Aluminiumnitrid PCB

Aluminiumnitrid (ALN) ist ein spezielles keramisches PCB-Substrat Material, das für seine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit, chemische Beständigkeit und Durchschlagfestigkeit bekannt ist. Seine bemerkenswerte Wärmeleitfähigkeit, die von 120 bis 200 W/m-KDadurch eignet es sich besonders gut für anspruchsvolle elektronische Anwendungen, die durch hohe Verlustleistung, Hochfrequenzbetrieb oder raue Umgebungsbedingungen gekennzeichnet sind.

Wir von FS Technology verfügen über das Fachwissen und die Fähigkeiten, Ihnen Folgendes zu liefern 1-2 Schicht Aluminiumnitrid-Leiterplatten zusammen mit umfassenden Dienstleistungen für die elektronische Bestückung, wodurch Ihr Beschaffungsprozess rationalisiert wird. In den folgenden Abschnitten geben wir Ihnen eine ausführliche Einführung in diese hochmoderne Leiterplattentechnologie, so dass Sie ein umfassendes Verständnis für ihre Merkmale und Vorteile gewinnen können.

Materialeigenschaften von Aluminiumnitrid-Keramik-Leiterplatten

  • Wärmeleitfähigkeit: Aluminiumnitrid-Keramikplatten weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, die normalerweise zwischen 120 und 200 W/m-K liegt. Diese außergewöhnliche Eigenschaft ermöglicht eine effiziente Wärmeableitung und macht sie optimal für Anwendungen, die ein effektives Wärmemanagement erfordern, wie z.B. Leistungselektronik und HF-/Mikrowellengeräte.
  • Elektrische Isolierung: Diese Leiterplatten verfügen über hervorragende elektrische Isolationseigenschaften. Mit einer hohen Durchbruchspannung und geringen elektrischen Verlusten bieten sie eine zuverlässige Isolierung und minimieren elektromagnetische Störungen (EMI). Diese Eigenschaft ist entscheidend für Anwendungen, bei denen eine vollständige Isolierung der elektrischen Komponenten erforderlich ist.
  • Dielektrische Konstante: Aluminiumnitrid-Keramikplatten weisen außerdem eine hohe Dielektrizitätskonstante auf, die zwischen 8 und 10 liegt. Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft für Hochfrequenzanwendungen, da sie die Signalausbreitung verbessert und Signalverluste reduziert.
  • Thermische Ausdehnung: Der Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) von Aluminiumnitrid ist ähnlich wie der von Silizium, was die Kompatibilität mit siliziumbasierten Komponenten erleichtert. Dies minimiert die thermische Belastung und das Risiko von Fehlern in elektronischen Baugruppen, die sowohl Substratmaterial als auch Siliziumbauteile verwenden.
  • Mechanische Festigkeit: Diese Platinen besitzen eine robuste mechanische Festigkeit, so dass sie mechanischen Belastungen standhalten und strukturelle Stabilität bieten. Dank dieser Widerstandsfähigkeit eignen sie sich gut für Automobilelektronik, Luft- und Raumfahrtsysteme und Industrie-PCBA die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit erfordern.
  • Chemische Stabilität: Aluminiumnitrid ist chemisch inert und resistent gegen korrosive Bedingungen, was die Stabilität und Langlebigkeit von AlN-Keramikleiterplatten gewährleistet. Diese Eigenschaft ist von unschätzbarem Wert in rauen Betriebsumgebungen, in denen die Leiterplatten Feuchtigkeit, Chemikalien oder anderen korrosiven Substanzen ausgesetzt sein können.
  • Bearbeitbarkeit: Kann bearbeitet werden, um komplizierte Formen und Merkmale auf der Leiterplatte zu erzielen. Diese Fähigkeit erleichtert die Herstellung kundenspezifischer Leiterplattendesigns mit komplexen Geometrien und Kühlkörperstrukturen, die spezifischen Anwendungsanforderungen gerecht werden.
  • Die Dichte: Diese Trägermaterialien haben eine geringe Dichte, typischerweise etwa 3,26 g/cm³. Diese leichte Eigenschaft ermöglicht das Design von Platinen mit geringerem Gewicht, was bei Anwendungen von Vorteil ist, bei denen es auf leichte Komponenten ankommt, wie z.B. bei tragbaren Elektronikgeräten oder in der Luft- und Raumfahrt.
  • Beständigkeit gegen UV-Strahlung: Aluminiumnitrid-Keramikschaltkreise weisen eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen ultraviolette (UV) Strahlung auf, so dass sie längere Zeit dem UV-Licht ausgesetzt werden können, ohne Schaden zu nehmen. Diese Eigenschaft erweist sich als wertvoll für Elektronik im Außenbereich oder UV-Sterilisationsgeräte.
  • Temperaturbeständigkeit: Diese Platinen weisen eine außergewöhnliche thermische Stabilität auf und können hohen Temperaturen standhalten. Mit einem hohen Schmelzpunkt von ca. 2200°C behalten sie ihre strukturelle Integrität und elektrische Leistung auch in Umgebungen mit hohen Temperaturen bei.

So konstruieren Sie eine Aluminiumnitrid-Leiterplatte

Aluminiumnitrid ist ein hochreines Substratmaterial und erfordert spezielle Techniken, um eine erfolgreiche Herstellung zu gewährleisten. Bei FS Technology bieten wir derzeit Fertigungsmöglichkeiten für 1-2-lagige keramische Leiterplatten an. Für die Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten empfehlen wir Ihnen unsere Rogers Keramische Leiterplatte, die für solche Anforderungen besser geeignet ist.

Bei der Herstellung von Leiterplatten aus Aluminiumnitrid verwenden wir zwei primäre Fertigungstechniken: die direkte Nitrierung und die carbothermische Nitrierung und Reduktion. Lassen Sie uns jede dieser Techniken im Detail betrachten, um Ihnen ein umfassendes Verständnis zu vermitteln.

Direkte Nitridierung

Prozessablauf

Die direkte Nitrierung ist die vorherrschende Technik für die Herstellung von Aluminiumnitrid-Leiterplatten. Bei diesem Verfahren wird Aluminium in einer kontrollierten Atmosphäre hohen Temperaturen ausgesetzt, was zur Bildung eines Aluminiumnitrid-Substrats führt.

  1. Aluminium Quelle: Der Prozess beginnt mit der Verwendung einer Aluminiumquelle, die in Form von Pulver, Granulat oder einem strukturierten Substrat vorliegen kann.
  2. Stickstoff Umgebung: Als nächstes wird das Aluminiummaterial einer stickstoffreichen Umgebung ausgesetzt. Dies wird erreicht, indem Stickstoffgas (oder Ammoniak, NH3) in die Reaktionskammer eingeleitet wird.
  3. Erhitzen und Reagieren: Anschließend werden Aluminium und Stickstoff einer Hochtemperaturreaktion unterzogen, die normalerweise im Bereich von 1000 bis 2000 Grad Celsius (oder 1832 bis 3632 Grad Fahrenheit) stattfindet. Diese exotherme Reaktion erzeugt Wärme, die die Umwandlung von Aluminium in Aluminiumnitrid erleichtert.
  4. Kontrollierte Atmosphäre: Um Oxidation oder Verunreinigung zu vermeiden, wird der gesamte Prozess sorgfältig unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt. Die Reaktionskammer wird mit Stickstoff oder Ammoniak gespült, um eine stickstoffreiche Umgebung zu schaffen und so die Bildung von unerwünschten Nebenprodukten zu minimieren.
  5. Abkühlung und Verfestigung: Sobald die Reaktion abgeschlossen ist, wird die Temperatur allmählich gesenkt, damit das Aluminiumnitrid abkühlen und sich verfestigen kann. Das so entstandene feste Material wird weiterverarbeitet und zu einer Aluminiumnitrid-Platine geformt.

Eigenschaften

  • Reinheit: Die direkte Nitrierung ermöglicht die Herstellung von hochreinem Aluminiumnitrid. Die direkte Reaktion zwischen Aluminium und Stickstoffgas führt zu einem Produkt mit minimalen Verunreinigungen, das einen hohen Reinheitsgrad gewährleistet.
  • Kontrolle: Diese Technik bietet eine präzise Kontrolle über die Herstellung von Aluminiumnitrid und ermöglicht eine sorgfältige Anpassung der Prozessparameter, um die gewünschten Merkmale und Eigenschaften zu erzielen.
  • Effizienz: Es ist ein schlankes und effizientes PCB-Herstellungsprozessund erfordert weniger Schritte und Ressourcen als die karbothermische Nitridierung und Reduktion.
  • Hohe Qualität: Das Direktnitrierverfahren erzeugt durchweg Aluminiumnitrid mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit und elektrischen Isolationseigenschaften. Diese Eigenschaften machen es für anspruchsvolle Hochleistungsanwendungen sehr geeignet.
  • Hochtemperatur: Dieser Prozess ist temperaturabhängig und wird normalerweise im Bereich von 1000-2000 Grad Celsius (oder 1832-3632 Grad Fahrenheit) durchgeführt, um optimale Ergebnisse und Materialeigenschaften zu gewährleisten.

Karbothermische Nitridierung und Reduktion

Prozessablauf

Als Alternative zur direkten Nitrierung wird eine Methode verwendet, bei der Mischungen aus Aluminiumoxid und Materialien auf Kohlenstoffbasis wie Ruß oder Graphit eingesetzt werden.

  1. Zubereitung des Gemischs: Aluminiumoxide und kohlenstoffhaltige Materialien, wie Ruß oder Graphit, werden sorgfältig in einem bestimmten Verhältnis gemischt. Die Kohlenstoffkomponente wirkt als Reduktionsmittel und erleichtert die Entfernung von Sauerstoff aus dem Aluminiumoxid.
  2. Erhitzung und Nitridierung: Die vorbereitete Mischung wird hohen Temperaturen in einer stickstoffreichen Atmosphäre ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen reagieren der Kohlenstoff und der Sauerstoff im Aluminiumoxid, was zur Bildung von Aluminiumnitrid führt. Während des Nitrierungsprozesses wird Stickstoffgas verwendet.
  3. Abkühlung und Verfestigung: Nach Abschluss der Reaktion wird das Material allmählich abgekühlt, um die Verfestigung des gebildeten Aluminiumnitrids oder anderer Nitridkeramiken zu ermöglichen. Das verfestigte Material wird dann weiter zu einem Aluminiumnitrid-Keramik-Leiterplatte.

Eigenschaften

  • Vielseitigkeit: Die karbothermische Nitrierung und Reduktion bietet die Möglichkeit, verschiedene Nitridkeramiken herzustellen, darunter Aluminiumnitrid und Aluminiumoxidnitrid. Diese Technik bietet eine große Vielseitigkeit bei der Herstellung verschiedener Arten von Nitridmaterialien.
  • Kosteneffizienz: Verwenden Sie leicht verfügbare und kostengünstige Materialien wie Aluminiumoxid und Substanzen auf Kohlenstoffbasis. Diese Materialien sind im Vergleich zu anderen Vorläufermaterialien wirtschaftlicher.
  • Verunreinigungen: Es ist wichtig zu beachten, dass dieser Prozess aufgrund der Verwendung von Materialien auf Kohlenstoffbasis als Reduktionsmittel Verunreinigungen in das Endprodukt einbringen kann. Diese Verunreinigungen können möglicherweise die Wärmeleitfähigkeit und die elektrischen Eigenschaften des Materials beeinträchtigen.
  • Herausforderungen bei der Kontrolle: Eine präzise Kontrolle der Reaktionsbedingungen, wie Temperatur, Zusammensetzung und Gasumgebung, kann bei der carbothermischen Nitrierung und Reduktion im Vergleich zur direkten Nitrierung eine größere Herausforderung darstellen. Dies kann zu Abweichungen bei den Eigenschaften des Endprodukts führen.
  • Zusätzliche Verarbeitungsschritte: Möglicherweise müssen die Hersteller während der Produktion zusätzliche Verarbeitungsschritte wie Reinigung oder Veredelung einbauen, um Verunreinigungen zu entfernen und die gewünschten Materialeigenschaften zu erzielen.
  • Kohlenstoff-Kontamination: Das Vorhandensein von Kohlenstoff bei der karbothermischen Nitrierung kann zu einer Verunreinigung des Aluminiumnitridmaterials mit Kohlenstoff führen. Diese Verunreinigung kann sich auf die elektrischen Eigenschaften auswirken und möglicherweise die Leistung der Leiterplatte beeinträchtigen.

Aln PCB VS Andere keramische Substrate

Keramisches MaterialWärmeleitfähigkeit (W/m-K)DielektrizitätskonstanteDurchschlagfestigkeit (kV/mm)Wärmeausdehnungskoeffizient (ppm/°C)Kosten
ALN PCB120-2008-1015-204.5-5.5Hoch
Al2O3 PCB20-359-1015-256-8Medium
Beryllium-Oxid200-2306-712-157-9Hoch
Siliziumkarbid200-4009-1015-204-5Hoch
Bornitrid25-1504-625-302-6Hoch
Aluminiumsilikat1-34-54-84-7Niedrig

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