Zwei wichtige Anwendungsgebiete von Aluminiumnitridkeramik in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben

Mit dem rasanten Fortschritt der Mikroelektroniktechnologie schreiten elektronische Systeme und Bauteile in Richtung Miniaturisierung voran. Leicht Design, Integration, höhere Zuverlässigkeit und gesteigerte Leistung – die zunehmende Komplexität von Geräten stellt höhere Anforderungen an die Wärmeableitung von Substraten und Gehäusematerialien. Aluminiumnitrid-Substrate (AlN), bekannt für ihre hohe Wärmeleitfähigkeit, haben sich daher zu einem herausragenden Material für wärmeableitende Substrate entwickelt. Im Bereich der Elektrofahrzeuge können sie sogar Aluminiumoxid-Substrate ersetzen und bieten somit ein breites Anwendungsspektrum.

01 Anwendung von Aluminiumnitrid in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben

AlN-Keramiksubstrate für IGBTs
Im Zuge der Modernisierungswelle im Bereich der Elektrofahrzeuge steigt der Bedarf an Hochvolt- und Hochleistungs-IGBT-Modulen rasant. Diese Module stehen vor hohen technischen Hürden und erheblichen Herausforderungen und erfordern Gehäusematerialien mit exzellenter Wärmeableitung, hoher Zuverlässigkeit und hoher Strombelastbarkeit. Keramische, kupferkaschierte Substrate mit ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit haben sich dabei als unverzichtbare Schlüsselmaterialien für die Gehäuse von Leistungsmodulen in der Leistungselektronik etabliert.

Keramisches kupferummanteltes Substrat
Quelle: Fuluowa

Im Vergleich zu Al₂O₃- und Si₃N₄-Keramiksubstraten bieten AlN-Keramiksubstrate folgende Vorteile: Durch die Verwendung von AlN-Keramiksubstraten als Chipträger wird der Chip von der Wärmeableitungs-Grundplatte des Moduls isoliert. Die dazwischenliegende AlN-Keramikschicht verbessert die Isolationsfähigkeit des Moduls deutlich (Isolationsfestigkeit der Keramikschicht > 2,5 kV). Darüber hinaus weisen Aluminiumnitrid-Keramiksubstrate eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit mit einem Wärmeleitkoeffizienten von 170–260 W/m·K auf. Aufgrund dieser hervorragenden Eigenschaften sind kupferkaschierte Aluminiumnitrid-Substrate die bevorzugte Wahl für die Gehäuse von Hochvolt-IGBT-Modulen.

Darüber hinaus weisen AlN-Keramiksubstrate einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silizium auf, wodurch Spannungsschäden am Chip verhindert werden. Die Schälfestigkeit von Aluminiumnitrid-Keramiksubstraten übersteigt 20 N/mm² und bietet hervorragende mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und minimale Verformung. Sie sind in einem breiten Temperaturbereich einsetzbar und erhöhen somit die Zuverlässigkeit von Hochvolt-IGBT-Modulen.

Aluminiumnitrid für LED-Scheinwerfer
Die Betriebstemperatur von LED-Autoscheinwerfern ist extrem hoch. Kann die Wärme nicht schnell abgeführt werden, beschleunigt dies den Helligkeitsverlust. In solchen Fällen ist die Leistungsfähigkeit des LED-Wärmeableitungssubstrats entscheidend. Aluminiumnitrid-Keramiksubstrate sind aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, hervorragenden Isolation und ihres optimal auf LED-Chips abgestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten die ideale Wahl für Hochleistungsscheinwerfer. Darüber hinaus reichen die Anwendungsbereiche von Aluminiumnitrid-Keramiksubstraten im Automobilbereich weit über Scheinwerfer hinaus und umfassen verschiedene Sensoren und Hochleistungsmodule für intelligente Fahrzeuge, was auf eine vielversprechende Zukunft hindeutet.

Quelle: Pixabay

02 Der Schlüssel zu Hochleistungs-AlN-Keramiken liegt in der Pulverpräparation
Die Technologien zur Herstellung von Aluminiumnitridpulver lassen sich in folgende Kategorien einteilen: direkte Nitrierung, carbothermische Reduktion, selbstpropagierende Hochtemperatursynthese (SHS), Plasmaverfahren, chemische Gasphasenabscheidung, Lösungsverfahren und Hochenergie-Kugelmühlen.

Gängige Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitridpulver
Unter diesen Verfahren dominiert die carbothermische Reduktion mit fast 50 %, gefolgt von der direkten Nitrierung und selbstpropagierenden Verfahren mit 26 % bzw. 12 %. Diese drei Verfahren werden auch industriell eingesetzt. Sie sind relativ ausgereift, benötigen einfachere Anlagen und liefern hochreine Produkte. Allerdings sind die Formulierungen und Verfahrensschritte dieser Prozesse komplex, der Energieverbrauch hoch und es bestehen gewisse Sicherheitsrisiken, was die großtechnische kommerzielle Anwendung von Aluminiumnitrid einschränkt.

Zwischen der heimischen Technologie zur Herstellung von Aluminiumnitridpulver und internationalen Qualitätsstandards besteht hinsichtlich Reinheit und Stabilität eine Lücke. Derzeit wird der Weltmarkt für Aluminiumnitridpulver hauptsächlich von Unternehmen wie dem japanischen Unternehmen Tokuyama (mit einem Marktanteil von 75 % am globalen Markt für hochreines AlN-Pulver), Toyo Aluminium, dem deutschen Unternehmen Starck und dem US-amerikanischen Unternehmen Dow Chemical beliefert, deren Produkte eine Reinheit von bis zu 99,9 % erreichen. In China gibt es nur wenige Unternehmen, die in der Lage sind, qualitativ hochwertige, formulierte Pulver in großen Mengen herzustellen (derzeit befinden sich zwei Unternehmen in der Phase der Einführung formulierter Pulver).

03 Rasante Entwicklung der heimischen AlN-Industrie mit erheblichem Importsubstitutionspotenzial
Mit der Entwicklung der Halbleiter- und der neuen Energiewirtschaft steigt der Bedarf an Wärmeableitung bei der Gehäusekonstruktion von Hochleistungselektronikchips, optischen Chips usw. Keramische Substrate entwickeln sich von Aluminiumoxid hin zu Aluminiumnitrid und SiliziumnitridObwohl inländische Unternehmen derzeit einen relativ geringen Marktanteil halten, deutet dies auf ein erhebliches Potenzial für die Importsubstitution in der Zukunft hin.

Aktuell beträgt die weltweite Produktion von Aluminiumnitrid-Substrate Der Markt wird von wenigen Herstellern dominiert, wobei Japan der größte Exporteur ist. Zu den wichtigsten Herstellern zählen Maruwa und Kyocera. Die Herstellung von Aluminiumnitrid-Substraten erfordert Hochtemperatur-Sinteröfen, die anfangs zu Kosten von bis zu 6 Millionen RMB pro Einheit aus Japan importiert werden mussten. Erst 2015 wurden technologische Durchbrüche inländischer Hersteller erzielt. Heute verfügen mehrere japanische Unternehmen über Produktionskapazitäten für Aluminiumnitrid-Substrate im großen Maßstab. Führende Unternehmen erreichen Produktionskapazitäten von über 500.000 Stück pro Monat und nähern sich damit allmählich dem Niveau des japanischen Unternehmens Maruwa an. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Produktionskapazitäten für hochwertige Aluminiumnitrid-Substrate dürfte sich die langfristige Abhängigkeit von importierten Hochleistungskeramiksubstraten verringern.

Der Markt für Aluminiumnitrid-Keramiksubstrate hat derzeit ein Volumen von rund 1 Milliarde RMB. Von 2019 bis 2022 lag die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate des heimischen Marktes für Aluminiumnitrid-Keramiksubstrate bei über 20 %. Durch die rasante Entwicklung nachgelagerter Branchen wie großflächige integrierte Schaltungen, IGBTs, Mikrowellenkommunikation, Automobilelektronik und Bildsensorik sowie die steigende Leistung elektronischer Geräte wird sich das Anwendungsgebiet von Aluminiumnitrid weiter ausdehnen. Branchenexperten gehen davon aus, dass die Wachstumsrate des Marktes für Aluminiumnitrid-Keramiksubstrate in den kommenden Jahren über 20 % liegen wird. Bei diesem Wachstumstempo wird der Markt bis 2026 voraussichtlich ein Volumen von 2 Milliarden RMB erreichen.