Thermische Substrate
Nanokeramik eröffnet Leiterplattenentwicklern neue Dimensionen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Herstellung keramischer Schichten auf Aluminium
Bei dem neuen, patentierten Verfahren Nanotherm entsteht eine Aluminiumoxid-Schicht auf der Oberfläche einer Grundplatte aus Aluminium, indem diese Platte in ein Elektrolytbad gehängt und einem komplexen elektrischen Impulsmuster ausgesetzt wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es in hohem Umfang steuerbar ist, so dass die Dicke der Isolierschicht auf 1 µm genau eingestellt werden kann.
Auf den ersten Blick ähnelt dieser Prozess anderen Verfahren zur Erzeugung von Keramik auf Metall wie dem Eloxieren, der elektrolytischen Oxidation mit einem Plasma oder mit Mikrolichtbögen. In der Praxis erzeugt keines dieser Verfahren eine ausreichend dichte Schicht, um die erforderliche elektrische Isolierung zu erreichen.
Nanotherm erzeugt im Gegensatz dazu ein Material, das sich in anspruchsvollen Anwendungen bewährt hat. Zudem kann und das Verfahren für die Leiterplattenproduktion in großen Mengen skaliert werden. Da als Grundmaterial Aluminium eingesetzt wird, bleiben auch die Kosten wettbewerbsfähig. Nanotherm kann daher konventionelle MBPCB ersetzen; zudem ist es thermisch effizienter.
Bild 2 zeigt einen Vergleich der thermischen Leitfähigkeit von Nanotherm LC (laminiertes Kupfer) gegenüber einer Auswahl gebräuchlicher thermischer Substrate. Durch eine bessere Ableitung der Verlustwärme aus der LED durch das Substrat zu einem Kühlkörper senkt Nanotherm die Sperrschichttemperatur der LED (Bild 3). So arbeitet die LED XP-E von Cree bei einem Strom von 1,5 A auf Nanotherm mit einer rund 20 °C niedrigeren Temperatur als bei einem gebräuchlichen isolierten Metallsubstrat mit 2 W/mK.
Nanotherm bietet also gegenüber herkömmlichen MB-PCB bessere thermische Eigenschaften. Es kann auch als kostengünstiger Ersatz für Hochleistungs-Keramikfliesen aus Aluminiumnitrid (AIN) verwendet werden. Heute ist metallisierte AIN-Keramik sozusagen der Goldstandard unter den thermischen Substraten, denn ihr thermischer Widerstand ist bis zehnmal geringer als bei typischen isolierten Metallsubstraten. Die extrem hohen Kosten der AIN-Platten beschränken ihren Einsatz jedoch auf anspruchsvollste Anwendungen. Hier bietet die Nanotherm-Technologie eine Alternative. Beim oben beschriebenen Nanotherm LC stellt die dünne Klebeschicht zwischen der Isolierung und der Kupferlage einen thermischen Engpass dar. Er lässt sich mit Nanotherm-Versionen höherer Leistung nahezu eliminieren.
Bei Nanotherm PS (Printed Silver) werden konventionelle Dickschichtprozesse eingesetzt, um eine Silberschicht direkt auf dem Dielektrikum aus Aluminiumoxid zu bilden. Da hierbei Standardausrüstung und -prozesse verwendet werden, lässt sich dieser Werkstoff vergleichsweise billig herstellen. Seine elektrischen Isolationswerte beschränken den Einsatz jedoch auf Niederspannungsanwendungen.
Bei Nanotherm DM (Direkte Metallisierung) kommen Prozesse aus der Halbleiterherstellung zur Anwendung, um auf der Nanokeramik eine dünne Schicht aus Titan und Kupfer zu bilden. Die eigentliche Schaltung kann anschließend auf dem Kupfer mit den üblichen Foto- und Beschichtungsverfahren für Leiterplatten erzeugt werden.
AlN-Keramikplatten sind teuer, weil sie ein exotisches Basismaterial benötigen – Nanotherm PS und Nanotherm DM verwenden hingegen die gleiche Verbundstruktur aus Nanokeramik und Aluminium wie Nanotherm LC. Anwendungen für Nanotherm DM, z.B. Netzteile für hohe Leistungen, profitieren von der den AIN-Keramikplatten vergleichbaren Leistung zu bisweilen nur der Hälfte der Kosten.
Neue Anwendungen für isoliertes Aluminium
Nanokeramische Verfahren zur Beschichtung von Aluminium mit einer elektrisch isolierenden Schicht aus kristallinem Aluminiumdioxid bieten niedrigere Wärmeimpedanz zu niedrigen Kosten und sind daher ideal für elektronische Systeme, die mit hohen Temperaturen arbeiten. Das Verfahren ist jedoch nicht nur auf Aluminiumplatten beschränkt – auch Stranggussteile aus Aluminium können beschichtet werden. Das ermöglicht z.B. „Chip on Heat Sink“-Substrate (CoHS), bei denen eine vorab erzeugte Schaltungsschicht auf einen Verbundkühlkörper aus Aluminium und Aluminiumoxid ohne dazwischenliegende Leiterplatte oder ein thermisches Schnittstellenmaterial aufgeklebt wird.
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