Smart Multilayer Aluminum Nitride (AlN)

Für höchste Leistungsdichte Ihrer Stromversorgungslösung

Die neuen intelligenten AlN-Multilayer-Substrate und -Packagings von TDK verschieben die Grenzen von extrem leistungsstarken Power-Modulen und Umrichter-Einheiten in Bezug auf Leistungsdichte, Wärmeableitung, Zuverlässigkeit und Abmessungen.

AlN-Keramik

Die wichtigsten Eigenschaften von Aluminiumnitrid sind eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die sonst üblichen Keramiken und Substratmaterialien sowie ein Wärmeausdehnungskoeffizient, der dem von Silizium entspricht

Effiziente Wärmeableitung und hervorragende Isolationseigenschaften
Hohe Wärmeleitfähigkeit von bis zu 180 W/(m⋅K)
Geringere Störabstrahlung (EMI) durch eingebettete Abschirmung
Multilayer-Design: kleinere und kompaktere Packagings und Substrate
Kundenspezifisches Substrat- und 3D-Gehäusedesign
Bis zu 15 Routing-Lagen in einem Substrat möglich

Die wichtigsten Vorteile im Detail

Effiziente Wärmeableitung und hervorragende Isolationseigenschaften

AlN bietet eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von 180 W/(m K)
Ein AlN-Substrat oder -Packaging kann im Vergleich zu Standardkeramiken wie Al₂O₃ (Aluminiumoxid) oder Si₃N₄(Siliziumnitrid) fünf- bis zwölfmal kleiner ausfallen und trotzdem die gleiche Verlustleistung abführen
Perfekte Kompatibilität mit SiC, GaN und Silizium
Der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) von AlN liegt sehr nahe an dem von Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) und Silizium (Si). Daher ist die thermo-mechanische Verbindung zwischen diesen Materialien auch über lange Zeit optimal.

Geringere Störabstrahlung (EMI) durch eingebettete Abschirmung

EMI-Maßnahmen direkt im Inneren des Substrats
Durch die mehrschichtige Architektur lässt sich ein EMI-Abschirmung direkt im Inneren des Substrats einbetten.
Reduzieren Sie den externen Filteraufwand auf ein Minimum
Durch eine Abschirmung genau dort, wo die Störungen erzeugt werden, lässt sich der externe Filteraufwand minimieren oder kann ganz entfallen.

Kleinere und kompaktere Packagings und Substrate

Multilayer-Architektur für höhere Leistungsdichte, kleinere Grundflächen und minimierte Schleifeninduktivität
Zur Minimierung des Platzbedarfs und der Schleifeninduktivität sind bis zu 15 Routing-Lagen innerhalb des AlN-Substrats oder -Packagings möglich. Dadurch können Sie Ihre Layouts optimieren und die elektrischen Anschlüsse verkürzen.
Maximieren Sie die Schaltfrequenz und minimieren Sie die Systemkosten
Kurze elektrische Anschlüsse reduzieren parasitäre Einflüsse und ermöglichen viel höhere Schaltfrequenzen. Angenehmer Nebeneffekt: Sie kommen mit deutlich kleineren passiven Bauelementen aus und können damit die Systemkosten senken.

Wärmeableitung und Platzbedarf

Standardmaterialien für Keramiksubstrate sind Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und Aluminiumnitrid. Ein wesentlicher Unterschied zwischen diesen Substraten ist die Wärmeleitfähigkeit. Das Beispiel einer Wärmequelle mit einer Temperaturdifferenz von 150 K und einer Verlustleistung von 16,5 W veranschaulicht den Unterschied zwischen diesen Materialien.

Al₂O₃

Si₃N₄

AlN

Bei einer Breite von 3 mm, einer Keramikdicke von 1 mm und einer oberen und unteren Galvanisierung bzw. -beschichtung mit 0,1 mm Kupfer ist zu sehen, wie unterschiedlich sich die Verlustwärme bei AlN, Si₃N₄ und Al₂O₃ ausbreitet. Während das gut wärmeleitende AlN die Wärme am Kontaktpunkt bereits sphärisch auch in die Tiefe ableitet, leiten schwach wärmeleitende Keramiken wie Si₃N₄ oder Al₂O₃ die erzeugte Wärme zunächst zweidimensional über die Oberfläche ab, weil die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer deutlich höher ist als die der Keramiken. Erst wenn die Verlustenergie die Ränder der Kupferlage erreicht, wird die Wärme vertikal durch die Keramik weitergegeben. Dies steht in starkem Gegensatz zu den Ergebnissen aus AlN.

Weiter

Aufgrund dieser physikalischen Eigenschaften ermöglicht AlN eine viel kleinere Grundfläche als andere Substrate:

5× kleiner im Vergleich zu Si₃N₄ oder
Sogar 12× kleiner im Vergleich zu Al₂O₃

Die kleinere Grundfläche führt zu einer geringeren Schleifeninduktivität. Dadurch kann das Design mit höheren Schaltfrequenzen arbeiten, sodass die kleinere passive Bauelemente ausreichen und sich somit die Systemgröße und -kosten reduzieren.

Funktionen, die Ihre Leistungselektronik auf die nächste Stufe heben

Halbleiter mit breiter Bandlücke wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) läuten in der Leistungselektronik eine neue Ära der Effizienz, Leistungsdichte und Miniaturisierung ein. Um all diese Eigenschaften in Ihre Schaltung nutzen zu können, ist ein leistungsstarkes, smartes Substrat erforderlich.

Allgemeine Kostenreduzierung

Die Verwendung von AlN in Kombination mit SiC könnte Ihre Systemkosten um 12 Prozent im Vergleich zur Standard-SiC-Architektur und sogar um 26 Prozent im Vergleich zur Si-Architektur senken.

Kleineres Packaging
Geringerer Aufwand für das Wärmemanagement
Geringerer Aufwand für EMI-Filterung
Kleinere passive Komponenten durch höhere Schaltfrequenzen

Geeignet für viele Branchen

Unsere AlN-Packagings und -Substrate sind geeignet für:

Materialeigenschaften

Keramik	Einlagiges oder mehrlagiges Aluminiumnitrid (AlN)
Wärmeleitfähigkeit [W/(m K)] bei +25 °C	170...180
Zugspannungsgrenze (Biegefestigkeit) [MPa]	450...500
Elastizitätsmodul [GPa]	320
Wärmeausdehnungskoeffizient [ppm/K]	4,7
Dielektrizitätskonstante	ca. 8,7
Isolationswiderstand [Ω] bei 500 V und +25 °C	7,0 ⋅ 10¹⁴
Durchschlagfestigkeit [kV/mm]	172,5
Verlustfaktor (tanδ)	2,0 ⋅ 10^-4

Design

AlN-Entwurfsregeln

Für die Anpassung Ihres individuellen AlN-Substrats oder -Packagings haben wir einige Designregeln vorbereitet, die Ihnen dabei helfen, die Anzahl der Entwicklungszyklen zu minimieren und somit die Produktfreigabe zu beschleunigen.

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AlN auf einen Blick

TDK - Ihr zuverlässiger Partner

Fachwissen

Technologie

Wir entwickeln mehrschichtige (und monolithische) kundenspezifische AlN-Packagings und -Substrate für Halbleiter und die Leistungselektronik.
Das Geheimnis dahinter ist ein Keramiksubstrat, das es Herstellern von Wide-Bandgap-Halbleitern, VCSELs und LEDs ermöglicht, ihre Produkte kleiner und mit höherer Leistungsdichte zu gestalten.

Produktion

Diese kundenspezifisch entwickelten AlN-Designs werden direkt im selben Werk in Europa produziert und hergestellt.
Dies umfasst die gesamte Prozesskette und Infrastruktur für die Massenfertigung.

Technik

AlN-Packages und -Substrate sind kein herkömmliches Produkt, sondern eine Dienstleistung bzw. ein System und eine Lösung
Wir bieten Designregeln für eine schnelle und einfache Gestaltung.
Unser Team von Ingenieuren hilft Ihnen, Ihr Design zu optimieren und die beste Lösung für das Verhältnis von Power zu Kosten zu finden.

Qualität aus Europa

TDK ist ein Marktführer bei passiven Bauelementen. Wir können das Leistungsmodul sogar mit NTC-Thermistoren und Keramikkondensatoren ausstatten und optimieren.

Alles aus einer Hand, getestet, geprüft und freigegeben für weitere Schritte, produziert und entwickelt im Herzen Europas.

Kontakt aufnehmen

Sind Sie an AlN-Keramik interessiert? Bitte beschreiben Sie kurz Ihre Anwendung. Unsere AlN-Experten helfen Ihnen gerne weiter.

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aln [at] tdk.com

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