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Leitfaden zur Auswahl von Aluminiumnitrid-Substraten: Wärmeleitfähigkeit, Dicke, Oberflächenbeschaffenheit und Qualifizierung

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Aluminiumnitrid-Substrat

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Beginnen Sie mit der Berechnung des Wärmewiderstands
Die Auswahl eines Aluminiumnitrid-Substrats beginnt mit dem zulässigen Temperaturanstieg, der Verlustleistung des Bauelements und dem Wärmeflussweg. Ermitteln Sie, welchen Anteil die Keramikschicht am Gesamtwärmewiderstand hat, nachdem Sie die Chipbefestigung, die Metallisierung, die Grenzflächen und die Kühlstruktur berücksichtigt haben.

Für eine stationäre, eindimensionale Wärmeleitung durch eine homogene Schicht gilt:

Rth = t / (k × A)

Dabei ist Rth der Wärmewiderstand in K/W, t die Dicke in Metern, k die Wärmeleitfähigkeit in W/(m·K) und A die Querschnittsfläche für den Wärmeaustausch in m². Die Temperaturdifferenz über diese Schicht beträgt ΔT = Q × Rth, wobei Q die durch die Schicht fließende Wärmemenge in Watt ist.

Verwenden Sie diesen Zusammenhang, um in Frage kommende Entwürfe zu vergleichen. Eine kleine Wärmequelle auf einem größeren Substrat führt zu einer seitlichen Wärmeausbreitung, sodass weder die gesamte Substratfläche noch die Grundfläche des Bauteils automatisch als gleichmäßiger Wärmeleitbereich betrachtet werden sollte. Endgültige Temperaturvorhersagen erfordern ein geeignetes thermisches Modell oder Messungen am zusammengebauten Bauteil.

Wählen Sie die Dicke unter Berücksichtigung der Isolierung und der Herstellbarkeit
Bei konstanter Leitfähigkeit und Fläche ist der Widerstand einer Keramikschicht proportional zur Dicke. Eine Verringerung der Dicke von 0,635 auf 0,38 mm reduziert diesen Widerstand um etwa 40 %. Dies kann eine sinnvolle Alternative zur Änderung der Leitfähigkeitsklasse sein, vorausgesetzt, das dünnere Bauteil erfüllt die elektrischen und mechanischen Anforderungen.

Ein dünneres Substrat verändert zudem die Bedingungen für Handhabung, Einspannung, Vereinzelung und Montage. Prüfen Sie die Stützspannweite, die Loch- und Kantengeometrie, die Spannungen durch die Metallisierung sowie mögliche Beschädigungen während des Transports. Die dielektrische Festigkeit des Materials allein bestimmt noch keine sichere Betriebsspannung: Auch die Elektrodengeometrie, die Isolationsabstände, die Spannungswellenform, die Testdauer und das montierte Isolationssystem müssen bewertet werden.

Wählen Sie das Plattenformat entsprechend den nachgeschalteten Anlagen und der nutzbaren Fläche. Eine Produktionsplatte mit den Maßen 138 × 190 mm kann als Ausgangspunkt dienen, doch das optimale Layout hängt von Randfreiräumen, Werkzeugmerkmalen und Schnittzugaben ab. Vergleichen Sie die Kosten pro akzeptiertem Fertigteil – einschließlich Bearbeitung, Prüfung und Ausbeute – und nicht nur die Kosten pro Platte.