Was ist der Grund dafür, dass Aluminiumnitrid Berylliumoxid als Kern von Halbleitern ersetzt?

In aktuellen Halbleitergeräten waren Wärmeableitung und Isolierung schon immer ein unvermeidliches Problem. In der Tat, Berylliumoxid wurde bereits in den 1950er und 1960er Jahren in Substraten für Halbleiterbauelemente, Hochfrequenzgeräte usw. verwendet. Mit dem Fortschritt der Technologie, nach 2000, Aluminiumnitrid begann, Berylliumoxid als bevorzugtes Material in Halbleitern allmählich abzulösen, insbesondere bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Wärmeableitung. Zweitens birgt BeO Sicherheitsrisiken, und das Einatmen von Staub ist zu schädlich für den menschlichen Körper, während AIN ein sicheres und ungiftiges Material ist.

Eigenschaften und Vorteile von Aluminiumnitrid

Obwohl die Wärmeleitfähigkeit von BeO (250 W/(m-K)) deutlich höher ist als die von AlN (theoretischer Wert ca. 320 W/(m-K), tatsächlicher Wert ca. 170-200 W/(m-K)), ist die umfassende thermische Leistung von AlN für die Bedürfnisse von Halbleitern besser geeignet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von AlN (4,5×10-⁶/℃) liegt nahe an dem von Halbleitermaterialien der dritten Generation (z. B. SiC, 4,0×10-⁶/℃), wodurch das durch thermische Belastung verursachte Problem der Grenzflächenablösung verringert werden kann. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von BeO (7,5×10-⁶/℃) unterscheidet sich deutlich von dem von SiC.

Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von AIN liegt über 170 W/m-K.

✅ Ungiftig und umweltfreundlich

✅ Elektrische Isolierung

✅ Hohe mechanische Festigkeit, die Temperaturen von über 1000 °C standhält

✅ Die Dielektrizitätskonstante beträgt nur 7,4 bei 1MHz und der Verlust 1,6 × 10-⁴ bei 1MHz

Beschränkungen von Berylliumoxid

Der fatale Fehler von BeO ist, dass sein Pulver hochgiftig ist. Langfristige Exposition kann zu Lungenkrankheiten führen. Außerdem stellt es bei der Herstellung und Verarbeitung eine ernsthafte Bedrohung für die Umwelt und die Beschäftigten dar. Zweitens sind die Entsorgungskosten für BeO hoch, was den Anforderungen einer umweltfreundlichen Produktion nicht gerecht wird. Aluminiumnitrid hat Berylliumoxid als Kernmaterial von Halbleitern abgelöst, weil es sicher und umweltfreundlich ist und über ausgewogene thermisch-mechanisch-elektrische Eigenschaften und ein ausgereiftes Herstellungsverfahren verfügt. Obwohl BeO einen größeren Vorteil bei der Wärmeleitfähigkeit hat, werden seine Toxizität und Umweltkostenprobleme vom Halbleitermarkt allmählich beseitigt werden.

Aluminiumnitrid vs. Berylliumoxid

Eigentum	Beryllium-Oxid (BeO)	Aluminiumnitrid (AlN)
Wärmeleitfähigkeit	~250 W/m-K	170-
Thermischer Ausdehnungskoeff.	7.5×10-⁶ /°C	4,5×10-⁶ /°C (entspricht SiC)
Toxizität	Hochgradig toxisch	Ungiftig, umweltverträglich
Dielektrizitätskonstante (1MHz)	~6.6	~7.4
Mechanische Festigkeit	Mäßig	Hoch

Aluminiumnitrid Anwendungsbereich

Mit der Unterstützung, Verbesserung und Vervollkommnung der Aluminiumnitridtechnologie hat diese derzeit eine herausragende Rolle in vielen Bereichen gespielt, die nicht auf den Halbleiterbereich beschränkt sind, z. B.

✅ Komponenten von Wärmerohren für Raumfahrzeuge

✅ Leistungselektronische Geräte

✅ MEMS-Sensoren

✅ Röntgengeräte

✅ Laser-Komponenten

✅ IGBT-Module

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