Die 10 besten Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit – Welche ist die beste für Ihre Branche?

Wer in Branchen wie Elektronik, Halbleiter oder Luft- und Raumfahrt arbeitet, weiß wahrscheinlich, wie wichtig die Wärmeableitung von Anlagen für die Produktleistung ist. Die Wahl des richtigen Keramikmaterials kann die Ausfallraten von Anlagen drastisch senken und ihre Lebensdauer verlängern. Dieser Artikel stellt zehn Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit vor und bietet Ihnen Referenzen für Ihre Auswahl.

10 Keramikwerkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit

Polykristalliner Diamant (PCD)

Wärmeleitfähigkeit: 1642–2000 W/m·K

Eigenschaften: PCD ist einer der besten Wärmeleiter. Seine Leistungsfähigkeit hängt vom verwendeten Herstellungsverfahren und dem Grad der Verunreinigung ab.

Anwendungsbereiche: PCD eignet sich für Anwendungen, bei denen eine hocheffiziente Wärmeableitung erforderlich ist. Dank seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit und Verschleißfestigkeit wird es in der modernen Industrie für stark beanspruchte Teile und Schneidwerkzeuge eingesetzt. Seine Hochtemperatur- und Wärmeleitfähigkeitseigenschaften werden bei der Herstellung von Hochtemperatur- oder Hochleitfähigkeitskomponenten genutzt. Die exzellenten Wärmeableitungseigenschaften von PCD machen es zu einer vielversprechenden Lösung für die Kühlung elektronischer Geräte und Präzisionsinstrumente.

Berylliumoxid (BeO)

Wärmeleitfähigkeit: 260–300 W/m·K

Eigenschaften: Die Wärmeleitfähigkeit von Berylliumoxid ist zehnmal höher als die von Aluminiumoxidkeramik. Es besitzt zudem hervorragende Isolationseigenschaften und eine gute Beständigkeit gegen Temperaturschocks.

Anwendungsbereiche: Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und guten Isolationseigenschaften eignet sich BeO als hochleitfähiges Substrat für die Gehäusefertigung von Leistungselektronikbauteilen in der Elektronikindustrie. In der Luft- und Raumfahrt wird seine Beständigkeit gegen Temperaturschocks für Komponenten von Flugzeugen und Satellitenkommunikationssystemen genutzt. Weitere Anwendungsgebiete sind Kernenergie, Auskleidungen von Zündanlagen in Kraftfahrzeugen und die Laserindustrie zur Herstellung hocheffizienter Laser.

BeO-Pulver ist hochgiftig und seine Wärmeleitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur erheblich ab. Daher sind die Anwendungsmöglichkeiten von BeO stark eingeschränkt. Eine strenge Kontrolle der Anwendungsprozesse ist erforderlich.

Aluminiumnitrid (AlN)

Wärmeleitfähigkeit: 170–320 W/m·K

Eigenschaften: Hohe Wärmeleitfähigkeit und hervorragende Isolierung. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist mit dem von Silizium kompatibel.

Anwendungsbereiche: Die Hauptanwendungen von AlN liegen in der Elektronik- und Halbleiterfertigung, insbesondere bei Wärmeableitungssubstraten für Hochleistungsmodule und elektrostatischen Spannfuttern. In der Luft- und Raumfahrt ermöglicht die hohe Temperaturbeständigkeit des Metalls seinen Einsatz in Triebwerkskomponenten und anderen Bauteilen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Es dient der Elektromobilität zur Herstellung von Wärmeableitungsmodulen. Da AlN ungiftig und umweltfreundlich ist, kann es als Füllstoff in Wärmeleitmaterialien verwendet werden und so das Toxizitätsproblem von BeO lösen.

Hexagonales Bornitrid (h-BN)

Wärmeleitfähigkeit: 185–300 W/m·K

Eigenschaften: Ein vielseitiges Material mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit. Es zeichnet sich außerdem durch gute Hochtemperaturbeständigkeit, chemische Korrosionsbeständigkeit und Isolationsfähigkeit aus.

Anwendungsbereiche: h-BN findet breite Anwendung in Hochtemperaturindustrien und der Metallurgie. Aufgrund seiner extremen Wärmeleitfähigkeit und Isolationseigenschaften eignet es sich für Wärmeableitungssubstrate und Hochfrequenz-Isolationsmaterialien in der Elektronik- und Halbleiterindustrie. Seine hohe Temperaturbeständigkeit wird zur Herstellung von Hochtemperaturschmierstoffen und Wärmeschutzmaterialien in der Luft- und Raumfahrt genutzt. In der chemischen Industrie wird es zur Fertigung korrosionsbeständiger Anlagen eingesetzt.

NKM bietet Bornitridprodukte an, darunter hexagonales Bornitrid. Weitere Informationen zu Bornitridprodukten finden Sie unter [Link einfügen]. Bornitridkeramik.

Siliciumcarbid (SiC)

Wärmeleitfähigkeit: 90–270 W/m·K

Eigenschaften: Siliziumkarbid behält seine gute Wärmeableitung auch bei hohen Temperaturen bei. Die Wärmeleitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur ab. Es ist sehr hart und verschleißfest.

Anwendungsbereiche: SiC ist das beste Material, um ein Gleichgewicht zwischen Hochtemperaturstabilität und Wärmeableitungseffizienz zu finden. Aufgrund seiner hervorragenden Hochtemperaturstabilität und Abriebfestigkeit wird es in der Halbleiterfertigung und der Photovoltaikbranche zur Herstellung von Komponenten für Fotolithografiemaschinen, Waferbearbeitungsteilen und Epitaxieträgern eingesetzt. In Hochtemperaturindustrien dient es als Ofenbelag, während SiC in der Chemie- und Metallurgieindustrie zur Herstellung korrosionsbeständiger und verschleißfester Bauteile verwendet wird. Wärmetauscher. Darüber hinaus kann es im militärischen Bereich zur Verbesserung von Schutzsystemen und der Qualität von kugelsicherer Weste eingesetzt werden. Es könnte auch für die Herstellung von Wärmeableitungssubstraten in der Energie- und Leistungselektronik verwendet werden.

Gehäuse: Siliziumkarbidkeramik Schmelztiegel

Siliziumkarbidtiegel werden zum Schmelzen von Metallen wie Aluminium, Kupfer und Zink verwendet. Dank ihrer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit lässt sich die Schmelzzeit deutlich verkürzen. Dies spart Energie und steigert die Effizienz. Im Vergleich zu Aluminiumoxidtiegeln ist die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid 3- bis 5-mal höher, was einen schnelleren und gleichmäßigeren Wärmeaustausch gewährleistet.

Siliziumnitrid (Si₃N₄)

Wärmeleitfähigkeit: 85–177 W/m·K

Eigenschaften: Hohe Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig ausgezeichneter Temperaturwechselbeständigkeit. Es weist eine hohe mechanische Festigkeit und überlegene Bruchzähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Keramiken auf.

Anwendungsbereiche: Siliziumnitrid wird aufgrund seiner umfassenden mechanischen Eigenschaften und seiner Fähigkeit zur Wärmeableitung eingesetzt. Im Maschinenbau findet es aufgrund seiner sehr hohen Festigkeit und Verschleißfestigkeit Verwendung bei der Herstellung von Keramiklagern, Schneidwerkzeugen und Industriekomponenten. In der Halbleiterindustrie wird Si₃N₄ Aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit und Stabilität wird Siliziumnitrid zur Herstellung von Substraten und Prozesskomponenten verwendet. Wegen seiner Biokompatibilität findet es zudem im Bereich der Biokeramik Anwendung bei der Herstellung medizinischer Implantate.

Gehäuse: Siliziumnitrid-Keramiksubstrat

Siliziumnitrid-Keramiksubstrate dienen der Wärmeableitung von Hochleistungs-LED-Chips. Der niedrige Wärmeausdehnungskoeffizient von Siliziumnitrid ist mit dem von Silizium-Chipmaterialien vergleichbar und verlängert dadurch die Lebensdauer der Bauelemente. Der Ersatz herkömmlicher Aluminiumoxidsubstrate durch Siliziumnitridsubstrate steigert die Effizienz der Wärmeableitung um mehr als das Dreifache. Siliziumnitridsubstrate sind zudem beständig gegen hochfrequente Temperaturwechsel.

Titandiborid (TiB₂)

Wärmeleitfähigkeit: 50–100 W/m·K

Eigenschaften: Hohe Härte, hoher Schmelzpunkt und hohe elektrische Leitfähigkeit.

Anwendungsbereiche: TiB₂ Titandiborid zeichnet sich durch hervorragende elektrische Leitfähigkeit und Verschleißfestigkeit aus. Hauptanwendungsgebiet ist die Kathodenbeschichtung in der Aluminiumelektrolyse. Aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit und hohen Temperaturbeständigkeit findet es auch Anwendung in der Vakuumbeschichtung zur Herstellung leitfähiger Verdampfungsschiffchen. Darüber hinaus wird es zur Fertigung verschleiß- und korrosionsbeständiger Bauteile eingesetzt. Titandiborid birgt großes Potenzial für Anwendungen, die sowohl elektrische Leitfähigkeit als auch Wärmeableitung erfordern, wie beispielsweise in Elektrolyseanlagen.

Magnesiumoxid (MgO)

Wärmeleitfähigkeit: 30–60 W/m·K

Eigenschaften: Hochisolierend mit hohem Schmelzpunkt, sehr chemisch stabil.

Anwendungsbereiche: Traditionell wird Magnesiumoxid (MgO) in vielen Industrien wie der Stahl-, Metallurgie- und Gummiherstellung als Hilfsstoff eingesetzt. Aufgrund seiner einzigartigen physikalischen Eigenschaften findet Nanomagnesiumoxid breite Anwendung in aufstrebenden Bereichen, beispielsweise als Sterilisationsmaterial, radarabsorbierendes Material im Verteidigungsbereich, als Additiv und in der Nanokeramik. Magnesiumoxid eignet sich besonders für industrielle Anwendungen bei mittleren und niedrigen Temperaturen, die eine hohe Isolationsfähigkeit und gute chemische Stabilität erfordern.

Aluminiumoxid (Al₂O₃)

Wärmeleitfähigkeit: 25–37 W/m·K

Eigenschaften: Je höher die Reinheit, desto höher die Wärmeleitfähigkeit. Es zeichnet sich durch niedrige Produktionskosten, ein ausgereiftes Herstellungsverfahren und die Eignung für die Massenproduktion aus.

Anwendungsbereiche: Aluminiumoxidkeramiken sind die am weitesten verbreiteten und kostengünstigsten hochleitfähigen keramischen Basiswerkstoffe. Sie werden für Halbleiterbauelemente und elektronische Bauteile verwendet. Im Maschinenbau dienen sie hauptsächlich als verschleißfeste Teile, während sie in Hochtemperaturanwendungen als feuerfeste und isolierende Werkstoffe eingesetzt werden. In der chemischen und metallurgischen Industrie ist Aluminiumoxid aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit ideal für die Herstellung korrosionsbeständiger Anlagen geeignet.

Gehäuse: Elektrostatische Spannfutter aus Aluminiumoxid

Die Wärmeleitfähigkeit von hochreinem Aluminiumoxid (99,8%) beträgt etwa 30 W/(m·K). Daraus gefertigte elektrostatische Halterungen werden in Ätz- und Ionenimplantationsanlagen eingesetzt. Sie fixieren die Wafer und leiten gleichzeitig Wärme ab, um eine stabile Temperatur zu gewährleisten. In Fotolithografieanlagen und Transfersystemen verhindert die Wärmeleitfähigkeit der Aluminiumoxid-Bauteile eine lokale Überhitzung, die zu Verformungen der Wafer führen kann.

Zirkonoxid (ZrO)₂)

Wärmeleitfähigkeit: 2,5–3 W/m·K

Eigenschaften: Extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit. Es besitzt hohe Zähigkeit und Festigkeit. Sein einzigartiger Vorteil ist seine hervorragende Biokompatibilität.

Anwendungsbereiche: Zirkonoxidkeramik eignet sich für Anwendungen, die sowohl Wärmedämmung als auch strukturelle Festigkeit erfordern. In der Strukturkeramik werden die hohe Festigkeit und Zähigkeit für die Herstellung von … genutzt. Mahlkörper, Zirkonoxid findet Anwendung in der Medizin und Zahnmedizin, beispielsweise zur Herstellung von Zahnkronen und Implantaten, sowie in mechanischen Teilen und Werkzeugen. Aufgrund seiner hervorragenden Biokompatibilität wird es auch in der Medizin und Zahnmedizin eingesetzt.

Fall: Zirkonoxid-Kolben

In der chemischen Industrie werden Zirkonoxid-Kolbenpumpen in Dosieranwendungen eingesetzt. Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Zirkonoxid verhindert eine schnelle Ausbreitung der Reibungswärme im Bauteil und beugt so lokaler Überhitzung und Fressen vor. Gleichzeitig gewährleistet die hohe Verschleißfestigkeit eine lange Lebensdauer.

Wie wähle ich die passenden Materialien für meine industrielle Fertigung aus?

Aufgrund unterschiedlicher Anlagenbedingungen und Leistungsanforderungen benötigen verschiedene Branchen unterschiedliche Keramikarten. Basierend auf 14 Jahren Industrieerfahrung empfehlen wir Ihnen die Auswahl geeigneter Materialien gemäß den folgenden Empfehlungen:

Die bevorzugten Materialien sind AlN Und SiC für die Elektronik- und Halbleiterindustrie. Diese Materialien erfüllen die hohen Anforderungen an Hochleistungsanwendungen, wie sie beispielsweise von IGBT-Modulen und LED-Chips mit hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher Isolationsfähigkeit und einem mit Siliziumsubstraten kompatiblen Wärmeausdehnungskoeffizienten benötigt werden. Aluminiumnitrid verhindert Risse durch thermische Ausdehnung und Kontraktion, während Siliziumkarbid für extreme Temperaturbedingungen, wie sie beispielsweise in Fotolithografieanlagen auftreten, eingesetzt wird und einen zuverlässigen Chipbetrieb gewährleistet.

Im Neue Energiewirtschaft, Zu den bevorzugten Optionen gehören unter anderem Elektrofahrzeuge und Photovoltaik. Si₃N₄ Und SiC. Die hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit von Siliziumnitrid wird in Automobilanwendungen, die hohen Temperaturen und Vibrationen ausgesetzt sind, optimal genutzt. Siliziumkarbid hingegen, mit seiner hohen Temperatur- und Verschleißbeständigkeit, kann die Lebensdauer von Photovoltaikanlagen verlängern und so die Wartungskosten senken.

Der Fokus im Luft- und Raumfahrtindustrie ist an SiC Und Si₃N₄. Siliziumkarbid widersteht dem hohen Temperaturluftstrom, dem ein Flugzeug ausgesetzt ist, während die Wellentransparenz und die Temperaturwechselbeständigkeit von Siliziumnitrid die Stabilität der Antennenabdeckungen unter schwierigen Bedingungen gewährleisten.

In Hochtemperatur- und metallurgische Industrien, Die besten Optionen sind SiC Und MgO. Siliciumcarbid ist temperaturbeständig bis über 1600 °C und korrosionsbeständig gegenüber Metallen. Magnesiumoxid ist chemisch stabil und reagiert nicht mit flüssigen Metallen. Es verhindert zudem elektrische Leckagen in Öfen und trägt so zur Produktionssicherheit bei.

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Referenz

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