Keramiksubstrat AlN

für LeistungselektronikAluminiumnitrid

Multilayer-Aluminiumnitrid (AlN) Substrat und Gehäuse — 170–180 W/m·K, bis zu 15 interne Routing-Lagen
Die AlN-Multilayer-Substrate und -Gehäuse von TDK sind für Wide-Band-Gap-Leistungselektronik ausgelegt und bieten höhere Leistungsdichte, verbesserte Wärmeableitung, kleinere Bauvolumina und höhere Zuverlässigkeit durch Kombination aus hoher Wärmeleitfähigkeit, thermischer Ausdehnungs­kompatibilität mit SiC/GaN/Si sowie erweiterten Multilayer-Routing- und Abschirmungsoptionen.

AlN-Keramiken

• Effiziente Wärmeableitung und sehr gute Isoliereigenschaften
  AlN bietet eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als viele andere Keramiken und Substratmaterialien (≈170–180 W/m·K).
• Geringere EMI-Emissionen durch eingebettete Abschirmung
  Die Multilayer-Architektur ermöglicht interne EMI-Abschirmlagen, die direkt dort platziert werden können, wo Emissionen entstehen.
• Multilayer-Design für kompaktere Gehäuse und Substrate
  Kunden­spezifische Substrate und 3D-Packaging mit bis zu 15 internen Routing-Lagen.

Hauptvorteile im Detail
Effiziente Wärmeableitung und sehr gute Isoliereigenschaften

• Die hohe Wärmeleitfähigkeit (~170–180 W/m·K) ermöglicht deutlich kleinere Substratflächen, um die gleiche thermische Leistung im Vergleich zu Al2O3 oder Si3N4 abzuleiten.
• Der Wärmeausdehnungskoeffizient stimmt gut mit SiC, GaN und Si überein, was stabile mechanische und thermische Verbindungen langfristig ermöglicht.

Geringere EMI-Emissionen durch eingebettete Abschirmung

• Abschirmlagen können innerhalb des Multilayer-Substrats geführt werden, sodass der Schutz lokal an den EMI-Quellen anliegt.
• Externe Filtermaßnahmen können reduziert oder entfallen, was Komplexität und Kosten des Systems senkt.

Kleinere und kompaktere Gehäuse und Substrate

• Multilayer-Routing erhöht die Leistungsdichte, minimiert die Baufläche und reduziert die Schleifeninduktivität durch bis zu 15 interne Routing-Lagen.
• Kurze elektrische Kontakte verringern Parasiten und ermöglichen höhere Schaltfrequenzen, wodurch kleinere passive Bauteile und geringere Systemkosten möglich sind.

Wärmeableitung und Baufläche
AlN erzeugt aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit eine sehr lokale Wärmeverteilung um die Quelle. Für eine gegebene Wärmequelle und Leistung ermöglicht AlN deutlich kleinere Substratflächen im Vergleich zu Si3N4 oder Al2O3. Typische Flächen­reduzierungen: ca. 5× vs Si3N4 und bis zu 12× vs Al2O3, was Gehäusegröße, Schleifeninduktivität und thermisches Management reduziert.

Funktionen, die Ihre Leistungselektronik verbessern
Wide-Band-Gap-Halbleiter profitieren von einem leistungsfähigen Smart-Substrat. Wichtige Funktionen umfassen:

• Abschirmlagen — interne Abschirmlagen zum Unterdrücken von EMI an der Quelle.
• Minimierte Streuinduktivität — antiparalleles und multilayer Routing reduziert Streuinduktivitäten.
• Eingebettete Faraday-Käfige — lokale Abschirmstrukturen für Leistungs- und Signalleitungen.
• Integrierte Busbars — multilayer Busbar-Implementierungen für Phasenstromverteilung und lokales Entkoppeln.
• Eingebettete Temperaturmessung — Wolfram- oder ähnliche Strukturen unter dem Die für schnelle Temperaturmessung.
• Hohlräume für eingebettete Bauteile — ermöglichen engere Platzierung von Dies/Bauteilen, planare Oberflächen und geringere Abstände zu Steuerplatinen.
• Power-Vias — kupferlaminierte Vias zwischen Ober- und Unterseite für Stromübertragung hoher Ströme.
• Multisubstrat-Ansatz — gestapelte Substrate und Hohlraum­integration bieten zusätzliche Wärmepfade und erlauben das Entfernen von Bondwires bei alternativen Verbindungsarten (z. B. Silber­sinterung).

Materialeigenschaften
Keramiken: einlagiges oder mehrlagiges Aluminium­nitrid (AlN)
Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C: 170–180 W/m⋅K
Zugfestigkeitsgrenze (Biegefestigkeit): 450–500 MPa
Elastizitätsmodul (Young's Modulus): 320 GPa
Wärmeausdehnungskoeffizient: 4,7 ppm/K
Dielektrizitätskonstante: ≈8,7
Isolationswiderstand @ 500 V (25 °C): 7,0 × 10^14 Ω
Dielektrische Festigkeit / Durchschlagsfestigkeit: 30 kV/mm
Verlustfaktor (tan delta): 2,0 × 10^-14

Merkmale / technische Spezifikationen

• Wärmeleitfähigkeit: ≈170–180 W/m⋅K (bei 25 °C)
• Zugfestigkeitsgrenze (Biegefestigkeit): 450–500 MPa
• Elastizitätsmodul: ≈320 GPa
• Wärmeausdehnungskoeffizient: ≈4,7 ppm/K (kompatibel mit SiC/GaN/Si)
• Dielektrizitätskonstante: ≈8,7
• Isolationswiderstand @500 V (25 °C): ≈7,0 × 10^14 Ω
• Dielektrische Festigkeit: ≈30 kV/mm
• Verlustfaktor (tan δ): ≈2,0 × 10^-14
• Multilayer-Routing: bis zu 15 interne Routing-Lagen
• Eingebettete EMI-Abschirmlagen und Faraday-Käfig-Optionen
• Kupferlaminierte Power-Vias für Stromübertragung hoher Ströme
• Optionen für eingebaute Temperaturmessung und Hohlräume für Bauteileinbettung
• Typische Flächenreduzierung: ~5× vs Si3N4, bis zu ~12× vs Al2O3 (bei gleicher Wärmeabfuhr)