Aluminiumnitrid- vs. Siliziumkarbidplatten: Eigenschaften, Anwendungen und wichtige Unterschiede

Allgemeine Einführung von Aluminiumoxidplatten und Siliziumkarbidplatten

Aluminiumnitridplatten sind Funktionskeramikplatten aus Aluminiumnitrid (AlN). Aluminiumnitrid ist eine kovalent gebundene Verbindung mit hexagonaler Kristallstruktur und ein fortschrittliches Keramikmaterial mit hervorragenden Eigenschaften. Mit einer theoretischen Dichte von 3.26 g/cm³ vereint es die hohe Wärmeleitfähigkeit von Metallen mit der Isolationsfähigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit von Keramik und ist somit ein ideales Material für die Elektronikgehäusefertigung.

Siliziumkarbidplatten bestehen aus Siliziumkarbidkeramik (SiC). Siliziumkarbid kommt in verschiedenen Kristallarten (z. B. α-SiC, β-SiC) vor und wird zu einem dichten Keramikkörper gesintert. Seine Dichte beträgt etwa 3.1–3.2 g/cm³ und gehört damit zu den Ultrahochtemperatur-Keramikwerkstoffen. Diese zeichnen sich durch extrem hohe Härte, Verschleißfestigkeit und chemische Stabilität aus und ermöglichen so eine hervorragende Leistung in extremen Umgebungen.

Unterschied zwischen den Eigenschaften von Aluminiumoxidplatten und Siliziumkarbidplatten

Wärmeleitfähigkeit und Isolierung

Aluminiumnitridplatte: Wärmeleitfähigkeit von bis zu 200–320 W/m·K, nahe an Aluminiummetall, Keramikmaterialien mit der besten Wärmeleitfähigkeit unter den Sorten; gleichzeitig verfügt es über eine ausgezeichnete elektrische Isolierung (Dielektrizitätskonstante von etwa 9.1, spezifischer Volumenwiderstand > 10¹⁴ Ω·cm), um die doppelte Anforderung von Hochleistungsgeräten zu erfüllen, sowohl Wärmeableitung als auch Isolierung.

Siliziumkarbidplatte: Wärmeleitfähigkeit von etwa 100–200 W/m·K, obwohl niedriger als bei Aluminiumnitrid, aber besser als bei den meisten Keramiken; seine Isoliereigenschaften ändern sich mit der Kristallart und Reinheit, ein Teil des dotierten Siliziumkarbids kann als Halbleitermaterial verwendet werden (z. B. SiC-Leistungsgerätesubstrat), aber undotierte Keramiken sind immer noch Isolatoren (Volumenwiderstand > 10¹² Ω·cm).

Hohe Temperaturbeständigkeit und mechanische Eigenschaften

Aluminiumnitridplatte: Schmelzpunkt ca. 2200 °C, gute Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, aber die mechanische Festigkeit steigt mit zunehmender Temperatur schnell an; Härte (HV) ca. 1200–1500, mittlere Thermoschockbeständigkeit (Wärmeausdehnungskoeffizient 4.5 × 10-⁶/°C, passt gut zum Silizium-Chip).

Siliziumkarbidplatte: Schmelzpunkt bis zu 2700 °C, Korrosionsbeständigkeit (Säure, Lauge, Erosion durch Metallschmelze); Härte (HV) von 2500–3000, nur Diamant übertrifft sie; Druckfestigkeit von mehr als 4000 MPa und hohe Festigkeitserhaltungsrate bei hohen Temperaturen (1400 °C, wenn die Festigkeit 80 % der Raumtemperatur beträgt); niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (2.5–4.0 × 10-⁶/°C), gute Übereinstimmung mit dem Siliziumchip. Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (2.5–4.0 × 10.0⁶/°C), ausgezeichnete Wärmeschockbeständigkeit.

Chemische Stabilität und Verarbeitbarkeit

Aluminiumnitridplatte: weist eine hohe Beständigkeit gegen Erosion durch geschmolzene Metalle (wie Aluminium und Kupfer) auf, neigt jedoch zur langsamen Hydrolyse mit Wasser, wobei Al(OH)₃ entsteht. Daher ist eine feuchtigkeitsbeständige Behandlung erforderlich. Die Bearbeitung erfordert den Einsatz von Diamantwerkzeugen, was einen mittleren Schwierigkeitsgrad darstellt.

Siliziumkarbidplatte: beständig gegen starke Säuren, Basen und Hochtemperaturoxidation sowie besonders beständig gegen Erosion durch Metallschmelze. Die extrem hohe Härte erfordert hochpräzise Diamantschleifmittel und verursacht hohe Kosten.

Anwendungsunterschied zwischen Aluminiumoxidplatte und Siliziumkarbidplatte

Elektronik- und Energiebereich

Aluminiumnitridplatte: Wird hauptsächlich für elektronische Geräte mit hoher Leistung, Wärmeableitungssubstrate (wie Verstärkermodule für 5G-Basisstationen, IGBT-Isoliersubstrate), Wärmeableitungshalterungen für LED-Chips, Gehäuse für Halbleiterverpackungen usw. verwendet. Die Nutzung der optimalen dualen Eigenschaften „Wärmeleitfähigkeit – Isolierung“ dient zur Lösung der Probleme des Wärmemanagements von Chips.

Siliziumkarbidplatte: als Rohmaterial für SiC-Halbleitersubstratmaterial (4H-SiC-Wafer), unterstützt die Entwicklung von Breitbandhalbleitern der dritten Generation; kann auch für Wärmeableitungsgehäuse von Hochtemperatur-Stromversorgungsmodulen verwendet werden, muss aber mit der Isolierschicht abgestimmt werden.

Hochtemperaturstrukturen und Industriebereiche

Aluminiumnitridplatten werden in der Luft- und Raumfahrt für Hochtemperatur-Isolationsteile im Motorraum (wie etwa Sensorhalterungen) verwendet, ihre Anwendung ist jedoch durch ihre Hochtemperaturfestigkeit begrenzt.

Siliziumkarbidplatten: finden breite Anwendung in der metallurgischen Industrie (z. B. Hochofenauskleidung, Aluminium-Flüssigkeitsführungsbehälter), der chemischen Industrie (korrosionsbeständige Reaktorauskleidung) und im Energiebereich (Brennkammerkomponenten von Gasturbinen). Darüber hinaus werden sie als verschleißfestes Material in Keramiklagern, Dichtungsringen, Sandstrahldüsen usw. verwendet, um das Metallmaterial zu ersetzen und so die Lebensdauer zu verlängern.

Spezialgebiete

Aluminiumnitridplatten: Werden im optischen Bereich als Infrarotfenstermaterialien (Durchlässigkeit 8–12 μm) verwendet, um die geringe Feuchtigkeitsaufnahme und hohe Lichtdurchlässigkeit auszunutzen.

Siliziumkarbidplatten: Kandidaten für Hochtemperatur-Kernbrennstoffgehäusematerialien in der Nuklearindustrie, da ihre Strahlungs- und Hochtemperaturbeständigkeit ausgenutzt wird; in der Photovoltaikindustrie wird es für Schneidführungen für Silizium-Wafer verwendet, da seine Abriebfestigkeit ausgenutzt wird.

Anbieter

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