Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Hochwärmeleitfähige Siliciumnitrid-Keramik für die Leistungselektronik
Forschung aktuell
Gefüge einer Si3N4-Keramik
vor (oben) und nach (unten)
der Sinteroptimierung.
Grün- und Sinterkörper aus
Si3N4 sowie daraus über Drahtsägen
am Fraunhofer CSP hergestelltes
Substrat mit einer
Dicke von 320 μm.
Laserscanning-Mikroskopund
FESEM-Aufnahme der
gesägten Si3N4-Oberfläche.
Siliciumnitrid (Si3N4)-Werkstoffe zeichnen sich durch exzellente mechanische und tribologische Eigenschaften selbst bei hohen Temperaturen aus. Darüber hinaus kann durch Anpassung der Zusammensetzung und Mikrostruktur die Wärmeleitfähigkeit von Si3N4 auf bis 100 W/(m∙K) eingestellt werden. Diese Kombination aus hoher Festigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit ist unikal und führt zu einer sehr hohen Thermozyklenbeständigkeit und Lebensdauer von Si3N4-basierten Substraten. Diese Eigenschaften verbunden mit dem hohen elektrischen Widerstand und der Spannungsfestigkeit des Werkstoffs nutzt das Fraunhofer IKTS im BMWK-Projekt CuSiN (FKZ: 3ETE025) für die Entwicklung aktiv-gelöteter Kupfer-Siliciumnitrid-Verbunde (active metal brazed-Substrate, AMB) für den Einsatz als zuverlässige Schaltungsträger in der Leistungselektronik.
Im Rahmen einer Werkstoffanpassung im Labormaßstab wurden der Einfluss von Art und Menge der oxidischen Additive sowie der Si3N4-Pulverqualitäten untersucht. Aus kostengünstigen Si3N4-Pulvern mit niedrigem Sauerstoffgehalt und verringerten Aluminiumverunreinigungen konnten Werkstoffe mit Wärmeleitfähigkeiten von > 90 W/(m∙K) realisiert werden. Die im Labormaßstab entwickelte Granulatzusammensetzung wurde in den kleintechnischen Maßstab (10 kg Skalierung) überführt. Aus den gut-pressfähigen Granulaten wurden über uniaxiales oder kaltisostatisches Pressen Blöcke mit den Abmessungen 320 x 230 x 45 mm bzw. 265 x 195 x 60 mm hergestellt. Beim Sintern großer Blöcke müssen Temperaturgradienten beim Aufheizen und Abkühlen berücksichtigt werden. Mittels Modellierung konnten kritische Spannungen während des Sinterprozesses abgeschätzt und die Sinterpraxis optimiert werden. Aus den gesinterten Blöcken stellte das Fraunhofer CSP in Halle über Vieldrahtsägen 7,5 x 5,5 Zoll-Substrate her. Die erzielten Substrate mit niedriger Rauheit und hoher Ebenheit bedürfen keiner mechanischen Nachbearbeitung der Substratoberfläche für die nachfolgende Metallisierung. Zudem ist die Substratdicke von beispielsweise 320 μm bis zu 100–150 μm ziel-genau einstellbar.
Neben der entwickelten AMB-Technologie qualifizierte das Forschungsteam auch Methoden für die Charakterisierung der Substrate hinsichtlich der Gefüge, der thermischen, mechanischen, elektrischen und dielektrischen Eigenschaften.
Durch weitere Optimierung des Werkstoffs und des Sinterregimes sind Wärmeleitfähigkeiten > 100 W/(m∙K) realisierbar.
Leistungs- und Kooperationsangebot
- Entwicklung von Nitridwerkstoffen mit applikationsoptimierten Eigenschaften
- Charakterisierung von Substraten hinsichtlich mechanischer, thermischer und elektrischer Eigenschaften