Siliziumnitrid vs. Aluminiumnitrid: Welches ist das vielversprechendste Substratmaterial?

Mit dem Aufkommen und der Anwendung von Leistungsbauelementen, insbesondere Halbleitern der dritten Generation, entwickeln sich Halbleiterbauelemente schrittweise in Richtung hoher Leistung, Miniaturisierung, Integration und Multifunktionalität. Dies stellt höhere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Verpackungssubstraten. Keramiksubstrate mit ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, ausgezeichneten Hitzebeständigkeit, ihrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, ihrer hohen mechanischen Festigkeit, guten Isolierung, Korrosionsbeständigkeit und Strahlungsresistenz werden häufig in der Verpackung elektronischer Geräte eingesetzt.

Also, zwischen Aluminiumnitrid (AlN) und Siliziumnitrid (Si₃N₄), welches ist das vielversprechendste Verpackungsmaterial?

Anforderungen an keramische Substratmaterialien

1. Hohe Wärmeleitfähigkeit zur Erfüllung der Wärmeableitungsanforderungen.

2. Hervorragende Hitzebeständigkeit für Hochtemperaturanwendungen (über 200 °C).

3. Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zur Reduzierung der thermischen Spannung zwischen Chip und Substrat.

4. Niedrige Dielektrizitätskonstante für Hochfrequenzleistung, wodurch die Signalverzögerung reduziert und die Übertragungsgeschwindigkeit verbessert wird.

5. Hohe mechanische Festigkeit, um mechanischen Anforderungen während der Verpackung und Anwendung standzuhalten.

6. Gute Korrosionsbeständigkeit gegen starke Säuren, Laugen, kochendes Wasser und organische Lösungsmittel.

7. Dichte Struktur, um die Anforderungen an hermetische Verpackungen für elektronische Geräte zu erfüllen.

Siliziumnitrid (Si₃N₄)

Si₃N₄-Keramiksubstrate haben einen Elastizitätsmodul von 320 GPa, eine Biegefestigkeit von 920 MPa, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von nur 3,2 × 10⁻⁶/°C und eine Dielektrizitätskonstante von 9,4. Sie zeichnen sich durch hohe Härte, Festigkeit, geringe Wärmeausdehnung und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aus.

Aufgrund der komplexen Kristallstruktur von Si₃N₄, die eine erhebliche Phononenstreuung verursacht, galt seine Wärmeleitfähigkeit zunächst als gering (15–30 W/(m·K)), sodass es sich nur für Anwendungen wie Lagerkugeln und Strukturkomponenten eignete. Spätere Untersuchungen zeigten jedoch, dass die geringe Wärmeleitfähigkeit hauptsächlich auf Gitterdefekte und Verunreinigungen zurückzuführen war, und es wurde vorhergesagt, dass die theoretische Wärmeleitfähigkeit bis zu 320 W/(m·K) erreichen könnte. Nachfolgende Studien optimierten den Herstellungsprozess und verbesserten die Wärmeleitfähigkeit von Si₃N₄-Keramiken deutlich, die mittlerweile 177 W/(m·K) erreicht hat.

Darüber hinaus bietet Si₃N₄ im Vergleich zu anderen Keramikwerkstoffen herausragende Vorteile, insbesondere in Hochtemperaturumgebungen, wo es eine ausgezeichnete thermische Stabilität, chemische Beständigkeit gegenüber Metallen, ultrahohe Härte und Bruchzähigkeit aufweist. Die Biegefestigkeit und Bruchzähigkeit von Si₃N₄-Keramiken sind mehr als doppelt so hoch wie die von AlN, wodurch Si₃N₄-Substrate hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit deutlich überlegen sind.

Aluminiumnitrid (AlN)

AlN ist eines der wenigen Materialien, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit hervorragender elektrischer Isolierung kombiniert.

Zu seinen Vorteilen gehören:

Hohe Wärmeleitfähigkeit – Die theoretische Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur kann bis zu 320 W/(m·K) erreichen und ist damit 8- bis 10-mal höher als bei Aluminiumoxidkeramik. In der Praxis erreicht die Wärmeleitfähigkeit bis zu 200 W/(m·K), was die Wärmeableitung in LEDs erleichtert und die Leistung verbessert.

Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient – ​​Der theoretische Wert liegt bei 4,6 × 10⁻⁶/K und liegt damit nahe am Wert gängiger LED-Materialien wie Si und GaAs. Auch das Wärmeausdehnungsverhalten ähnelt dem von Si. Darüber hinaus weist AlN eine Gitterstruktur auf, die der von GaN entspricht, was für Hochleistungs-LEDs entscheidend ist.

Große Bandlücke (6,2 eV) – Hervorragende Isolationseigenschaften machen eine zusätzliche Isolationsbehandlung bei Hochleistungs-LED-Anwendungen überflüssig und vereinfachen so den Prozess.

Hohe Härte und Festigkeit – Aufgrund seiner Wurtzitstruktur und starken kovalenten Bindungen weist AlN gute mechanische Eigenschaften auf. Es verfügt zudem über eine ausgezeichnete chemische Stabilität und hohe Temperaturbeständigkeit. Es bleibt in Luft bis 1000 °C und im Vakuum bis 1400 °C stabil und eignet sich daher für Hochtemperatursintern und korrosionsbeständige Anwendungen.

Abschluss

Unter den bestehenden keramische SubstratmaterialienSi₃N₄ weist die höchste Biegefestigkeit und Verschleißfestigkeit auf und ist damit das beste Material hinsichtlich umfassender mechanischer Eigenschaften. Sein extrem niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient macht es zudem zu einem vielversprechenden Material für die Verpackung von Leistungsbauteilen. Der komplexe Herstellungsprozess, die hohen Kosten und die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit beschränken seinen Einsatz jedoch auf Anwendungen, die eine hohe Festigkeit bei moderater Wärmeableitung erfordern.

Andererseits zeichnet sich AlN in fast allen Bereichen durch hervorragende Wärmeleitfähigkeit aus, die für die Verpackung elektronischer Bauteile entscheidend ist. Der Hauptnachteil sind die hohen Kosten aufgrund teurer Rohstoffe und Verarbeitung. Mit fortschreitender AlN-Produktionstechnologie dürften die Kosten jedoch sinken und den Weg für eine breite Anwendung in Hochleistungs-LED-Anwendungen ebnen.

Welches Material wird Ihrer Meinung nach die Zukunft der Hochleistungselektronik dominieren?

Über Xiamen Juci Technology

Als Spitze Hersteller von Aluminiumnitrid (AlN)-Pulver In China ist Xiamen Juci Technology spezialisiert auf hochreine, leistungsstarke AlN-Materialien für anspruchsvolle elektronische Anwendungen. Unsere AlN-Pulver und Keramiken bieten eine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit (bis zu 200 W/m·K), hervorragende elektrische Isolierung und hervorragende mechanische Festigkeit, was sie ideal für Hochleistungselektronik macht, Halbleiterverpackungen, LED-Kühlung und 5G/EV-Systeme der nächsten Generation.

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