ihren Einsatz in Hochfrequenz-, Hochleistungs- und hochintegrierten Schaltungen einschränkt. Obwohl SiC-Keramiksubstrate eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen dem von Si sehr ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, zeigen sie schlechte dielektrische Eigenschaften, hohe Sinterverluste und hohe Kosten. Hinzu kommt die Schwierigkeit, dichte Produkte herzustellen, was ihre Massenanwendung begrenzt. Berylliumoxid (BeO) besitzt zwar eine mit AlN vergleichbare Wärmeleitfähigkeit, sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist jedoch extrem hoch, und BeO-Pulver ist giftig; das Einatmen kann zu chronischer Berylliumkrankheit führen, weshalb die meisten Länder weltweit seine Verwendung eingestellt haben.

Wie verhält sich Aluminiumnitrid? Schauen wir uns das genauer an:

1. Außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit: AlN weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, mit einem theoretischen Maximum von 320 W/(m·K) bei Raumtemperatur – etwa 8- bis 10-mal höher als bei Aluminiumoxidkeramik. Kommerziell hergestellte Varianten erreichen problemlos Wärmeleitfähigkeiten von bis zu 200 W/(m·K).

2. Günstige thermische und Gitteranpassung: Aluminiumnitrid (AlN) besitzt einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) mit einem theoretischen Wert von 4,6 × 10⁻⁶/K. Dieser CTE ist vergleichbar mit dem von Silizium (Si) und Galliumarsenid (GaAs), und seine Temperaturabhängigkeit entspricht weitgehend der von Silizium. Darüber hinaus weist AlN eine Gitteranpassung an Galliumnitrid (GaN) auf. Diese thermische und gittertechnische Kompatibilität gewährleistet eine robuste Verbindung zwischen Chips und Substraten bei der Herstellung von Hochleistungsbauelementen, was für deren Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit entscheidend ist.

3. Große Bandlücke und hohe Isolationsfähigkeit: Mit einer Bandlücke von 6,2 eV bietet AlN-Keramik eine hervorragende elektrische Isolation. Diese inhärente Eigenschaft macht zusätzliche Isolierschichten bei der Verwendung in Hochleistungs-LED-Anwendungen überflüssig und vereinfacht somit den Herstellungsprozess.

4. Robuste mechanische Eigenschaften, thermische Stabilität und chemische Beständigkeit: AlN kristallisiert in der Wurtzitstruktur, die sich durch starke kovalente Bindungen auszeichnet. Diese Struktur verleiht dem Material hohe Härte, hohe Festigkeit und insgesamt gute mechanische Eigenschaften. Darüber hinaus weist AlN eine ausgezeichnete chemische Stabilität und Hochtemperaturbeständigkeit auf. Es bleibt an Luft bis 1000 °C stabil und zeigt auch im Vakuum bis 1400 °C gute Stabilität, was Hochtemperatur-Sinterprozesse begünstigt. Seine Korrosionsbeständigkeit ist ebenfalls ausreichend, um die Anforderungen nachfolgender Verarbeitungsschritte zu erfüllen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese außergewöhnlichen Eigenschaften Aluminiumnitrid (AlN) zu einer hervorragenden Wahl als Substratmaterial in anspruchsvollen Anwendungen wie der Hochleistungselektronik machen.

Schlüsselrollen in zahlreichen Bereichen

Aktuell ist die Nachfrage nach Aluminiumnitrid-Substrate Der Bedarf wächst stetig in den Bereichen Leistungshalbleiterbauelemente, hybride integrierte Leistungsschaltungen, Antennen für die Telekommunikationsindustrie, Halbleiterrelais, Leistungs-LEDs und Multi-Chip-Module (MCMs). Die Endmärkte sind auf Automobilelektronik, LEDs, Schienenverkehr, Kommunikationsstationen, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung ausgerichtet.

Antenne
Die Antenne kann die auf der Übertragungsleitung propagierende geführte Welle in sich im freien Raum ausbreitende elektromagnetische Wellen umwandeln oder umgekehrt. Sie fungiert somit im Wesentlichen als Wandler. Antennen werden für vielfältige Zwecke eingesetzt und müssen in jeder Umgebung zuverlässig funktionieren. Daher sind hohe und extrem zuverlässige Komponenten für ihre Bauteile unerlässlich. Herkömmliche Leiterplatten erfüllen die grundlegenden Anforderungen an Antennen nicht. Keramikbasierte Leiterplatten kommen den Anforderungen an Antennen derzeit am nächsten, wobei AlN-basierte Leiterplatten die beste Leistung bieten. Dies zeigt sich insbesondere in folgenden Punkten:
(1) Eine niedrige Dielektrizitätskonstante, damit die Hochfrequenzverluste reduziert werden und das Signal vollständig übertragen werden kann.
(2) Metallfilmschicht mit niedrigem Widerstand und guter Haftung. Die Metallschicht weist eine gute Leitfähigkeit auf und erzeugt beim Stromfluss weniger Wärme.
(3) Der Keramiksockel weist eine gute Isolation auf. Die Antenne erzeugt im Betrieb eine Hochspannung, und die Durchschlagspannung von Keramiksubstraten ist hoch.
(4) Eine hohe Packungsdichte ist möglich.

Multi-Chip-Modul (MCM)

Multi-Chip-Module (MCM-C) sind hochentwickelte mikroelektronische Bauelemente, die hohe Leistung, Zuverlässigkeit und Miniaturisierung bieten und somit die strengen Anforderungen der Luft- und Raumfahrt, der Militärelektronik und anderer Anwendungsbereiche erfüllen. Angesichts der steigenden Leistungsaufnahme der Komponenten und der verbesserten Packungsdichte ist eine effektive Wärmeableitung eine entscheidende Technologie, die höchste Priorität haben muss. Die Substratmaterialien für MCM-C-Gehäuse bestehen typischerweise aus einer mehrschichtigen Keramikstruktur und nutzen AlN-Keramik aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit in der MCM-Technologie. Dadurch wird die interne Wärmeentwicklung der mikroelektronischen Bauelemente deutlich reduziert und die Betriebsstabilität verbessert.

Hochtemperatur-Halbleiterverpackung

SiC-, GaN- und diamantbasierte Halbleitermaterialien und -bauelemente mit großer Bandlücke können bei hohen Temperaturen betrieben werden, Sic-Technologie Siliziumkarbid (SiC) ist das ausgereifteste Material. Aufgrund seiner hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften kann es stabil in Hochtemperaturumgebungen von 600 °C betrieben werden und ist daher für Hochtemperatur-Elektroniksysteme in der Luft- und Raumfahrt äußerst wichtig. Derzeit werden für Hochtemperatur-Elektronikgehäuse hauptsächlich Al₂O₃- und AlN-Keramiksubstrate verwendet, wobei AlN-Keramiken eine um ein Vielfaches höhere Wärmeleitfähigkeit als Al₂O₃ aufweisen.₂DER₃ Keramik und ein Wärmeausdehnungskoeffizient, der dem von SiC entspricht, machen es zum bevorzugten Material für die Hochtemperatur-Elektronikgehäuseentwicklung.

Leistungshalbleitermodule

Leistungshalbleitermodule sind integrierte Baugruppen aus leistungselektronischen Komponenten, die nach spezifischen Mustern und Funktionen verpackt werden. Die Auswahl der Komponenten für die Gehäuse dieser Module richtet sich nach der benötigten Funktionalität. Üblicherweise werden hierfür IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), MOSFETs (Metall-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) und integrierte Leistungsschaltungen verwendet. Leistungshalbleitermodule stellen sehr hohe Anforderungen an die Wärmeableitung. Als eine der wichtigsten Kernkomponenten ist die Keramik-Leiterplatte der erste Kontaktpunkt für die Wärme. Daher sind AlN-Keramiksubstrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit die ideale Wahl, insbesondere für IGBT-Module in der Automobilelektronik.

Leistungs-LED-Gehäuse

LEDs sind Halbleiterchips, die Strom in Licht umwandeln. Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass nur 20–30 % der elektrischen Energie effektiv in Lichtenergie umgewandelt werden, der Rest geht als Wärme verloren. Ohne eine geeignete Methode zur schnellen Wärmeabfuhr kann die Betriebstemperatur der Leuchte stark ansteigen und die Lebensdauer der LED erheblich verkürzen. Die Entwicklung von Keramik-Leiterplatten hat dieses Problem der Wärmeabfuhr in LED-Beleuchtungen, insbesondere durch den Einsatz von AlN-Keramiksubstraten, effektiv gelöst. In der LED-Verpackung wird die entstehende Wärme schnell an das AlN-Keramiksubstrat mit hoher Wärmeleitfähigkeit abgegeben, wodurch eine schnelle Wärmeabfuhr erreicht wird. Dies reduziert effektiv Bauteilschäden und verlängert die Lebensdauer.

Zusammenfassung

Im Vergleich zu Aluminiumoxid-Keramiksubstraten ist der Anwendungsbereich von Aluminiumnitrid-Keramiksubstraten in China derzeit aufgrund hoher Anforderungen an den Produktionsprozess und höherer Kosten relativ begrenzt; sie werden hauptsächlich in der High-End-Elektronik eingesetzt. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie in der Elektronikindustrie zeichnet sich jedoch ein Trend zur Miniaturisierung und funktionalen Integration von Leiterplattensubstraten ab. Die Marktnachfrage nach Wärmeleitfähigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit von Substraten und Verpackungsmaterialien steigt stetig, wodurch es für Materialien mit vergleichbarer Leistung wie herkömmliche Substrate schwierig wird, die Marktanforderungen zu erfüllen. Daher ergeben sich für die Aluminiumnitrid-Keramiksubstratindustrie Entwicklungschancen. Folglich hat sich Aluminiumnitrid aktuell zum meistbeachteten Verpackungssubstratmaterial entwickelt.