Design der Mikrostruktur bei Aluminiumnitrid-Keramiken für leistungsfähige Wärmetauscher in der Mikroelektronik
29.08.2008
Die Aufgabe
Die Leistungsdichte elektronischer Bauteile steigt mit jeder neuen Chipgeneration deutlich an. Entsprechend erhöht sich die Notwendigkeit, die entstehende Wärme effizient abzuleiten. Dazu werden elektrisch isolierende Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit benötigt.
Aluminiumnitrid-Keramiken sind für diese Aufgabe hervorragend geeignet, weil sie eine hohe Wärmeleitfähigkeit um ca. 180 W/mK besitzen. Ihr Wärmeausdehnungskoeffizient ähnelt außerdem dem von Silicium, so dass Wärmespannungen im Verbund Silicium mit Aluminiumnitrid vermieden werden. Der Wärmewiderstand von Aluminiumnitrid(AlN)-Substraten könnte noch weiter reduziert werden, wenn deren Dicke verringert würde. Dazu muss allerdings die Bruchfestigkeit der Keramiken von heute ca. 400 MPa (4-Punkt-Biegebruch) auf Werte über 500 MPa erhöht werden.
Neben der Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit spielen auch die Oberflächeneigenschaften der Substrate eine wichtige Rolle. Für die bei der Weiterverarbeitung der Keramiken notwendige Metallisierung ist eine glatte und homogene Oberfläche nötig. Eine aufwändige Nachbearbeitung der Oberflächen ist aus Kostengründen unmöglich. Auch die übrigen Herstellungskosten, wichtig sind vor allem die Rohstoff- und Sinterkosten, stehen unter hartem Wettbewerbsdruck.
Die Aufgabe, einen kostengünstigen Herstellprozess für AlN-Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit sowie den für die Metallisierung benötigten Oberflächeneigenschaften zu entwickeln, ist typisch für die Anforderungen an Hochleistungskeramiken in vielen neuen Einsatzgebieten. Benötigt werden Multifunktionswerkstoffe mit am Markt akzeptablen Herstellungskosten, wobei der Wettbewerb zwischen verschiedenen Materialien häufig bei den Brenn- bzw. Nachbearbeitungskosten entschieden wird.
Unsere Lösung
AlN-Keramiken werden am günstigsten unter Zusatz von Yttriumoxid gesintert, weil sich bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen eine Schmelzphase bildet, die einen Flüssigphasensinterprozess ermöglicht. Beim Flüssigphasensintern werden Verunreinigungen aus den AlN-Körnern in der Schmelzphase konzentriert. Die Anforderungen an die Reinheit und folglich die Kosten der eingesetzten AlN-Rohstoffe werden damit geringer.
Allerdings entstehen nach der Sinterung beim Erstarren der flüssigen Phase und dem weiteren Abkühlen Spannungen in den Keramiken, weil die Wärmeausdehnung der Nebenphase wesentlich höher ist als die des AlN. Diese mikrostrukturellen Spannungen beeinträchtigen die Festigkeit. Sie können durch Einbringen einer Dispersionsphase, die Druckspannungen erzeugt, kompensiert werden.
Es muss aber sichergestellt sein, dass die Dispersionsphase nicht gelöst wird und auch die Wärmeleitfähigkeit der Keramiken nicht sinkt. Mögliche Dispersionsphasen und ihr zulässiger Anteil (Bild 1) wurden durch Berechnung der thermodynamischen Stabilität, der mikrostrukturellen Spannungen und der Wärmeleitfähigkeit identifiziert. Am aussichtsreichsten erwies sich ein Zusatz von Zirkoniumnitrid, das durch eine thermische Nachbehandlung der AlN-Keramiken in ZrO2 umgewandelt wird und dabei die benötigten Druckspannungen erzeugt. Die Festigkeit der AlN-Keramiken konnte so von 400 auf 500 MPa erhöht werden.
Die Korngröße des AlN und die Verteilung der Nebenphasen hängen von den Bedingungen beim Sintern ab. Bei ungünstigen Bedingungen treten Entmischungen auf. Die flüssige Phase reichert sich in Teilbereichen der Keramik an oder tritt an der Oberfläche aus. Dies führt zu Einbußen bei der Festigkeit und zu Schwierigkeiten bei der Oberflächenmetallisierung. Die Entmischungsphänomene wurden durch eine Computersimulation der Mikrostruktur (Bild 2) und der zugehörigen Gleichgewichtsenergien beschrieben. Daraus wurden die anzustrebenden Bedingungen abgeleitet.
Die benötigten Materialparameter wurden durch In-Situ-Messungen der Schwindung (Bild 3) und der Wärmeleitfähigkeit während der Sinterung im Laborofen erhalten. Erstmals gelang es, die Sinterung von AlN-Keramiken direkt zu verfolgen. Dies war durch den Einsatz der thermo-optischen Messanlage (TOM) am Fraunhofer ISC möglich. Mit den optimierten Sinterbedingungen konnten Entmischungen vermieden (Bild 4) und die Festigkeit der Keramiken um 20 Prozent gegenüber dem bisherigen Wert gesteigert werden.
Kundennutzen
Die Computersimulation ermöglicht die Vorhersage von Materialeigenschaften aufgrund einer vorgegebenen Mikrostruktur. Trial-and-Error-Verfahren werden durch ein Design der Mikrostruktur ersetzt. Die Entwicklung von Multifunktionskeramiken wird dadurch wesentlich zielgerichteter.
Bei der Suche nach den geeigneten Prozessparametern, mit denen sich die angestrebte Mikrostruktur einstellen lässt, kann ebenfalls die Computersimulation helfen. Sie stützt sich dabei wesentlich auf Messdaten, die in-situ beim Sintern der Keramiken gemessen werden.
Die Partner
Die Aluminiumnitridkeramiken werden gemeinsam vom Fraunhofer ISC, der CeramTec AG, Marktredwitz, und der ANCeram GmbH, Bindlach, entwickelt. Das Projekt wird vom Freistaat Bayern im Programm „Neue Werkstoffe “ gefördert.
Ansprechpartner
Dr. Friedrich Raether
Tel. +49 (0)931 4100-200
Fax: +49 (0)931 4100-299
E-Mail: friedrich.raether@isc.fraunhofer.de
Dipl.-Min. Andreas Klimera
Tel. +49 (0)931 4100-291
Fax: +49 (0)931 4100-299
E-Mail: andreas.klimera@isc.fraunhofer.de