Die Anwendungen von Kühlkörpern aus Aluminiumnitrid (AlN)

Zu den gängigen Arten von AlN-Keramikkühlkörpern gehören der AlN-Keramik-Radialkühlkörper (AlN Circular Fin Heat Sink) und der AlN-Plattenkühlkörper (AlN Ceramic Plate-Type Heat Sink), wie in der Abbildung unten dargestellt. Aufgrund ihrer effektiven Wärmeableitung eignen sie sich für den Einsatz in der Leistungselektronik, in Automobilsystemen, in der Photovoltaik und in der LED-Technologie.

Leistungsmerkmale von AlN-Keramik-Kühlkörpern - Effektive Wärmemanagement-Fähigkeiten - Effective Thermal Management Capabilities

• Hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht schnelle Wärmeübertragung von aktiven Komponenten
• Elektrische Isolierung für Hochspannungsanwendungen geeignet
• Oxidationsbeständigkeit bis zu 900°C
• Beständigkeit gegen chemische Korrosion und Feuchtigkeit
• Geringere Dichte, etwa 30 % leichter als Aluminium
• Umweltsicher und konform mit den Standards für umweltfreundliche Produktion

Aufgrund dieser Eigenschaften werden AlN-Keramiken häufig in elektronischen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Leistung und Zuverlässigkeit erforderlich sind.

Wo AlN-Keramik-Kühlkörper hauptsächlich verwendet werden？

1. Leistungselektronik und IGBT-Module

Die Leistungselektronik hängt von IGBT-Modulen ab, die Schlüsselkomponenten in Hochgeschwindigkeitsbahnsystemen, Elektrofahrzeugen, Windturbinen und 5G-Basisstationen sind.

Angesichts der hohen Ausgangsleistung und der beträchtlichen Wärmeentwicklung benötigen diese Module Materialien, die thermische Belastungen effizient bewältigen können. AlN-Keramiksubstrate mit ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem von Siliziumchips sehr ähnlich ist, minimieren die thermische Belastung und erhöhen die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Leistungsmodulen.

Zu den üblichen Anwendungen gehören:

• Traktionssysteme im Schienenverkehr
• Industrielle Motorantriebe und Elektromobilitätslösungen
• Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HVDC)
• Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (UPS)
• Wandler für erneuerbare Energien wie Solar- und Windwechselrichter

2. LED-Gehäuse und Beleuchtungssysteme

Da die LED-Technologie immer höhere Leistungsdichten erreicht, ist ein effektives Wärmemanagement noch wichtiger geworden. AlN-Keramiksubstrate bieten die notwendige Kombination aus hoher Wärmeleitfähigkeit, thermischer Stabilität, geringen Ausdehnungsraten und elektrischer Isolierung.

Sie werden häufig in LED-Gehäusen für mittlere bis hohe Leistungen verwendet, wie Flip-Chip, eutektisches Bonden, Chip-on-Board (COB), Chip-Scale-Packaging (CSP) und Wafer-Level-Packaging (WLP).

Eine effiziente Kühlung trägt dazu bei, die Lichtausbeute zu erhalten und die Lebensdauer der LEDs zu verlängern. Es wird allgemein beobachtet, dass eine Verringerung der Sperrschichttemperatur um 10°C die Lebensdauer der LED verdoppeln kann.

3. Photovoltaische Module und konzentrierte Solarstromsysteme

Bei Anwendungen der konzentrierten Photovoltaik (CPV/HCPV) wird die Sonnenstrahlung auf kleine, hocheffiziente Solarzellen fokussiert, wodurch die lokalen Temperaturen erheblich ansteigen.

Ohne geeignete Strategien zur Wärmeableitung würden sich die Leistung und die Lebensdauer dieser Zellen rasch verschlechtern.

AlN-Keramiksubstrate, die mit thermischen Schnittstellenmaterialien (TIMs) zwischen dem Chip und der Wärmesenke positioniert sind, erleichtern die effiziente Wärmeübertragung und tragen zu einer verbesserten Systemeffizienz und Langzeitstabilität bei.

4. Mikroelektronik und optoelektronische Geräte

Neben den traditionellen Stromversorgungsanwendungen werden AlN-Keramiken auch in Halbleiterverarbeitungsanlagen und optoelektronischen Geräten eingesetzt:

• Wärmesenken
• Thermische Spreizer
• Spannfutter
• Ringklammern
• Schaltungssubstrate
• Isolierschichten
• Statische elektrostatische Spannvorrichtungen
• Laser-Wärmemanagement-Module
• Mikrowellen-Gehäusesysteme

Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung einer stabilen Leistung unter Hochtemperatur- und Hochfrequenz-Betriebsbedingungen.

Product Forms of AlN Ceramic Heat Sinks

Depending on specific application needs, AlN ceramics are available in a variety of shapes and configurations, such as:

• Heat sinks for high-power systems
• Crucibles for metal melting
• AlN ceramic rods and heaters
• Custom-shaped ceramic substrates
• Components for semiconductor manufacturing
• Static electrostatic chucks and thermal plates

Advanced CNC equipment enables us to machine more complex and precise AlN parts, such as propeller shapes, greatly expanding the range of applications.

What Are the Main Challenges and Where Is Research Headed for Aluminum Nitride Ceramics?

In reality, AlN ceramics don't conduct heat as well as theory suggests, mainly because of crystal defects, impurities, grain size issues, and oxygen contamination.

Also, the standard tape-casting process we use in manufacturing has drawbacks — the organic additives in the slurry prevent proper densification and mess up grain alignment, which hurts the material's performance.