Aluminiumnitrid leitet Wärme wie ein Metall und blockiert dennoch den Stromfluss

Aluminiumoxid ist nicht ohne Grund das Standard-Keramiksubstrat. Es ist kostengünstig, robust und lässt sich leicht metallisieren. Allerdings eignet es sich schlecht als Heatpipe. Eine 96%-Al₂O₃-Platine liegt bei etwa 20–30 W/m·K. Aluminiumnitrid erreicht bei korrekter Herstellung Werte im Bereich von 170–200 W/m·K, manchmal sogar etwas über 200. Theoretisch liegt der Wert für einen perfekten Einkristall bei fast 320. Niemand liefert jedoch solche Produkte aus. Was wir liefern, ist ein gesinterter Isolator, der die Wärme vom Chip eines Leistungsmoduls ableiten kann, ohne selbst zum Leiter zu werden.

Genau diese Kombination ist der Clou. Metalle leiten Wärme und Strom. Die meisten Keramiken blockieren Strom und speichern Wärme. Aluminiumnitrid dient gleichzeitig der Wärmeableitung und der Isolierung, mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von etwa 4,5 ppm/°C – ähnlich wie bei Silizium. Aluminiumoxid dehnt sich eher um 6,5–7,5 aus. Bei einem Hochleistungs-IGBT oder einem SiC-Bauelement äußert sich diese Diskrepanz in Form von Lötstellenermüdung und abblätternder Kupferfolie. BeO leitet zwar noch besser, dennoch vermeiden wir es, wann immer es möglich ist. Toxizität ist keine Fußnote im Datenblatt.

Sauerstoff ist die Verunreinigung, die die Leitfähigkeit zunichte macht. Gittersauerstoff erzeugt Aluminiumleerstellen. Phononen streuen. Pulver mit einem Sauerstoffgehalt von einigen Prozent sintert zu einem Material, das wie AlN aussieht und einen Wert von näher an 100 W/m·K aufweist. Mit sauerstoffarmem Pulver und einem Sinterhilfsmittel, das Sauerstoff in eine Korngrenzenphase zieht – üblicherweise Yttriumoxid –, erreicht man die Klasse mit über 170. Die Dichte muss hoch sein. Restporen sind weitere Streuungsstellen. Daher ist die Angabe “AlN-Substrat” auf einem Produktblatt keine Klassifizierung. Fragen Sie nach der Wärmeleitfähigkeit, nicht nur nach der chemischen Zusammensetzung.

Bei der Handhabung von Pulver erleben Werkstätten oft Überraschungen. Feines AlN hydrolysiert. Lässt man es in feuchter Luft liegen, bildet sich eine Hydroxidschicht, und der Sauerstoffgehalt steigt wieder an – genau der, für dessen Entfernung man gerade Geld ausgegeben hat. Trockene Lagerung, kurze Offenzeit, manchmal eine Oberflächenbehandlung. Das ist keine Übertreibung. Nur so bleibt der k-Wert bis zum Einbrand im Ofen erhalten.

Wir setzen Aluminiumnitrid dort ein, wo der Wärmeleitstapel es tatsächlich benötigt: bei DBC- und DPC-Leistungsplatinen, HF-Gehäusen, Laser- und LED-Submounts sowie bei einigen Bauteilen für Halbleiterprozesse. Wenn der Chip nur wenige Watt leistet und der Kühlkörper den Engpass darstellt, ist Aluminiumoxid preislich immer noch im Vorteil. Wenn man Dutzende von Watt durch eine dünne Keramikschicht in Kupfer ableitet, ist der Temperaturabfall auf dem Aluminiumoxid-Substrat nicht mehr kostenlos. Die Keramik kostet mehr. Der Gewinn liegt in dem Modul, das weder drosselt noch delaminiert.

Bearbeitung und Metallisierung erfordern die gleiche Sorgfalt. AlN ist nicht so unkompliziert wie 96%-Aluminiumoxid. An den Kanten entstehen Späne. Die Kupferverbindung muss der Ausdehnung angepasst sein. Eine schöne Scheibe mit 180 W/m·K und einer schlechten Grenzfläche ist lediglich ein teurer Isolator. Legen Sie k, Dicke, Oberfläche und das Metallsystem gemeinsam fest. Aluminiumnitrid ist ein Wärmeleitweg, der zufällig aus Keramik besteht. Behandeln Sie es entsprechend, dann ist es seinen hohen Preis wert. Behandeln Sie es wie weißes Aluminiumoxid mit einem besseren Prospekt, dann ist es das nicht.