Wärmeleitfähige Keramiken

Die Verwendung von Keramik in Anwendungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist ein wachsender Spezialmarkt. Oxidkeramiken sind die gängigsten Basismaterialien. Die meisten von ihnen sind jedoch auf 26-30 W/mK begrenzt, was im Vergleich zu den beiden gebräuchlichsten Metallen mit hoher Wärmeleitfähigkeit, Kupfer mit etwa 385 W/mK und Aluminium mit etwa 150-185 W/mK, eine große Lücke hinterlässt.

Das Ziel ist es, die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen und gleichzeitig die andere Schlüsseleigenschaft von Keramik, die elektrische Isolierung, beizubehalten.

Jüngste Entwicklungen bei Aluminiumoxid haben die Wärmeleitfähigkeit bei einigen Sorten auf bis zu 39 W/mK erhöht. Das ist zwar immer noch weit entfernt von den üblicherweise verwendeten Metallen, aber eine deutliche Steigerung gegenüber dem Ausgangswert.

Keramische Materialien, die ausgewählt werden, um diese höhere Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, sind eine Spezialgruppe. Alle haben ihre eigenen Stärken und Schwächen und nicht alle bieten die wichtige Eigenschaft der elektrischen Isolierung.

Schauen wir uns vier Kandidaten an, darunter Bornitrid, Aluminiumnitrid (AlN)-Verbundwerkstoffe, Berylliumoxid und Aluminiumnitrid. Der erste Kandidat ist Shapal Hi-M Soft, ein Verbundwerkstoff aus Aluminiumnitrid und Bornitrid, der die Wärmeleitfähigkeit mit über 92 W/mK deutlich erhöht und die elektrische Isolierung verbessert. Die Kombination dieser beiden Materialien bringt noch einen zweiten Vorteil mit sich, nämlich die Bearbeitbarkeit des Materials. Für die Bearbeitung sind keine Diamantwerkzeuge erforderlich. Um diesen maschinell bearbeitbaren Aluminiumnitrid/Bornitrid-Verbundwerkstoff zu erhalten, ist jedoch Heißpressen erforderlich, wodurch die verfügbare Größe des Materials begrenzt wird.

Bornitrid, ein weiteres heißgepresstes Material, kann ebenfalls bearbeitet werden und ist in größeren Stücken erhältlich. Außerdem gibt es viele verschiedene Sorten. Aber nur die höchste Reinheit kann mit dem maschinell bearbeitbaren AlN/Bornitrid-Verbundwerkstoff hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit mithalten und ihn in einigen Fällen sogar übertreffen. Die hochreinen Sorten sind mechanisch schwächer und weicher als der maschinell bearbeitbare Aluminiumnitrid/Bornitrid-Verbundstoff.

Berylliumoxid ist seit vielen Jahren das Material der Wahl für einige High-End-Projekte. Dieses Material hat eine Wärmeleitfähigkeit von 285 W/mK, eine gute elektrische Isolierung und benötigt als Oxidkeramik keine spezielle Stickstoffzufuhr wie Aluminiumnitrid. Der größte Nachteil sind die mit diesem Material verbundenen Gesundheits- und Sicherheitsanforderungen, die dazu führen, dass es nur für spezielle Anwendungen verwendet wird, wie z.B. für militärische Anwendungen.

Aluminiumnitrid (AlN) wird hauptsächlich in Form von Substraten verwendet, die die nächste Stufe nach den Aluminiumoxid-Substraten darstellen. Der größte Teil der Weltproduktion von AlN wird in dieser Form hergestellt. Die Wärmeleitfähigkeit von AlN hängt von der Sorte und Qualität ab. Der Industriestandard liegt in der Regel bei 170-180 W/mK, bei minderwertigen Qualitäten bis zu 150 W/mK und bei ultrahochreinen bis zu etwa 220 W/mK. AlN-Komponenten in einer 3-dimensionalen Form sind weit weniger verbreitet. Viele Ingenieure ziehen es vor, einen maschinell bearbeitbaren Aluminiumnitrid-Verbundwerkstoff zu verwenden, vor allem in der ersten Entwurfsphase, aber oft auch in der Serienproduktion, obwohl dieser eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Wenn Sie die höchste Wärmeleitfähigkeit wünschen und wirklich tief in die Tasche greifen müssen, dann ist der synthetische Diamant mit über 2000 W/mK genau das Richtige für Sie. Aber Ihre Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit müssten schon extrem sein.

Die folgende Tabelle vergleicht die Wärmeleitfähigkeit von 3 elektrischen Isolatoren (Aluminiumnitrid, Shapal und Aluminiumoxid) und 2 elektrischen Leitern (Aluminium und Kupfer):

Hier finden Sie weitere Informationen über Shapal Hi-M Soft, Aluminiumnitrid, Bornitrid und Aluminiumoxid.

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