Anwendung von Aluminiumoxid-Keramiksubstraten in Wärmeleitmaterialien (TIM) und strukturellen Isolierschichten

In der Hochleistungselektronik und LED-Beleuchtungssystemen ist die Wärmeableitung bei gleichzeitiger Gewährleistung elektrischer Isolation entscheidend für die Zuverlässigkeit. Wärmeleitmaterialien (TIMs) füllen die Luftspalte zwischen Wärmequellen und Kühlkörpern und verbessern so den Wärmefluss. Strukturelle Isolierschichten sorgen für eine robuste elektrische Isolation und mechanische Stabilität. Aluminiumoxid-Keramiksubstrate erfüllen als dielektrische Wärmeleitmaterialien beide Funktionen: Sie leiten Wärme effizient wie ein TIM und isolieren gleichzeitig elektrisch wie ein herkömmlicher Isolator. Diese Kombination aus hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Durchschlagsfestigkeit ist mit konventionellen Materialien schwer zu erreichen, wodurch Aluminiumoxid-Keramiken (Al₂O₃) in Anwendungen von LED-Treibern bis hin zu Hochspannungs-Leistungsmodulen immer wichtiger werden. Ingenieure in den Bereichen LED-Beleuchtung, Leistungselektronik, medizinische Stromversorgungen und Halbleitergehäuse setzen daher verstärkt auf Aluminiumoxid-Keramiksubstrate, um die Wärmeableitung und die Langzeitstabilität zu verbessern.

Aluminiumoxid-Keramiksubstrate werden aufgrund ihres ausgewogenen Verhältnisses von thermischer, elektrischer und mechanischer Leistung geschätzt:

Hohe Wärmeleitfähigkeit

Aluminiumoxid mit 96 % Reinheit bietet eine Wärmeleitfähigkeit von ≥ 24 W/m·K – deutlich höher als typische Polymerisolatoren (die oft < 5 W/m·K aufweisen). Dadurch leitet Aluminiumoxid Wärme effizient von heißen Bauteilen zu Kühlkörpern ab. Es ist bei hohen Temperaturen einsetzbar (der Schmelzpunkt von Aluminiumoxid liegt bei ca. 2050 °C) und damit weit jenseits der Grenzen polymerbasierter Materialien. Dies macht es ideal für Geräte, die hohe Temperaturen erreichen oder in rauen Umgebungen eingesetzt werden.

Hervorragende elektrische Isolierung

Aluminiumoxid ist ein elektrischer Isolator mit einer Durchschlagsfestigkeit von oft über 17 kV/mm. In der Praxis kann ein dünnes Aluminiumoxidsubstrat Spannungen von mehreren tausend Volt ohne Durchschlag standhalten. Sein spezifischer Volumenwiderstand beträgt ≥10^14 Ω·cm, wodurch minimale Leckströme gewährleistet werden. Darüber hinaus sind die dielektrischen Verluste von Aluminiumoxid sehr gering, was insbesondere in Hochfrequenz- oder HF-Schaltungen von Bedeutung ist. Dank dieser hohen dielektrischen Eigenschaften eignen sich Aluminiumoxidsubstrate hervorragend zur Hochspannungsisolation in Leistungsmodulen und Netzteilen.

Hohe mechanische Festigkeit und Stabilität

Aluminiumoxidkeramik ist hart. Ein Substrat aus 96 % Aluminiumoxid weist typischerweise eine Biegefestigkeit von ≥ 350 MPa auf, was bedeutet, dass es mechanischer Belastung und Montagedruck standhält, ohne zu reißen (vorausgesetzt, es ist ausreichend gelagert). Es ist verschleißfest, chemisch inert und weist praktisch keine Wasseraufnahme auf, sodass es unter feuchten Bedingungen weder quillt noch sich zersetzt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid ist niedriger als der von Metallen, was zur Reduzierung von thermischen Spannungen in Gehäusen beiträgt. Im Gegensatz zu Glimmer- oder Kunststofffolien altern oder kriechen Aluminiumoxidsubstrate nicht und widerstehen Temperaturwechseln, ohne an Integrität einzubüßen.

Hohe Temperatur- und Umweltbeständigkeit

Aluminiumoxid bleibt bis weit über 300 °C temperaturstabil, während viele Polymerisolatoren (wie Polyimid oder Silikon) bereits ab 150–200 °C zu zersetzen beginnen. Es ist nicht brennbar und erfüllt häufig ohne Zusätze die Anforderungen der UL 94V-0. Aluminiumoxid ist zudem korrosionsbeständig – es reagiert weder mit den meisten Chemikalien noch mit Feuchtigkeit. Dadurch eignet es sich für anspruchsvolle Umgebungen und Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen (z. B. in Motorräumen von Kraftfahrzeugen oder in der industriellen Leistungselektronik), bei denen herkömmliche Leiterplattenmaterialien oder Silikonpads versagen könnten.

Kostengünstig für ein Keramikprodukt

Aluminiumoxid ist zwar teurer als FR-4-Platten oder einfache Glimmerplatten, aber deutlich günstiger als Spezialkeramiken wie Aluminiumnitrid (AlN). Es bietet ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis: Man erhält eine wesentlich bessere Wärmeleistung und Zuverlässigkeit als bei Polymeren zu einem vernünftigen Preis für anspruchsvolle Anwendungen. Diese Ausgewogenheit macht Aluminiumoxid zu einer praktischen Wahl, wenn der Einsatz von Hochleistungsmaterialien (wie AlN oder BeO) nicht gerechtfertigt ist.

 Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Aluminiumoxid-Keramiksubstrate gute Wärmeleitfähigkeit, hervorragende elektrische Isolation, mechanische Robustheit und thermische Stabilität vereinen. Diese Eigenschaften untermauern ihre Rolle als Wärmeleitmaterialien (TIM) und isolierende Strukturschichten in elektronischen Baugruppen.

Funktionsweise von Aluminiumoxid-Keramiksubstraten in TIM-Anwendungen

Ein Substrat aus Aluminiumoxidkeramik kann als thermisches Schnittstellenmaterial und gleichzeitig als strukturelle Isolierschicht in einem Gerät dienen. So funktioniert es:

Wärmeleitungsmechanismus

Wird Aluminiumoxid als Wärmeleitmaterial (z. B. als Pad oder Substrat zwischen einem Leistungsbauelement und einem Kühlkörper) verwendet, ermöglicht seine hohe Wärmeleitfähigkeit einen schnellen Wärmeabfluss. Das Keramiksubstrat ersetzt oder ergänzt weichere Wärmeleitmaterialien, indem es einen direkten Wärmepfad mit geringerem Wärmewiderstand als dicke Pads oder Luftspalte bietet. Ein dünnes Aluminiumoxid-Pad, selbst mit einer Dicke von nur 0,5–1 mm, leitet die Wärme effizient von einem Transistorsockel oder LED-Modul zum Kühlkörper.

Elektrische Isolierung und dielektrische Isolation

Aluminiumoxid-Substrate fungieren gleichzeitig als dielektrischer Isolator. Typischerweise befindet sich die Aluminiumoxidschicht zwischen einem Hochspannungsbauteil und einem geerdeten Kühlkörper oder Gehäuse. Sie trennt die beiden zuverlässig voneinander und hält hohen Spannungen (im Kilovoltbereich) ohne Durchschlag stand. Diese Doppelfunktion – Wärmeableitung bei gleichzeitiger Stromableitung – macht Aluminiumoxid zu einer „dielektrischen thermischen Schnittstelle“. In Leistungsmodulen beispielsweise kann ein Keramiksubstrat die Wärme von IGBT-Chips abführen und diese gleichzeitig von einer Metallgrundplatte isolieren. Die Aluminiumoxidschicht dient somit als strukturelle Isolierschicht im Schichtaufbau und ersetzt Materialien wie Glimmer-, Epoxid- oder Polyimidfolien, die traditionell ausschließlich zur elektrischen Isolation verwendet wurden.

Strukturelle Unterstützung

Im Gegensatz zu Wärmeleitpasten oder -gelen ist ein Keramiksubstrat ein starres Strukturmaterial. Es erhöht die mechanische Stabilität: Bauteile können direkt auf dem Aluminiumoxidsubstrat montiert werden (gelötet oder mit Klammern befestigt), und das Substrat kann an einem Kühlkörper oder Gehäuse verschraubt oder geklemmt werden. Aluminiumoxidsubstrate dienen oft als physischer Träger einer Schaltung – beispielsweise in einer hybriden Dickschichtschaltung oder einem Leistungsmodul ist das Aluminiumoxidsubstrat sowohl die Leiterplatte als auch der Wärmeverteiler. Selbst als eigenständiges Isolierpad (z. B. unter einem Transistor) bietet das Keramikpad eine stabile Unterlage, die sich unter Druck nicht verformt. Dies kann die Montagegenauigkeit verbessern (keine Sorge um Pad-Kompression oder Wärmeaustritt). Die Starrheit erfordert jedoch, dass die Oberflächen flach und parallel sind; gleichmäßiger Druck ist wichtig, um Risse im Keramiksubstrat oder im Bauteil zu vermeiden. Bei sachgemäßer Montage (mit Schrauben mit Unterlegscheiben oder Federklammern) sind Aluminiumoxid-Isolierpads sehr langlebig und im normalen Gebrauch bruchfest. Sie behalten ihre Form und Leistungsfähigkeit auch unter hoher Klemmkraft und Temperaturwechseln bei, im Gegensatz zu Glimmer, der reißen kann, oder Silikonpads, die kriechen können.

Schnittstelleneigenschaften

Wärmeleitpads aus Aluminiumoxidkeramik sind typischerweise poliert oder glasiert, um die Oberflächenrauheit zu minimieren. Diese Oberflächenbeschaffenheit trägt zu einem guten Wärmekontakt bei. In manchen Designs kann das Aluminiumoxidsubstrat metallisierte Leiterbahnen oder Lötpads aufweisen (z. B. direkt auf Aluminiumoxid gebondetes Kupfer in Leistungsmodulen), sodass es sowohl als Schaltung als auch als Wärmeleitpad dient. In anderen Fällen handelt es sich um ein blankes Keramikstück, das ausschließlich als Isolator verwendet wird – beispielsweise werden Keramik-Wärmeleitpads für Standard-Transistorgehäuse (TO-220, TO-247 usw.) für die Montagebohrungen zugeschnitten und einfach zwischen Transistor und Kühlkörper eingesetzt. Isolierpads aus Aluminiumoxidkeramik (weiß) für Leistungstransistoren bieten eine hochwärmeleitfähige, elektrisch isolierende Schnittstelle. Diese starren Keramik-Wärmeleitpads ersetzen Glimmer und Wärmeleitpaste und bieten eine sauberere und langlebigere Wärmeleitlösung. Solche Aluminiumoxid-Pads ermöglichen den Wärmefluss zum Kühlkörper bei gleichzeitiger Isolation und erfüllen somit effektiv dieselbe Funktion wie ein Silikon-Spaltpad oder Glimmer + Wärmeleitpaste, jedoch mit einem einzigen, robusten Bauteil. Das Ergebnis ist oft eine niedrigere Sperrschichttemperatur und eine verbesserte Hochfrequenzleistung des Bauelements, da die Keramik eine geringere thermische Impedanz aufweist und weniger kapazitive Kopplung verursacht als flexible Polymerisolatoren.

 Aluminiumoxid-Keramiksubstrate fungieren als vielseitige Wärmeleitmittel: Sie leiten Wärme wie ein Wärmeleitpad, isolieren wie eine dielektrische Schicht und sorgen als solide Montagebasis für mechanische Stabilität. Diese einzigartige Kombination vereint Wärmemanagement und Isolierung in einem einzigen Bauteil.

Typische Anwendung

Aluminiumoxid-Keramiksubstrate finden in vielen Branchen Anwendung, in denen effiziente Kühlung und elektrische Isolierung gleichzeitig erforderlich sind. Im Folgenden werden einige typische Anwendungsszenarien und die Gründe für die Wahl von Aluminiumoxid erläutert:

 LED-Treibermodule und Beleuchtung

Hochleistungs-LEDs und ihre Treiberschaltungen erzeugen in kompakten Baugruppen erhebliche Wärme. Aluminiumoxid-Substrate werden häufig entweder als LED-Montageplatten oder zur Isolierung der Treiberelektronik eingesetzt. Beispielsweise verwenden LED-COB-Baugruppen (Chip-on-Board) oft Aluminiumoxid oder ähnliche Keramiken als Platinenmaterial. Dieses Material leitet die Wärme ab und isoliert die LEDs vom Metallgehäuse. Auch LED-Leistungstreibermodule (AC/DC-Wandler für Beleuchtung) nutzen Aluminiumoxid-Isolierplatten, um Hochspannungsbereiche von Kühlkörpern zu isolieren. Die hohe Wärmeleitfähigkeit der Keramik verlängert die Lebensdauer der LEDs, indem sie die Übergänge kühl hält. Die Isolierung ermöglicht zudem die sichere Befestigung der LED-Module an Metallgehäusen. Eine LED-Treiberschaltung ist auf einem runden Aluminiumoxid-Keramiksubstrat aufgebaut, um eine effiziente Wärmeableitung und Hochspannungsisolierung zu gewährleisten. In der LED-Beleuchtung kann der Einsatz von Aluminiumoxid-Keramik-Isolierschichten den Bedarf an zusätzlichen Kühlkörpern oder Lüftern reduzieren und so kompakte Lampendesigns ermöglichen. Die Zuverlässigkeit der Keramik (kein Austrocknen oder Altern) ist besonders in LED-Systemen von Bedeutung, die zehntausende Stunden in Betrieb sein müssen.

Leistungshalbleitermodule (IGBTs/MOSFETs und OEM-Leistungsmodule)

Die wohl am weitesten verbreitete Anwendung von Aluminiumoxid-Substraten findet sich in Leistungsmodulen – beispielsweise in IGBT-Wechselrichtermodulen, MOSFET-Brückenmodulen und Steuergeräten für die Fahrzeugelektronik. Diese Module verwenden häufig DBC (Direct Bonded Copper) oder ähnliche Konstruktionen, bei denen eine Schicht aus Aluminiumoxid-Keramik zwischen Kupferleiterbahnen und einer Metallgrundplatte eingebettet ist. Das Aluminiumoxid dient als dielektrische Wärmeleitschicht: Es leitet die Wärme von den Halbleiterbauelementen zur Grundplatte oder zum Kühlkörper und hält gleichzeitig hohen Gleichspannungen (600 V, 1200 V oder mehr in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge) stand. In solchen Modulen gewährleisten Aluminiumoxid-Keramik-Substrate die elektrische Isolation jedes Leistungschips vom Kühlkörper, ohne dass separate Glimmer- oder Pad-Isolatoren erforderlich sind. Sie weisen zudem eine geringe parasitäre Kapazität auf, was für Hochfrequenzschaltungen vorteilhaft ist (reduzierte elektromagnetische Störungen). OEM-Ingenieure von Leistungsmodulen bevorzugen Aluminiumoxid aufgrund seiner bewährten Eigenschaften – 96%iges Aluminiumoxid ist kostengünstig und bietet für viele Designs eine ausreichende Wärmeleistung. Für noch höhere Leistungsdichten kommen mitunter AlN-Keramiken zum Einsatz, doch Aluminiumoxid bleibt aufgrund seiner hohen Zuverlässigkeit und mechanischen Festigkeit unter Lastwechseln für viele Industrie- und Automobilmodule weiterhin beliebt. Darüber hinaus reduziert der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid, der dem von Halbleitermaterialien ähnlicher ist als der von Metallen, die thermische Belastung der Lötstellen in diesen Modulen.

Stromversorgungen und Hochspannungselektronik

AC/DC-Netzteile (einschließlich solcher für medizinische Geräte und Industrieanlagen) benötigen häufig eine Isolierung zwischen Hochspannungskomponenten und dem Gehäuse oder den Kühlkörpern. Aluminiumoxid-Keramik-Isolierplatten werden verwendet, um Leistungstransistoren, Gleichrichter oder Spannungsregler in Schaltnetzteilen (SMPS) auf Kühlkörpern zu montieren. Sie gewährleisten die notwendige dielektrische Isolation (gemäß den Sicherheitsnormen für Kriech- und Luftstrecken) und leiten die Wärme von Bauteilen wie MOSFETs oder Dioden effizient an das Kühlgehäuse ab. Bei Hochspannungs-/Hochleistungsnetzteilen kann die Verwendung einer Keramik-Isolierschicht anstelle mehrerer Lagen Wärmeleitpad und Isolator die Montage vereinfachen und die Wärmeleitfähigkeit verbessern. Medizinische Netzteile profitieren besonders von Keramik-Wärmeleitfolien (TIMs) aufgrund ihrer Langzeitstabilität und der fehlenden Ausgasung – wichtig für die Einhaltung strenger Zuverlässigkeits- und Kontaminationsstandards im medizinischen Bereich. Ingenieure, die Leistungsmodule für medizinische Geräte entwickeln, schätzen, dass Aluminiumoxid-Substrate keine Silikonöle enthalten (die migrieren oder ausgasen können) und Sterilisationstemperaturen oder anspruchsvollen Betriebsbedingungen ohne Qualitätsverlust standhalten. Das Ergebnis ist ein kühleres, sichereres und langlebigeres Netzteil.

 Halbleitergehäuse-Grundplatten und HF-Bauelemente

Aluminiumoxid-Keramiksubstrate werden häufig als Gehäusesubstrate für Leistungshalbleiter und HF-/Mikrowellenkomponenten eingesetzt. Beispielsweise verwenden Hochleistungs-HF-Transistoren und Laserdiodengehäuse eine Aluminiumoxid-Keramikbasis, die auf einem Kühlkörper montiert wird. Die Aluminiumoxid-Grundplatte verteilt nicht nur die Wärme, sondern bietet auch eine stabile, hermetische Plattform, die die Wärmeausdehnung an die des Chips anpasst. In HF-Anwendungen eignen sich die dielektrischen Eigenschaften von Aluminiumoxid (moderate Dielektrizitätskonstante von 9,5 und geringe Verluste) für den Aufbau impedanzgesteuerter Schaltungen direkt auf dem Substrat, falls erforderlich. In diesen Fällen bildet das Aluminiumoxidsubstrat im Wesentlichen die strukturelle Isolierschicht des Gerätegehäuses – es isoliert die stromführenden Schaltungen vom Metallgehäuse und leitet gleichzeitig die Wärme an dieses ab. Im Vergleich zu herkömmlichen metallgestützten Leiterplatten oder Kunststoffgehäusen ermöglichen Gehäuse auf Keramikbasis eine höhere Verlustleistung und einen zuverlässigen Betrieb bei hohen Temperaturen. Darüber hinaus können die Biokompatibilität und Stabilität von Aluminiumoxid bei Sensoren oder medizinischen Implantaten, die Wärme erzeugen, von Vorteil sein (beispielsweise wird Aluminiumoxid manchmal in Substraten für Implantate verwendet, weil es isolierend wirkt und bioinert ist).

 In all diesen Anwendungsbereichen – von LED-Modulen bis hin zu IGBT-Wechselrichtern – ermöglichen Aluminiumoxid-Keramiksubstrate Designs mit geringerer Wärmeentwicklung und höherer Sicherheit. Sie erlauben es Ingenieuren, höhere Leistungsdichten durch effektivere Wärmeabfuhr zu erzielen und gleichzeitig die Isolation in Hochspannungsumgebungen aufrechtzuerhalten. Das Ergebnis ist häufig eine verbesserte Leistung und Langlebigkeit des Endprodukts.

Vergleich mit traditionellen Materialien 

Wie schneiden keramische Wärmeleitmaterialien/Isolatoren aus Aluminiumoxid im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeleit- und Isoliermaterialien ab? Nachfolgend ein Vergleich der wichtigsten Alternativen:

Silikonfett (Wärmeleitpaste)

Wärmeleitpaste ist ein gängiges Wärmeleitmittel, das mikroskopisch kleine Spalten zwischen Bauteil und Kühlkörper füllt. Hochwertige Pasten weisen Wärmeleitfähigkeiten von etwa 3–10 W/m·K auf und benetzen Oberflächen gut für einen geringen Kontaktwiderstand. Allerdings bietet Paste weder strukturelle Unterstützung noch elektrische Isolation. Tatsächlich sind viele Pasten nicht elektrisch isolierend (solche, die es sind, enthalten meist Aluminiumoxid- oder Zinkoxid-Füllstoffe). Paste neigt außerdem dazu, mit der Zeit zu quellen und auszutrocknen – sie kann wandern, Staub anziehen und muss sorgfältig neu aufgetragen werden, wenn ein Bauteil ausgetauscht wird. Bei der Montage ist Paste unsauber und kann die Fertigung erschweren (das Auftragen ist zeitaufwändig und sie muss von Löt- und Steckverbinderflächen ferngehalten werden). Aluminiumoxid-Keramikpads lösen diese Probleme: Sie sind saubere, wiederverwendbare Isolatoren, die nach der Installation wartungsfrei sind. Obwohl Paste auf ultraflachen Oberflächen anfänglich einen etwas geringeren Grenzflächenwiderstand erzielen kann, ist der Unterschied gering, wenn das Keramikpad dünn ist und nur eine winzige Menge Paste verwendet wird. Für die meisten Hochleistungsanwendungen überwiegen die Zuverlässigkeit und Sauberkeit von Aluminiumoxid den geringen Vorteil, den Wärmeleitpaste in Bezug auf die Wärmeleistung bieten könnte. Aus diesem Grund entwickelten Hersteller bereits vor Jahrzehnten silikonbasierte Pad-Materialien als „fettfreie Alternative“ – und Aluminiumoxidkeramik ist eine Weiterentwicklung dieser Philosophie, die eine fettähnliche Wärmeleistung ohne die damit verbundenen Verunreinigungen bietet. Glimmer-Isolierfolien: Glimmer (ein natürliches Mineral) wird seit vielen Jahren als elektrische Isolierscheibe, insbesondere bei der Transistormontage, eingesetzt. Glimmer besitzt hervorragende elektrische Eigenschaften (Durchschlagsfestigkeit oft unter 5 kV/mm) und ist in dünnen Folien (ca. 0,05–0,1 mm) erhältlich. Allerdings ist die Wärmeleitfähigkeit von Glimmer gering (in der Größenordnung von 0,3–0,5 W/m·K), und ein unbeschichteter Glimmerisolator weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Daher muss Glimmer beidseitig mit Wärmeleitpaste kombiniert werden, um eine gute Wärmeübertragung zu gewährleisten. Die Montage gestaltet sich dadurch umständlich (Fett auf beiden Seiten), und wenn der Glimmer bricht – was aufgrund seiner Sprödigkeit leicht passieren kann –, können Wärmeleistung und Isolierung beeinträchtigt werden. Im Gegensatz dazu weist ein Aluminiumoxid-Keramikusolator eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit (mindestens 20 W/m·K) auf und kann oft in größeren Dicken (0,5–1 mm) eingesetzt werden, ohne die Wärmeleistung von Glimmer + Fett zu beeinträchtigen. Aluminiumoxid ist zudem robuster in der Handhabung; obwohl es sich um eine Keramik handelt und absplittern kann, ist ein gut gebranntes Aluminiumoxidsubstrat in der Regel fester als dünner Glimmer, der leicht abblättert. Der Nachteil sind die Kosten: Glimmer ist sehr günstig, während Aluminiumoxid-Keramik pro Stück teurer ist. Bei hochzuverlässigen und leistungsstarken Designs rechtfertigen die Leistungssteigerung und die erhöhte Zuverlässigkeit (keine Wartung mit Fett, keine unerwarteten Ausfälle von Glimmer) jedoch die höheren Kosten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Aluminiumoxid-Keramikkügelchen eine moderne Weiterentwicklung von Glimmerisolatoren darstellen und eine bessere Wärmeleitung sowie höhere mechanische Festigkeit bieten.

 Polyimide Films (e.g. Kapton)

Polyimidfolie ist ein weiteres Isoliermaterial, das in einigen Wärmeleitpastenstapeln (TIM) verwendet wird. Sie besitzt eine hohe Durchschlagsfestigkeit und kann sehr dünn sein (25–125 µm), was in Kombination mit einer Wärmeleitpaste den Wärmewiderstand reduziert. Polyimid selbst hat eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit (ca. 0,1 W/m·K) und wird daher üblicherweise mit Wachs, Fett oder Klebstoff zu Isolierbändern oder -pads kombiniert. Beispielsweise verwenden einige Isolierpads einen Polyimidträger mit einer wärmeleitenden Beschichtung. Polyimid ist aufgrund seiner Robustheit und Flexibilität geschätzt – es bricht nicht wie Glimmer und hält hohen Temperaturen (bis zu ca. 200 °C) stand, ohne zu schmelzen. Unter Hochleistungsbedingungen kann eine dünne Folie jedoch immer noch den Wärmefluss behindern, und ihre geringe Dicke kann bei hohen Spannungen ein Nachteil sein (für sehr hohe Spannungen sind mehrere Schichten erforderlich). Aluminiumoxid-Keramiksubstrate hingegen sind noch besser für hohe Temperaturen geeignet und bieten dank ihrer Materialdicke und der deutlich besseren Wärmeleitfähigkeit eine hohe dielektrische Isolation in einer einzigen Schicht. Polyimid-Isolierlösungen sind in der Mittelleistungselektronik weit verbreitet. Bei extremen thermischen Anforderungen sind keramische Isolierschichten jedoch überlegen, da sie die Isolierung bei deutlich niedrigerer Wärmeleitfähigkeit gewährleisten. Polyimid kann in kostengünstigeren oder leistungsschwächeren Anwendungen eingesetzt werden, während bei hohen Leistungsdichten oder wenn eine starre Isolierstruktur erforderlich ist, Aluminiumoxidkeramik zum Einsatz kommt.

Silikonkautschukpads (Spaltpads/Wärmeleitpads)

Silikonbasierte Elastomerpads (oft mit Keramikpartikeln gefüllt) sind aufgrund ihrer Weichheit und Anpassungsfähigkeit eine beliebte Wärmeleitpaste. Sie lassen sich vorschneiden, sind einfach zu installieren (einfach auflegen) und bieten sowohl Isolierung als auch eine gute Wärmeleitfähigkeit (typischerweise 1–5 W/m·K, Hochleistungspads bis zu ~10 W/m·K). Dank ihrer Kompressibilität machen diese Pads das Auftragen von Wärmeleitpaste überflüssig und füllen Unebenheiten auch auf nicht perfekt ebenen Oberflächen. Die Nachteile liegen in der Wärmeleistung und der Alterung. Selbst die besten Silikonpads weisen bei gleicher Dicke einen höheren Wärmewiderstand als harte Keramik auf, da die Polymermatrix weniger leitfähig ist und die Pads in der Regel dicker sind, um eine gute Abdeckung zu gewährleisten. Silikonpads können zudem flüchtige Stoffe ausgasen (was in empfindlichen Anwendungen wie Optik oder Raumfahrt problematisch ist) und sich bei hohen Temperaturen über längere Zeiträume zersetzen (hart oder spröde werden). Aluminiumoxid-Keramiksubstrate weisen diese Probleme nicht auf – sie bleiben stabil und werden weder komprimiert noch zersetzt. Bei hinreichend ebenen Oberflächen ist ein Aluminiumoxid-Pad (gegebenenfalls mit einer dünnen Fettschicht) einem dickeren Silikon-Pad in der Regel überlegen. Die Steifigkeit von Aluminiumoxid kann sich jedoch bei rauen oder unebenen Oberflächen als Nachteil erweisen – in solchen Fällen bietet ein weicheres Pad möglicherweise einen besseren Kontakt. Bei gut aufeinander abgestimmten Oberflächen ist die fehlende Kompressibilität der Keramik jedoch kein Problem, und ihre höhere Leitfähigkeit kommt voll zum Tragen. Tatsächlich kann die Verwendung eines Keramikisolators in Hochfrequenz- oder schnell schaltenden Schaltungen die Leistung sogar verbessern, da er die Streukapazität reduziert und die Dämpfung eines weichen Pads vermeidet. Hersteller berichten von einer verbesserten Hochfrequenzstabilität beim Austausch von Silikon- durch Keramikisolatoren. Fazit: Silikon-Pads sind praktisch und für viele Anwendungen ausreichend, doch für optimale thermische und dielektrische Leistung sind Aluminiumoxid-Keramik-Pads die bessere Wahl (bei sorgfältiger Montage ist jedoch Vorsicht geboten).

Andere fortschrittliche Materialien

Aluminiumoxid ist nicht das einzige verfügbare Keramikmaterial. Aluminiumnitrid (AlN) ist eine Keramik mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit (über 170 W/m·K) und guter Isolationsfähigkeit, was es zu einer attraktiven, aber teureren Alternative macht. Berylliumoxid (BeO) bietet eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit (ca. 200–300 W/m·K), ist jedoch giftig (Berylliumdioxidstaub ist gesundheitsschädlich) und wird daher seltener verwendet. Einige spezielle Wärmeleitmaterialien (TIMs) verwenden hexagonales Bornitrid oder andere Keramikfasern in einem Verbundwerkstoff, um die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Im Vergleich dazu bietet Aluminiumoxid ein optimales Verhältnis von Kosten, einfacher Herstellung und ausreichender Leistung. Es mag zwar eine geringere Wärmeleitfähigkeit als AlN aufweisen, aber Aluminiumoxidsubstrate sind deutlich verbreiteter und kosten bei gleicher Größe nur etwa ein Drittel oder weniger. Die meisten Anwendungen (LEDs, Leistungsmodule usw.) können ihre thermischen Anforderungen mit Aluminiumoxid durch Anpassung der Dicke oder Verwendung von Metallbeschichtungen erfüllen, ohne auf das teurere AlN zurückgreifen zu müssen. Sollte eine Anwendung jedoch höchste Wärmeleitfähigkeit erfordern und das Budget dies zulassen, können AlN-Keramikisolierschichten in ähnlicher Weise eingesetzt werden (und viele Anbieter bieten tatsächlich sowohl Aluminiumoxid- als auch AlN-Pads an). In der Praxis verwenden die meisten keramischen Wärmeleitmittellösungen Aluminiumoxid aufgrund seiner ausgewogenen Eigenschaften und greifen nur bei Spitzenanforderungen auf AlN zurück.

Herkömmliche Wärmeleitpasten und Isoliermaterialien haben jeweils ihre Anwendungsbereiche, doch Aluminiumoxid-Keramiksubstrate vereinen viele ihrer besten Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit von Wärmeleitpasten, Isolationswirkung von Glimmer, Stabilität von Polyimid und Wiederverwendbarkeit von Kontaktflächen) und minimieren gleichzeitig deren Nachteile (keine Verschmutzung, keine signifikante Degradation). Dies macht Aluminiumoxid-Keramik zu einer überzeugenden Wahl für Anwendungen mit hoher Leistungsdichte und Zuverlässigkeit.