ALN (Aluminiumnitrid): Formel, Struktur und Anwendungen

Aluminiumnitrid (AlN) - oft abgekürzt als ALN oder AIN - ist eine keramische Verbindung aus Aluminium und Stickstoff. Seine molekulare/chemische Formel ist AlN, was bedeutet, dass ein Al-Atom an ein N-Atom gebunden ist; in der Literatur werden die Bezeichnungen "AlN" und "AIN" synonym verwendet; der chemische Name ist Aluminiumnitrid (IUPAC-Name: Aluminiumnitrid). Dieses binäre Nitrid kristallisiert in einem hexagonalen Wurtzit-Gitter (ähnlich wie GaN oder ZnO).Aufgrund der starken Al-N-Bindungen und der tetraedrischen Koordination ist AlN ein elektrischer Isolator mit einer extrem breiten Bandlücke (~6,1 eV). Zu den wichtigsten Materialeigenschaften gehören eine hohe Dichte (~3,26 g/cm³unipretec-ceramics.com), extreme Härte (~11 GPa Vickers) und hervorragende Wärmeleitfähigkeit.

Great Ceramic bietet kundenspezifische AlN-Substrate und -Komponenten (Platten, Unterlegscheiben, Abstandshalter usw.) mit hervorragenden thermischen und elektrischen Eigenschaften. Die AlN-Keramik von Great Ceramic ist >96% rein und weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit (>170-200 W/m-K)、, eine sehr geringe Wärmeausdehnung, hohe Festigkeit und Härte sowie eine hervorragende elektrische Isolierung auf. AlN bleibt auch bei sehr hohen Temperaturen stabil; es zersetzt sich (schmilzt") erst oberhalb von ~2200 °C. Diese Eigenschaften machen AlN zu einem idealen Material für die Elektronikverpackung und das Wärmemanagement - zum Beispiel für Kühlkörper und Substrate in Hochleistungs-LED-Modulen, IGBT- und MOSFET-Leistungsmodulen, HF-/Mikrowellengeräten und anderen Schaltungen, bei denen eine effiziente Wärmeableitung und elektrische Isolierung entscheidend sind.Die Wärmeleitfähigkeit von AlN-Substraten kann bis zu 9-mal höher sein als die von Aluminiumoxid (Al₂O₃), während ihr Wärmeausdehnungskoeffizient (~4,6×10-⁶/K) dem von Silizium sehr nahe kommt, was die Belastung in Chipgehäusen verringert. Zu den typischen AlN-Keramikteilen gehören Platten, Stäbe, Rohre, Unterlegscheiben und kundenspezifisch bearbeitete Komponenten - alle sind bei Great Ceramic durch Präzisions-CNC-Bearbeitung oder Laserbearbeitung erhältlich.

Die hexagonale Wurtzitstruktur von AlN gibt jedem Al-Atom vier nächste N-Nachbarn (und umgekehrt). Diese starke ionische/kovalente Bindung führt zu einem Halbleiter mit extrem breiter Bandlücke (~6,1 eV) und einer hohen Durchbruchspannung. In reiner Form ist AlN ein sehr guter elektrischer Isolator mit einem spezifischen Volumenwiderstand von >10¹⁴ Ω-cm. Die Wärmeleitfähigkeit ist im Vergleich zu anderen keramischen Werkstoffen außergewöhnlich hoch (AlN als Masse 170-200+ W/m-K; Einkristalle bis zu ~320 W/m-K. Zum Vergleich: Die Wärmeleitfähigkeit von AlN ist etwa achtmal so hoch wie die von Aluminiumoxid und übertrifft die der meisten anderen technischen Keramiken bei weitem. Die geringe Wärmeausdehnung von AlN (~4,5-5,2×10-⁶/K) liegt nahe bei der von Silizium (~2,6×10-⁶/K), was die thermische Belastung in der Elektronik minimiert. Auch die Härte ist hoch (Vickers ~11 GPa), und AlN ist chemisch stabil (widersteht Säuren/Basen und geschmolzenem Metall). Diese kombinierten Eigenschaften - hohe T-Stabilität, hohe Steifigkeit (Elastizitätsmodul ~320 GPa) und optische Transparenz im UV-Bereich - ermöglichen ein breites Spektrum von Anwendungen.

AlN-Keramik wird überall dort eingesetzt, wo Wärme effizient transportiert werden muss oder wo eine Isolierung bei hoher Temperatur und Leistung erforderlich ist. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:

Diese Anwendungen nutzen die einzigartige Kombination aus Wärmemanagement und elektrischer Isolierung von AlN. In vielen Fällen wird AlN gegenüber Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Berylliumoxid (BeO) bevorzugt, da es eine bessere Wärmeleitung und eine ähnliche Ausdehnung wie Silizium aufweist.

AlN gewinnt als Halbleitermaterial mit ultrabreiter Bandlücke (UWBG) zunehmend an Aufmerksamkeit. Mit einer Bandlücke von ≈6 e ist AlN für extreme Hochleistungs- und Hochfrequenzelektronik geeignet. Die Forscher der Cornell University stellen fest, dass AlN aufgrund seiner "thermischen Leitfähigkeit, hohen Durchbruchspannung und starken Toleranz gegenüber elektrischen Feldern" ideal für Leistungstransistoren und Dioden der nächsten Generation ist. Die derzeitige Forschung und Entwicklung (z. B. von der DARPA finanzierte Projekte) konzentriert sich auf PIN-Dioden auf AlN-Basis mit ultraniedrigem Durchlasswiderstand zur Verringerung der Leistungsverluste. Außerdem haben AlN-Substrate die ersten Tief-UV-Diodenlaser ermöglicht (Wellenlängen <280 nm) – critical for sterilization and sensing – due to AlN's lattice compatibility with aluminum gallium nitride (AlGaN) layers.

In der Elektronikverpackung spielen AlN-Keramiksubstrate eine "bahnbrechende" Rolle. Die Wärmeleitfähigkeit von AlN (150-230 W/m-K) übertrifft die von Aluminiumoxid bei weitem, so dass die Wärme mit minimalem Wärmewiderstand von den Chips weggeleitet werden kann. Infolgedessen werden AlN-Substrate häufig in IGBT-Modulen, Leistungswandlern und fortschrittlichen LED-Gehäusen verwendet. AlN wird auch in fortschrittlichen Gehäusetechnologien eingesetzt - z. B. in Fan-out-Gehäusen auf Waferebene und in gestapelten 3D-Modulen -, da seine hohe thermische Leistung und Isolierung die Zuverlässigkeit von dichten Hochleistungsbaugruppen verbessert. Kurz gesagt, AlN-Keramik dient in vielen modernen Halbleiter- und Elektronikanwendungen sowohl als Kühlkörper als auch als Substrat.

Great Ceramic ist ein professioneller Hersteller von AlN-Keramik und kundenspezifischen Komponenten und bietet hochreine (>96%) Aluminiumnitrid-Keramikmaterialien in vielen Formen an - Platten, Substrate, Rohre, Stäbe, Unterlegscheiben, Abstandshalter und vollständig bearbeitete Teile. Unsere AlN-Teile können kundenspezifisch entworfen und als OEM-Produkte mit engen Toleranzen und optionaler Metallisierung (z. B. Kupfer- oder DBC-Beschichtung) für die Leistungselektronik hergestellt werden. Die AlN-Keramik von Great Ceramic hat typischerweise eine Dichte von ~3,3 g/cc und eine Wärmeleitfähigkeit von >170 W/m-K. Wir unterstützen Rapid Prototyping und Kleinserienfertigung, einschließlich Präzisionslaserschneiden und Schleifen. Um unsere ALN-Fähigkeiten zu erkunden oder ein Angebot anzufordern, besuchen Sie unsere Aluminiumnitrid (AlN)-Produktseite oder kontaktieren Sie uns für technische Unterstützung.