Die drei wichtigsten Stärken von AlN-Keramiken: Wärmeleitfähigkeit, Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten, Systemwert (Isolierung)

Keramik ist kein neues Material. AlN-Keramiksubstrat hat sich in IGBT-Modulen, Hochleistungs-LEDs und Leistungsmodulen seit vielen Jahren kommerziell bewährt; die durch KI-Computing ermöglichte hohe Leistungsdichte verstärkt ihren Wert lediglich. Als eine Schlüsselkategorie von Hochleistungs-Verpackungsmaterialien aus AluminiumnitridDie Leistungsfähigkeit von AlN-Keramiksubstraten ist stark von der Reinheit, dem Sauerstoffgehalt und dem Sinterprozess abhängig. hochwertiges Aluminiumnitridpulver.

Erste Stärke – Wärmeleitfähigkeit: Substrate aus Aluminiumnitridpulver erreichen Wärmeleitfähigkeiten von 170–230 W/(m·K), ein Vielfaches der Wärmeleitfähigkeit von FR-4. In Strukturen wie Leistungsmodulen, bei denen der Chip direkt auf einem Keramiksubstrat montiert ist, beruht die erste Stufe der Wärmeabfuhr vom Chip typischerweise auf dieser elektrisch isolierenden Basis nahe dem pn-Übergang.

Zweiter Vorteil – Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten: Der Wärmeausdehnungskoeffizient von AlN beträgt ca. 4,5 ppm/°C und liegt damit in der gleichen Größenordnung wie der von Silizium (~3 ppm/°C, geringfügig temperaturabhängig). Dies reduziert die Grenzflächenspannungen und das Risiko von Lötstellenrissen bei Temperaturwechselbeanspruchung deutlich; die tatsächliche Zuverlässigkeit hängt jedoch weiterhin vom Lötmaterial, der Strukturgeometrie und dem Temperaturprofil ab.

Dritte Stärke – Systemnutzen: Jede noch so kleine Reduzierung des Wärmewiderstands der Wärmeleitbasis führt zu weniger Drosselung bei Hochleistungschips. Der Nutzen ergibt sich aus AlN mit hoher Wärmeleitfähigkeit Es geht um die volle Rechenleistung, nicht nur um die geringeren Materialkosten. Dieser Vorteil hängt natürlich vom Zusammenspiel von Leistungskurve, Kühlung und Drosselungsstrategie des Chips ab – er lässt sich nicht allein durch eine einzelne Materialschicht bestimmen.

Dementsprechend wird bei bestimmten Leistungs-/Advanced-Packaging-Bewertungen und basierend auf einem spezifischen analytischen Rahmen die Wertaufteilung für Aluminiumnitrid-Keramiksubstrat Und keramisches elektronisches Substrat Die Optimierung besteht zu etwa 60 % aus thermischer Optimierung und zu 40 % aus Optimierung der Signalintegrität. Dies erklärt auch, warum Kunden in Zeichnungen/Spezifikationen „geringe Verluste, niedrige Dielektrizitätskonstante“ spezifizieren: AlN weist eine Dielektrizitätskonstante von ca. 8–9 bei extrem geringen Verlusten auf und bietet so eine stabile elektrische Isolation sowie eine störungsarme Umgebung in Gehäusen und Trägerstrukturen. Allerdings bezieht sich „niedrige Dielektrizitätskonstante“ hier hauptsächlich auf Keramiken wie Aluminiumoxid; AlN ist kein absolut niedrig-k-Material.

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