En los dispositivos semiconductores actuales, la disipación de calor y el aislamiento siempre han sido problemas inevitables. De hecho, óxido de berilio se ha utilizado en sustratos de dispositivos semiconductores, dispositivos de radiofrecuencia, etc. ya en los años cincuenta y sesenta. Con el avance de la tecnología, después de 2000, nitruro de aluminio empezó a sustituir gradualmente al óxido de berilio como material preferido en los semiconductores, especialmente en aplicaciones con elevados requisitos de disipación térmica. En segundo lugar, el BeO presenta riesgos de seguridad, y la inhalación de polvo es demasiado nociva para el cuerpo humano, mientras que el AIN es un material seguro y no tóxico.
Propiedades y ventajas del nitruro de aluminio
Aunque la conductividad térmica del BeO (250 W/(m-K)) es significativamente superior a la del AlN (el valor teórico es de unos 320 W/(m-K), el valor real es de unos 170-200 W/(m-K)), el rendimiento térmico global del AlN es más adecuado para las necesidades de los semiconductores. El coeficiente de dilatación térmica del AlN (4,5×10-⁶/℃) se aproxima al de los materiales semiconductores de tercera generación (como el SiC, 4,0×10-⁶/℃), lo que puede reducir el problema de la delaminación de la interfaz causada por la tensión térmica. El coeficiente de dilatación térmica del BeO (7,5×10-⁶/℃) es muy diferente del del SiC.
✅ El coeficiente de conductividad térmica de AIN es superior a 170W/m-K
✅ No tóxico y respetuoso con el medio ambiente
✅ Aislamiento eléctrico
✅ Alta resistencia mecánica, capaz de soportar temperaturas superiores a 1000°C.
✅ La constante dieléctrica es de sólo 7,4 a 1MHz y la pérdida es de 1,6 × 10-⁴ a 1MHz.
Limitaciones del óxido de berilio
El defecto fatal del BeO es que su polvo es muy tóxico. Una exposición prolongada puede causar enfermedades pulmonares. Además, supone una grave amenaza para el medio ambiente y los empleados durante su producción y procesamiento. En segundo lugar, el coste de eliminación de residuos del BeO es elevado, lo que no cumple los requisitos de la fabricación ecológica. La razón por la que el nitruro de aluminio ha sustituido al óxido de berilio como material del núcleo de los semiconductores es que es seguro y respetuoso con el medio ambiente, y tiene un equilibrio de propiedades integrales térmicas-mecánicas-eléctricas y un sistema de preparación maduro. Aunque el BeO tiene una mayor ventaja en conductividad térmica, sus problemas de toxicidad y coste medioambiental serán eliminados gradualmente por el mercado de semiconductores.
Nitruro de aluminio frente a óxido de berilio
| Propiedad | Óxido de berilio (BeO) | Nitruro de aluminio (AlN) |
| Conductividad térmica | ~250 W/m-K | 170- |
| Coeficiente de dilatación térmica | 7.5×10-⁶ /°C | 4,5×10-⁶ /°C (coincide con SiC) |
| Toxicidad | Altamente tóxico | No tóxico, seguro para el medio ambiente |
| Constante dieléctrica (1MHz) | ~6.6 | ~7.4 |
| Resistencia mecánica | Moderado | Alta |
Gama de aplicaciones del nitruro de aluminio
En la actualidad, con el apoyo, la mejora y el perfeccionamiento de la tecnología del nitruro de aluminio, ésta ha desempeñado un papel destacado en muchos campos, no limitados al campo de los semiconductores, tales como
✅ Componentes de los tubos de calor de las naves espaciales
Dispositivos electrónicos de potencia
Sensores MEMS
✅ Equipo de rayos X
✅ Componentes láser
Módulos IGBT
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