Aluminiumoxidsubstrate für elektronische Verpackungen

Mit der rasanten Entwicklung der Mobilfunkkommunikation der fünften Generation (5G), des Internets der Dinge und der Leistungselektronik entwickeln sich elektronische Komponenten in Richtung Miniaturisierung, hoher Integration sowie hoher Frequenz und Geschwindigkeit. Dies stellt höhere Anforderungen an das Wärmemanagement, die Zuverlässigkeit der Isolierung und die Signalintegrität in den Verpackungsmaterialien für Schaltkreise. Aluminiumoxidkeramik ist mit ihrer hohen mechanischen Festigkeit, ihren hervorragenden Isolationseigenschaften, ihrer guten Wärmeleitfähigkeit (ca. 20–30 W/(m·K)), ihrem geringen dielektrischen Verlust sowie ihrer außergewöhnlichen Temperaturwechselbeständigkeit und chemischen Stabilität zu einem unersetzlichen, wichtigen Grundmaterial für elektronische Verpackungen geworden. Gepaart mit ihrer breiten Verfügbarkeit von Rohstoffen, relativ niedrigen Kosten und ausgereiften Herstellungsprozessen,Aluminiumoxid-Keramiksubstratespielen in einer Vielzahl von Anwendungen eine entscheidende Rolle, darunter Luft- und Raumfahrt, Fahrzeuge mit neuer Energie, industrielle Steuerung und Unterhaltungselektronik.

Aluminiumoxid (Al₂O₃) liegt in verschiedenen isomorphen Formen vor, einschließlich α-Al₂O₃, β-Al₂O₃ und γ-Al₂O₃. Am stabilsten ist α-Al₂O₃ (Korundstruktur). Sein Kristallsystem gehört zum trigonalen System, wobei Sauerstoffionen in einem hexagonal dicht gepackten Muster vorliegen und Aluminiumionen zwei Drittel der oktaedrischen Hohlräume ausfüllen und so eine dichte, stabile Struktur mit hoher Bindungsstärke bilden. Diese Struktur verleiht α-Al₂O₃ eine hohe Härte (Mohs-Härte 9), einen hohen Schmelzpunkt (ca. 2050 °C), ausgezeichnete chemische Inertheit und dielektrische Eigenschaften, was es zu einer bevorzugten Wahl für die Herstellung von Hochleistungskeramiksubstraten macht.

Basierend auf der Reinheit von Aluminiumoxid werden gängige Keramiken in folgende Kategorien eingeteilt: Korundporzellan (Al₂O₃ ≥ 99 %), 99 %-Porzellan, 95 %-Porzellan und 90 %-Porzellan. Als Porzellan mit hohem Aluminiumoxidgehalt gilt im Allgemeinen, dass es mehr als 85 % Al₂O₃ enthält. Mit zunehmender Al₂O₃-Reinheit verbessern sich die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften der Keramik deutlich. Zu den typischen Eigenschaften von Keramik aus 99,5 % Aluminiumoxid gehören beispielsweise eine Schüttdichte von etwa 3,95 g/cm³, eine Biegefestigkeit von 395 MPa, ein linearer Ausdehnungskoeffizient (25–800 °C) von 8,1 × 10⁻⁶/°C, eine Wärmeleitfähigkeit von 32 W/(m·K), eine Durchschlagsfestigkeit von 18 kV/mm und ein spezifischer Durchgangswiderstand (bei 25°C) über 10¹⁴ Ω·cm. Diese Eigenschaften machen sie ideal für elektronische Verpackungsanwendungen, die hohe Leistung, hohe Isolierung und hohe Temperaturen erfordern.

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