Alumínium-oxid kerámia hordozók alkalmazása hővezető anyagokban (TIM) és szerkezeti szigetelő rétegekben
A nagy teljesítményű elektronikában és a LED-es világítási rendszerekben a hő kezelése és az elektromos szigetelés biztosítása kulcsfontosságú a megbízhatóság szempontjából. A hővezető anyagok (TIM-ek) kitöltik a légréseket a hőforrások és a hűtőbordák között, fokozva a hőáramlást, a szerkezeti szigetelőrétegek pedig robusztus elektromos szigetelést és mechanikai támaszt biztosítanak.Alumínium-oxid kerámia hordozókegyedülálló módon mindkét szerepet betöltik dielektromos hővezető felületként – hatékonyan vezetik a hőt, mint egy TIM, miközben elektromosan szigetelnek, mint egy dedikált szigetelő. A magas hővezető képesség és a nagy dielektromos szilárdság ezen kombinációját nehéz elérni a hagyományos anyagokkal, így az alumínium-oxid (Al₂O₃) kerámiák egyre fontosabbá válnak a LED-meghajtóktól a nagyfeszültségű teljesítménymodulokig terjedő alkalmazásokban. A LED-világítástechnika, a teljesítményelektronika, az orvosi tápegységek és a félvezető tokozás területén dolgozó mérnökök egyre inkább az alumínium-oxid kerámia hordozókhoz fordulnak a hőelvezetés javítása és a hosszú távú megbízhatóság érdekében.
Az alumínium-oxid kerámia hordozókat a termikus, elektromos és mechanikai teljesítmény egyensúlya miatt értékelik:
Magas hővezető képesség
96% alumínium-oxidkörülbelül ≥24 W/m·K hővezető képességet kínál – jóval magasabbat, mint a tipikus polimer szigetelők (amelyek gyakran <5 W/m·K). Ez azt jelenti, hogy az alumínium-oxid hatékonyan vezeti el a hőt a forró alkatrészekről a hűtőbordákra. Magas hőmérsékleten is képes működni (az alumínium-oxid olvadáspontja ~2050 °C), ami messze meghaladja a polimer alapú anyagok határait, így alkalmassá teszi forró vagy zord környezetben működő eszközökhöz.
Kiváló elektromos szigetelés
Alumínium-oxidegy elektromos szigetelőanyag, amelynek átütési szilárdsága gyakran meghaladja a 17 kV/mm-t. Gyakorlati szempontból avékony alumínium-oxid hordozóTöbb ezer voltot is képes átütés nélkül kibírni. Térfogati ellenállása ≥10^14 Ω·cm, ami minimális szivárgási áramot biztosít. Ezenkívül az alumínium-oxid dielektromos vesztesége nagyon alacsony, ami fontos a nagyfrekvenciás vagy RF áramkörökben. Ez az erős dielektromos teljesítmény lehetővé teszi az alumínium-oxid szubsztrátok számára, hogy nagyfeszültségű szigetelést biztosítsanak a tápegységekben és a tápegységekben.
Nagy mechanikai szilárdság és stabilitás
Alumínium-oxid kerámiákkemények. Egy 96%-os alumínium-oxid hordozó hajlítószilárdsága jellemzően ≥350 MPa, ami azt jelenti, hogy repedés nélkül bírja a mechanikai igénybevételt és a szerelési nyomást (feltéve, hogy megfelelően van alátámasztva). Kopásálló, kémiailag inert, és lényegében 0%-os vízfelvétellel rendelkezik, így nedves körülmények között nem duzzad és nem bomlik le. Az alumínium-oxid hőtágulási együtthatója alacsonyabb, mint a fémeké, ami segít csökkenteni a csomagolásokban a hőfeszültséget. A csillámmal vagy műanyag fóliákkal ellentétben az alumínium-oxid hordozók nem öregednek és nem kúsznak az idő múlásával, és ellenállnak a hőciklusoknak anélkül, hogy elveszítenék integritásukat.
Magas hőmérsékleti és környezeti ellenállás
Az alumínium-oxid jóval 300 °C feletti hőmérsékleten is stabil marad, míg számos polimer szigetelő (például a poliimid vagy a szilikon) 150–200 °C felett elkezd lebomlani. Nem gyúlékony, és gyakran adalékanyagok nélkül is megfelel az UL 94V-0 szabványnak. Az alumínium-oxid korrózióálló is – nem reagál a legtöbb vegyszerrel vagy nedvességgel. Ez alkalmassá teszi zord környezeti körülményekhez és nagy megbízhatóságú alkalmazásokhoz (pl. autóipari motorterek vagy ipari teljesítményelektronika), ahol a szabványos NYÁK-anyagok vagy a szilikon alapú betétek meghibásodhatnak.
Költséghatékony egy kerámiához képest
Bár az alumínium-oxid drágább, mint az FR-4 lapok vagy az egyszerű csillámlemezek, lényegesen megfizethetőbb, mint az egzotikus kerámiák, mint például az alumínium-nitrid (AlN). Jó ár-érték arányt biztosít: lényegesen jobb hőteljesítményt és megbízhatóságot kap, mint a polimerek, elfogadható áron a nagy teljesítményű alkalmazásokhoz. Ez az egyensúly teszi az alumínium-oxidot praktikus választássá, amikor a tiszta nagy teljesítményű anyagok (mint az AlN vagy a BeO) nem indokoltak.
Összefoglalva, az alumínium-oxid kerámia hordozók jó hővezető képességgel, kiváló elektromos szigeteléssel, mechanikai ellenálló képességgel és hőstabilitást ötvöznek. Ezek a tulajdonságok alátámasztják mind a TIM, mind a szigetelő szerkezeti rétegek szerepét az elektronikus szerelvényekben.
HogyanAlumínium-oxid kerámia hordozókFunkció TIM alkalmazásokban
Egy alumínium-oxid kerámia hordozó hővezető anyagként, valamint szerkezeti szigetelőrétegként is funkcionálhat egy eszközben. Így működik:
Hővezetési mechanizmus
Amikor egyTIM (például padként vagy hordozóként egy tápegység és egy hűtőborda között)Az alumínium-oxid magas hővezető képessége lehetővé teszi a hő gyors áramlását rajta keresztül. A kerámia hordozó helyettesíti vagy kiegészíti a puhább TIM-eket azáltal, hogy közvetlen hőutat biztosít, alacsonyabb hőellenállással, mint a vastag betétek vagy légrések. Egy vékony alumínium-oxid betét, akár 0,5–1 mm vastag is, hatékonyan vezeti el a hőt a tranzisztor alapjától vagy a LED modultól a hűtőbordáig.
Elektromos szigetelés és dielektromos szigetelés
Alumínium-oxid szubsztrátokegyidejűleg dielektromos szigetelőként is működnek. Egy tipikus alkalmazásban az alumínium-oxid réteg egy nagyfeszültségű alkatrész és egy földelt hűtőborda vagy ház között helyezkedik el. Biztonságosan elszigeteli a kettőt, és ellenáll a magas feszültségeknek (kilovolt nagyságrendben) letörés nélkül. Ez a kettős funkció – a hő átadása és az elektromosság blokkolása – teszi az alumínium-oxidot „dielektromos hővezető felületté”. Például a teljesítménymodulokban egy kerámia hordozó elvezetheti a hőt az IGBT chipektől, miközben elszigeteli azokat egy fém alaplaptól. Az alumínium-oxid réteg így szerkezeti szigetelőrétegként szolgál a kötegben, helyettesítve az olyan anyagokat, mint a csillám, az epoxi vagy a poliimid fóliák, amelyeket hagyományosan kizárólag elektromos szigetelésre használtak.
Szerkezeti támogatás
A paszta vagy gél TIM-ekkel ellentétben a kerámia hordozó merev szerkezeti anyag. Mechanikai stabilitást biztosít: az alkatrészek közvetlenül az alumínium-oxid hordozóra szerelhetők (forrasztással vagy klipszekkel rögzíthetők), és a hordozó csavarozható vagy szorítható egy hűtőbordához vagy házhoz. Az alumínium-oxid hordozók gyakran az áramkör fizikai hordozójaként működnek – például egy hibrid vastagrétegű áramkörben vagy egy teljesítménymodulban az alumínium-oxid hordozó egyszerre az áramköri lap és a hőelosztó. Még önálló szigetelőbetétként (például egy tranzisztor alatt) is a kerámia betét szilárd hátlapot biztosít, amely nyomás alatt nem deformálódik. Ez javíthatja az összeszerelés állandóságát (nem kell aggódni a betét összenyomódása vagy kivérzése miatt). A merevség azonban azt jelenti, hogy a felületeknek síknak és párhuzamosnak kell lenniük; az egyenletes nyomás alkalmazása fontos a kerámia vagy az eszköz repedésének elkerülése érdekében. Megfelelő rögzítéssel (csavarok vállas alátétekkel vagy rugós klipszekkel) az alumínium-oxid szigetelő betétek meglehetősen tartósak és normál használat mellett „nem könnyen törnek”. Nagy szorítóerő és hőmérséklet-ciklusok mellett is megőrzik alakjukat és teljesítményüket, ellentétben a csillámmal, amely megrepedhet, vagy a szilikon betétekkel, amelyek kúszhatnak.
Interfész jellemzői
Alumínium-oxid kerámiaA TIM-ek jellemzően polírozott vagy mázas formában kaphatók a felületi érdesség minimalizálása érdekében. Ez a felületkezelés segít a jó hőérintkezés elérésében. Egyes kialakításokban az alumínium-oxid hordozó fémezett nyomvonalakkal vagy forrasztófelületekkel rendelkezhet (pl. közvetlenül kötött réz alumínium-oxidon a teljesítménymodulokban), így egyszerre szolgál áramkörként és TIM-ként is. Más esetekben egy üres kerámia darabról van szó, amelyet tisztán szigetelőként használnak – például a standard tranzisztor-csomagok (TO-220, TO-247 stb.) kerámia hőpárnáit a rögzítőfuratokhoz a megfelelő alakúra vágják, és egyszerűen behelyezik a tranzisztor és a hűtőborda közé. A teljesítménytranzisztorokhoz való alumínium-oxid kerámia szigetelőpárnák (fehér) nagy hővezető képességű, elektromosan szigetelő felületet biztosítanak. Ezek a merev kerámia hőpárnák helyettesítik a csillámot és a zsírt, tisztább és tartósabb TIM-megoldást biztosítva. Az ilyen alumínium-oxid párnák lehetővé teszik a hő áramlását a hűtőbordába, miközben megőrzik az izolációt, így gyakorlatilag ugyanazt a szerepet töltik be, mint egy szilikon réspárna vagy csillám+zsír, de egyetlen masszív darabból állnak. Az eredmény gyakran alacsonyabb csatlakozási hőmérséklet és az eszköz jobb nagyfrekvenciás teljesítménye, mivel a kerámia alacsonyabb hőimpedanciával rendelkezik, és kevesebb kapacitív csatolást eredményez, mint a rugalmas polimer szigetelők.
Az alumínium-oxid kerámia hordozók sokoldalú hőszigetelő (TMI) megoldásként működnek: hőt vezetnek, mint egy erre a célra szolgáló hővezető pad, szigetelnek, mint egy dielektromos réteg, és mechanikai stabilitást biztosítanak szilárd rögzítőalapként. Ez az egyedülálló kombináció egyetlen komponensben egyszerűsíti a hőkezelést és a szigetelést.
Tipikus alkalmazás
Az alumínium-oxid kerámia hordozókat számos olyan iparágban alkalmazzák, ahol a hatékony hűtésnek és az elektromos szigetelésnek együttesen kell működnie. Az alábbiakban néhány tipikus alkalmazási forgatókönyvet és az alumínium-oxid választásának okait ismertetjük:
LED meghajtó modulok és világítás
A nagy fényerejű LED-ek és meghajtó áramköreik jelentős hőt termelnek a kompakt egységekben. Az alumínium-oxid szubsztrátokat gyakran használják LED-szerelőlapokként vagy a meghajtó elektronika szigeteléseként. Például a LED COB (Chip-On-Board) egységek gyakran alumínium-oxidot vagy hasonló kerámiát használnak lapanyagként, amely egyrészt elvezeti a hőt, másrészt elszigeteli a LED-eket a fémháztól. Hasonlóképpen, a LED-es teljesítménymeghajtó modulok (AC/DC átalakítók világításhoz) alumínium-oxid szigetelőlemezeket használnak a nagyfeszültségű szakaszok hűtőbordáktól való elszigetelésére. A kerámia magas hővezető képessége javítja a LED élettartamát azáltal, hogy hűvösen tartja a csatlakozásokat, és szigetelése lehetővé teszi a LED-modulok biztonságos rögzítését fémházakhoz. Egy kerek alumínium-oxid kerámia szubsztrátra épített LED-meghajtó áramkör a hatékony hőelvezetés és a nagyfeszültségű szigetelés érdekében. A LED-világításban az alumínium-oxid kerámia szigetelőrétegek használata csökkentheti a további hűtőbordák vagy ventilátorok szükségességét, lehetővé téve a kompakt lámpakialakításokat. A kerámia megbízhatósága (nincs kiszáradás vagy öregedés) különösen értékes a több tízezer órán át működő LED-rendszerekben.
Teljesítmény félvezető modulok (IGBT/MOSFET-ek és OEM teljesítménymodulok)
Az alumínium-oxid szubsztrátok talán legelterjedtebb felhasználási területe a teljesítménymodulok – például az IGBT inverter modulok, a MOSFET hídmodulok és az autóipari teljesítményszabályozó egységek. Ezek a modulok gyakran DBC-t (közvetlenül kötött réz) vagy hasonló konstrukciókat használnak, ahol egy alumínium-oxid kerámia réteg van a rézminták és egy fém alaplap között. Az alumínium-oxid dielektromos hővezető felületként szolgál: hőt szállít a félvezető eszközöktől az alaplaphoz vagy a hűtőbordához, miközben ellenáll a magas egyenáramú buszfeszültségeknek (600 V, 1200 V vagy több az elektromos járművek invertereiben). Az ilyen modulokban az alumínium-oxid kerámia szubsztrátok biztosítják, hogy minden teljesítménychip elektromosan el legyen szigetelve a hűtőbordától anélkül, hogy külön csillám- vagy padszigetelőkre lenne szükség. Alacsony parazitakapacitással is rendelkeznek, ami előnyös a nagyfrekvenciás kapcsolásoknál (csökkentett EMI-csatolás). A teljesítménymodulok OEM-mérnökei az alumínium-oxidot a bevált eredményei miatt részesítik előnyben – a 96%-os alumínium-oxid költséghatékony, és számos tervhez megfelelő hőteljesítményt biztosít. Még nagyobb teljesítménysűrűség esetén egyesek AlN kerámiát használhatnak, de az alumínium-oxid továbbra is népszerű számos ipari és autóipari modulban a nagy megbízhatósága és a ciklikus behatások alatti mechanikai szilárdsága miatt. Ezenkívül az alumínium-oxid hőtágulási együtthatója (CTE) közelebb áll a félvezető anyagokéhoz, mint a fémeké, ami csökkenti a forrasztási kötések hőterhelését ezekben a modulokban.
Tápegységek és nagyfeszültségű elektronika
Az AC-DC tápegységek (beleértve az orvostechnikai eszközök és ipari berendezések tápegységeit is) gyakran szigetelést igényelnek a nagyfeszültségű alkatrészek és a ház vagy a hűtőbordák között. Az alumínium-oxid kerámia szigetelőlemezeket teljesítménytranzisztorok, egyenirányítók vagy feszültségszabályozók hűtőbordákra rögzítésére használják SMPS (kapcsolóüzemű tápegység) kialakításokban. Ezek biztosítják a szükséges dielektromos szigetelést (megfelelnek a biztonsági kúszóáram- és hézagszabványoknak), és hatékonyan vezetik át a hőt az olyan eszközökről, mint a MOSFET-ek vagy diódák, a hűtőházba. Nagyfeszültségű/nagy teljesítményű tápegységekben a kerámia szigetelőréteg használata a hővezető pad + szigetelő több rétege helyett leegyszerűsítheti az összeszerelést és javíthatja a hővezető képességet. Az orvosi tápegységek különösen előnyösek a kerámia TIM-ek miatt, mivel hosszú távú stabilitást és gázkibocsátás hiányát mutatják – ami fontos az orvosi környezetben érvényes szigorú megbízhatósági és szennyeződési szabványok betartása érdekében. Az orvosi berendezések tápmoduljait fejlesztő mérnökök nagyra értékelik, hogy az alumínium-oxid hordozók nem tartalmaznak szilikonolajokat (amelyek migrálhatnak vagy gázt bocsáthatnak ki), és a sterilizálási hőmérsékleteket vagy a szigorú működést minőségromlás nélkül bírják. Az eredmény egy hűvösebb, biztonságosabb és hosszabb élettartamú tápegység.
Félvezető tokok alaplapjai és RF eszközök
Az alumínium-oxid kerámia szubsztrátumokat gyakran használják tokolóaljzatként teljesítmény-félvezetőkhöz és RF/mikrohullámú alkatrészekhez. Például nagy teljesítményű RF tranzisztorok és lézerdióda-tokok használhatnak alumínium-oxid kerámia alapot, amely egy hűtőbordára van szerelve. Az alumínium-oxid alaplap nemcsak a hőt osztja el, hanem stabil, hermetikus platformot is biztosít, amely a hőtágulást a lapkával összehangolja. RF alkalmazásokban az alumínium-oxid dielektromos tulajdonságai (mérsékelt dielektromos állandó 9,5 és alacsony veszteség) alkalmassá teszik impedanciavezérelt áramkörök közvetlenül a szubsztráton történő építésére, ha szükséges. Ezekben az esetekben az alumínium-oxid szubsztrátum lényegében az eszköztok szerkezeti szigetelő rétege – elszigeteli az elektromosan élő áramkört a fémháztól, miközben hőt vezet a házhoz. A hagyományos fémhátlapú NYÁK-okhoz vagy műanyag tokozásokhoz képest a kerámia alapú tokozások nagyobb energiaelnyelést tesznek lehetővé, és megbízhatóan működnek magas hőmérsékleten. Ezenkívül a hőt termelő érzékelőkben vagy orvosi beültethető eszközökben az alumínium-oxid biokompatibilitása és stabilitása előnyt jelenthet (például az alumínium-oxidot néha beültethető eszközök szubsztrátjaiban használják szigetelése és bioinert tulajdonságai miatt).
Mindezen alkalmazásokban – a LED-moduloktól az IGBT inverterekig – az alumínium-oxid kerámia hordozók lehetővé teszik a hűvösebb és biztonságosabb működésű terveket. Lehetővé teszik a mérnökök számára, hogy a hő hatékonyabb elvezetésével nagyobb teljesítménysűrűséget érjenek el, miközben megőrzik az elszigeteltséget nagyfeszültségű környezetben. Az eredmény gyakran a végtermék jobb teljesítménye és tartóssága.
Összehasonlítás a hagyományos anyagokkal
Hogyan viszonyulnak az alumínium-oxid kerámia TIM/szigetelők a hagyományosabb hővezető és szigetelő anyagokhoz? Az alábbiakban összehasonlítjuk a főbb alternatívákat:
Szilikonzsír (hővezető paszta)
A hővezető paszta egy gyakori, a készülék és a hűtőborda közötti mikroszkopikus rések kitöltésére használt tömítőanyag. A kiváló minőségű zsírok hővezető képessége körülbelül 3–10 W/m·K lehet, és jól nedvesítik a felületeket az alacsony érintkezési ellenállás érdekében. A zsír azonban nem biztosít szerkezeti támaszt vagy elektromos szigetelést. Valójában sok zsír nem elektromosan szigetelő (azok, amelyek általában alumínium-oxid vagy cink-oxid töltőanyagokkal rendelkeznek). A zsír idővel a pumpálástól és a száradástól is szenved – elvándorolhat, vonzza a port, és alkatrész cseréje esetén gondos újrafelvitelt igényel. Az összeszerelés során a zsír piszkos és bonyolíthatja a gyártást (időigényes a felvitele, és távol kell tartani a forrasztási vagy csatlakozófelületektől). Az alumínium-oxid kerámia betétek kiküszöbölik ezeket a problémákat: tiszta, újrafelhasználható szigetelők, amelyek a beszerelés után nem igényelnek karbantartást. Bár a zsír kezdetben kissé alacsonyabb határfelületi ellenállást érhet el az ultra-sík felületeken, a különbség kicsi, ha a kerámia betét vékony, és egy apró zsírcseppnyi zsírral használják. A legtöbb nagy teljesítményű alkalmazásnál az alumínium-oxid megbízhatósága és tisztasága meghaladja a zsír hőteljesítményben rejlő csekély előnyét. Ezért fejlesztették ki a gyártók évtizedekkel ezelőtt a szilikon alapú szigetelőanyagokat „zsírmentes alternatívaként” – és az alumínium-oxid kerámia ennek a filozófiának a kiterjesztése, zsírszerű hőteljesítményt biztosítva a rendetlenség nélkül. Csillám szigetelőlemezek: A csillámot (egy természetes ásványi anyagot) évek óta használják elektromos szigetelő alátétként, különösen tranzisztorok szerelésénél. A csillám elektromosan kiváló (dielektromos szilárdság gyakran s> 5 kV/mm), és vékony lemezekben (~0,05–0,1 mm) kapható. A csillám hővezető képessége azonban gyenge (0,3–0,5 W/m·K nagyságrendű), és egy csupasz csillám szigetelőnek nagy a hőimpedanciája. Emiatt a csillámot mindkét oldalon hővezető pasztával együtt kell használni a jó hőátadás érdekében. Ez nehézkessé teszi az összeszerelést (zsír két oldalon), és ha a csillám megreped – ami könnyen megtörténhet, mivel törékeny –, a hőteljesítmény és a szigetelés veszélybe kerülhet. Ezzel szemben egy alumínium-oxid kerámia szigetelő sokkal nagyobb hővezető képességgel rendelkezik (legalább 20 W/m·K), és gyakran nagyobb vastagságban (0,5–1 mm) használható, miközben hőteljesítményben továbbra is felülmúlja a csillám+zsír keveréket. Az alumínium-oxid a kezelésében is robusztusabb; bár kerámia és lepattanhat, egy jól kiégetett alumínium-oxid hordozó jellemzően erősebb, mint a vékony csillám, amely szétpattogzik. A hátránya a költség: a csillám nagyon olcsó, míg az alumínium-oxid kerámia darabonként drágább. A nagy megbízhatóságú és nagy teljesítményű kialakítások esetében azonban a költséget a teljesítménynövekedés és a megbízhatóság indokolja (nincs szükség zsírkarbantartásra, nincsenek meglepetésszerű csillám meghibásodások). Összefoglalva, az alumínium-oxid kerámia betétek modern fejlesztések a csillám szigetelőkhöz képest, jobb hővezetést és mechanikai szilárdságot biztosítva.
Poliimid fóliák (pl. Kapton)
A poliimid film egy másik szigetelőanyag, amelyet egyes TIM-kötegeknél használnak. Nagy dielektromos szilárdsággal rendelkezik, és nagyon vékony is lehet (25–125 µm), ami hővezető pasztával együtt használva csökkenti a hőellenállást. Önmagában a poliimid rendkívül alacsony hővezető képességgel rendelkezik (kb. 0,1 W/m·K), ezért általában viasszal, zsírral vagy ragasztóval kombinálják szigetelőszalag vagy -párna kialakításához. Például egyes szigetelt párnatermékek poliimid hordozót használnak hővezető bevonattal. A poliimidet tartóssága és rugalmassága miatt értékelik – nem reped meg, mint a csillám, és magas hőmérsékletet (akár ~200 °C-ig) is képes elviselni olvadás nélkül. Nagy teljesítményű körülmények között azonban a vékony film továbbra is szűk keresztmetszetet jelenthet a hőáramlás számára, és vékonysága hátrányt jelenthet nagyfeszültség esetén (több réteg szükséges a nagyon nagy feszültséghez). Ezzel szemben az alumínium-oxid kerámia hordozók még jobban kezelik a magas hőmérsékletet, és az anyagvastagságnak köszönhetően nagy dielektromos szigetelést biztosítanak egyetlen rétegben, sokkal jobb hővezető képességgel. A poliimid szigetelő megoldások gyakoriak a közepes teljesítményű elektronikában, de extrém hőigények esetén a kerámia szigetelőrétegek felülmúlják ezeket, mivel sokkal alacsonyabb hőimpedancián tartják a szigetelést. Olcsóbb vagy kisebb teljesítményű esetekben poliimid használható, de nagy watt-sűrűség esetén vagy ha merev szigetelőszerkezetre van szükség, érdemes áttérni az alumínium-oxid kerámiára.
Szilikon gumipárnák (réspárnák/hővezető párnák)
A szilikon alapú elasztomer betétek (gyakran kerámia részecskékkel töltve) népszerű TIM-megoldások, mivel puhák és alakíthatóak. Előre formára vághatók, könnyen telepíthetők (csak a helyükre kell illeszteni), és szigetelést, valamint megfelelő hővezető képességet biztosítanak (jellemzően 1–5 W/m·K, a nagy teljesítményűeknél akár ~10 W/m·K). Ezek a betétek kiküszöbölik a zsírfoltokat, és összenyomhatóságuknak köszönhetően még akkor is kitölthetik a réseket, ha a felületek nem tökéletesen síkak. A kompromisszumok a hőteljesítmény és az öregedés. Még a legjobb szilikon betét is nagyobb hőállósággal rendelkezik, mint egy kemény kerámia egy adott vastagság mellett, mivel a polimer mátrix kevésbé vezetőképes, és általában vastagabbak a jó fedés biztosítása érdekében. A szilikon betétek illékony anyagok kipárolgását is tapasztalhatják (ami problémát jelent az érzékeny alkalmazásokban, mint például az optika vagy az űrhajózás), és hosszú időn keresztül magas hőmérsékleten lebomolhatnak (keményedhetnek vagy rideggé válhatnak). Az alumínium-oxid kerámia hordozók nem szenvednek ezektől a problémáktól – stabilak maradnak, nem nyomódnak össze és nem bomlanak le. Ha a felületek viszonylag síkak, egy alumínium-oxid betét (esetleg egy vékony zsírréteggel) általában jobban teljesít, mint egy vastagabb szilikon betét. Mechanikailag az alumínium-oxid merevsége hátrányt jelenthet, ha a felületek érdesek vagy rosszul illeszkednek – ezekben az esetekben egy puha szigetelőlap jobb érintkezést biztosíthat. De jó illeszkedési felületek esetén a kerámia összenyomhatóságának hiánya nem jelent problémát, és magasabb vezetőképessége kiemelkedik. Valójában nagyfrekvenciás vagy gyorskapcsoló áramkörökben a kerámia szigetelő használata javíthatja a teljesítményt, mivel csökkenti a kóbor kapacitást, és nem okoz csillapítást, amelyet egy nyomós szigetelőlap okozhat. A gyártók a szilikon szigetelők kerámia szigetelőkre való cseréje esetén a nagyfrekvenciás stabilitás javulását tapasztalják. A lényeg: a szilikon szigetelőlapok kényelmesek és számos alkalmazáshoz elegendőek, de a legjobb hő- és dielektromos teljesítmény érdekében az alumínium-oxid kerámia szigetelőlapoknak van előnyük (a gondos rögzítés kikötésével).
Egyéb fejlett anyagok
Az alumínium-oxid nem az egyetlen kerámia a városban. Az alumínium-nitrid (AlN) egy nagyon magas hővezető képességű (170+ W/m·K) és jó szigetelőanyaggal rendelkező kerámia, így vonzó, de drágább alternatíva. A BeO (berillium-oxid) még nagyobb hővezető képességet kínál (~200–300 W/m·K), de kezelése mérgező (a berilliumpor veszélyes), ezért kegyvesztetté vált. Néhány speciális TIM hatszögletű bór-nitridet vagy más kerámia szálakat használ kompozitban a vezetőképesség növelése érdekében. Ezekhez képest az alumínium-oxid a megfizethetőség, a könnyű gyárthatóság és a megfelelő teljesítmény ideális tartományában helyezkedik el. Lehet, hogy alacsonyabb hővezető képességgel rendelkezik, mint az AlN, de az alumínium-oxid szubsztrátok sokkal gyakoribbak, és azonos méretükhöz képest talán egyharmadukba vagy kevesebbe kerülnek. A legtöbb alkalmazás (LED-ek, teljesítménymodulok stb.) az alumínium-oxiddal a vastagság beállításával vagy fémburkolatok használatával érheti el hőigényét, anélkül, hogy a drágább AlN-hez folyamodna. Ennek ellenére, ha egy alkalmazásnak feltétlenül a legmagasabb hővezető képességre van szüksége, és a költségvetés is engedi, akkor az AlN kerámia szigetelőrétegek hasonlóképpen használhatók (és valóban sok beszállító kínál mind alumínium-oxidot, mind AlN betéteket). A gyakorlatban a kerámia TIM-megoldások többsége alumínium-oxidot használ egyensúlyban, és csak a legmodernebb igények kielégítésére fordul az AlN felé.
A hagyományos TIM és szigetelőanyagoknak egyaránt megvannak a saját piaci rései, de az alumínium-oxid kerámia hordozók számos előnyüket (a zsírok hőteljesítménye, a csillám szigetelése, a poliimid stabilitása és a betétek újrafelhasználhatósága) ötvözik, miközben minimalizálják a hátrányokat (nincs rendetlenség, nincs jelentős degradáció). Ez teszi az alumínium-oxid kerámiákat meggyőző választássá a nagy teljesítménysűrűség és megbízhatóság tervezésénél.
