Zastosowanie podłoży ceramicznych z tlenku glinu w materiałach termoizolacyjnych (TIM) i strukturalnych warstwach izolacyjnych

W układach elektronicznych dużej mocy i systemach oświetlenia LED, zarządzanie ciepłem przy jednoczesnym zapewnieniu izolacji elektrycznej ma kluczowe znaczenie dla niezawodności. Materiały termoprzewodzące (TIM) wypełniają szczeliny powietrzne między źródłami ciepła a radiatorami, zwiększając przepływ ciepła, a strukturalne warstwy izolacyjne zapewniają solidną izolację elektryczną i wsparcie mechaniczne.Podłoża ceramiczne z tlenku glinuW unikalny sposób pełnią obie role dielektrycznego interfejsu termicznego – skutecznie przewodzą ciepło jak TIM, a jednocześnie izolują elektrycznie jak dedykowany izolator. To połączenie wysokiej przewodności cieplnej i wysokiej wytrzymałości dielektrycznej jest trudne do osiągnięcia w przypadku konwencjonalnych materiałów, co sprawia, że ​​ceramika z tlenku glinu (Al₂O₃) zyskuje na znaczeniu w zastosowaniach od sterowników LED po moduły mocy wysokiego napięcia. Inżynierowie zajmujący się oświetleniem LED, elektroniką mocy, zasilaczami medycznymi i obudowami półprzewodników sięgają po podłoża z ceramiki z tlenku glinu, aby poprawić odprowadzanie ciepła i zapewnić długoterminową niezawodność.

Podłoża ceramiczne z tlenku glinu cenione są za równowagę parametrów termicznych, elektrycznych i mechanicznych:

Wysoka przewodność cieplna

96% tlenku glinuoferuje przewodność cieplną około ≥24 W/m·K – znacznie wyższą niż typowe izolatory polimerowe (które często mają przewodność <5 W/m·K). Oznacza to, że tlenek glinu skutecznie odprowadza ciepło z gorących elementów do radiatorów. Może pracować w wysokich temperaturach (temperatura topnienia tlenku glinu wynosi ~2050°C), znacznie przekraczających ograniczenia materiałów polimerowych, dzięki czemu nadaje się do urządzeń, które nagrzewają się lub pracują w trudnych warunkach.

Doskonała izolacja elektryczna

Glinkajest izolatorem elektrycznym o wytrzymałości dielektrycznej często przekraczającej 17 kV/mm. W praktycecienkie podłoże z tlenku glinuWytrzymuje tysiące woltów bez przebicia. Jego rezystywność objętościowa wynosi ≥10^14 Ω·cm, co zapewnia minimalny prąd upływu. Dodatkowo, straty dielektryczne tlenku glinu są bardzo niskie, co jest ważne w obwodach o wysokiej częstotliwości lub RF. Te wysokie parametry dielektryczne pozwalają podłożom z tlenku glinu zapewniać izolację wysokonapięciową w modułach mocy i zasilaczach.

Wysoka wytrzymałość mechaniczna i stabilność

Ceramika glinowaSą twarde. Podłoże z 96% tlenku glinu ma zazwyczaj wytrzymałość na zginanie ≥350 MPa, co oznacza, że ​​wytrzymuje naprężenia mechaniczne i rosnące ciśnienie bez pękania (pod warunkiem prawidłowego podparcia). Jest odporne na zużycie, chemicznie obojętne i charakteryzuje się praktycznie zerową absorpcją wody, więc nie pęcznieje ani nie ulega degradacji w wilgotnych warunkach. Współczynnik rozszerzalności cieplnej tlenku glinu jest niższy niż metali, co pomaga zmniejszyć naprężenia termiczne w opakowaniach. W przeciwieństwie do miki lub folii z tworzyw sztucznych, podłoża z tlenku glinu nie starzeją się ani nie pełzają z upływem czasu i mogą wytrzymywać cykle termiczne bez utraty integralności.

Odporność na wysoką temperaturę i warunki środowiskowe

Tlenek glinu zachowuje stabilność w temperaturach znacznie powyżej 300°C, podczas gdy wiele izolatorów polimerowych (takich jak poliimid czy silikon) ulega degradacji powyżej 150–200°C. Jest niepalny i często spełnia normę UL 94V-0 bez dodatków. Tlenek glinu jest również odporny na korozję – nie reaguje z większością chemikaliów ani wilgocią. Dzięki temu nadaje się do trudnych warunków i zastosowań wymagających wysokiej niezawodności (np. w komorach silników samochodowych lub przemysłowych układach elektroniki mocy), w których standardowe materiały PCB lub podkładki na bazie silikonu mogłyby ulec awarii.

Ekonomiczne dla ceramiki

Chociaż tlenek glinu jest droższy niż płyty FR-4 lub proste arkusze miki, jest znacznie tańszy niż egzotyczne materiały ceramiczne, takie jak azotek glinu (AlN). Zapewnia dobry stosunek ceny do wydajności: zapewnia znacznie lepszą wydajność termiczną i niezawodność niż polimery, przy rozsądnej cenie w zastosowaniach o wysokiej wydajności. Ta równowaga sprawia, że ​​tlenek glinu jest praktycznym wyborem, gdy czyste materiały o wysokiej wydajności (takie jak AlN lub BeO) nie są uzasadnione.

 Podsumowując, podłoża ceramiczne z tlenku glinu łączą w sobie dobre przewodnictwo cieplne, doskonałą izolację elektryczną, wytrzymałość mechaniczną i stabilność termiczną. Właściwości te leżą u podstaw ich roli jako warstwy TIM i izolacyjnych warstw strukturalnych w układach elektronicznych.

JakPodłoża ceramiczne z tlenku glinuFunkcja w aplikacjach TIM

Podłoże ceramiczne z tlenku glinu może pełnić funkcję materiału termoprzewodzącego, a jednocześnie pełnić funkcję strukturalnej warstwy izolacyjnej w urządzeniu. Oto jak to działa:

Mechanizm przewodzenia ciepła

W przypadku użycia jakoTIM (na przykład jako podkładka lub podłoże pomiędzy elementem zasilającym a radiatorem)Wysoka przewodność cieplna tlenku glinu pozwala na szybki przepływ ciepła. Podłoże ceramiczne zastępuje lub uzupełnia bardziej miękkie materiały termoprzewodzące (TIM), zapewniając bezpośrednią ścieżkę cieplną o niższym oporze termicznym niż grube pady lub szczeliny powietrzne. Cienka podkładka z tlenku glinu, nawet o grubości 0,5–1 mm, skutecznie przewodzi ciepło z podstawy tranzystora lub modułu LED do radiatora.

Izolacja elektryczna i izolacja dielektryczna

Podłoża glinoweJednocześnie pełnią funkcję izolatora dielektrycznego. W typowym zastosowaniu warstwa tlenku glinu znajduje się pomiędzy elementem wysokonapięciowym a uziemionym radiatorem lub obudową. Bezpiecznie izoluje te dwa elementy, wytrzymując wysokie napięcia (rzędu kilowoltów) bez przebicia. Ta podwójna funkcja – przenoszenie ciepła przy jednoczesnym blokowaniu prądu – sprawia, że ​​tlenek glinu pełni funkcję „dielektrycznego interfejsu termicznego”. Na przykład w modułach mocy podłoże ceramiczne może odprowadzać ciepło z układów IGBT, jednocześnie izolując je od metalowej płyty bazowej. Warstwa tlenku glinu pełni zatem funkcję strukturalnej warstwy izolacyjnej w stosie, zastępując materiały takie jak mika, żywica epoksydowa lub folie poliimidowe, które tradycyjnie były stosowane wyłącznie do izolacji elektrycznej.

Wsparcie strukturalne

W przeciwieństwie do pasty lub żelu TIM, podłoże ceramiczne jest sztywnym materiałem konstrukcyjnym. Zapewnia stabilność mechaniczną: komponenty można montować bezpośrednio na podłożu z tlenku glinu (lutując lub mocując za pomocą klipsów), a samo podłoże można przykręcić lub zamocować zaciskiem do radiatora lub obudowy. Podłoża z tlenku glinu często pełnią funkcję fizycznego nośnika obwodu – na przykład w hybrydowym obwodzie grubowarstwowym lub module mocy podłoże z tlenku glinu jest zarówno płytką drukowaną, jak i rozpraszaczem ciepła. Nawet jako samodzielna podkładka izolacyjna (np. pod tranzystorem), podkładka ceramiczna zapewnia solidne podłoże, które nie odkształca się pod wpływem nacisku. Może to poprawić spójność montażu (eliminując obawy o kompresję lub wycieki ciepła z podkładki). Jednak sztywność oznacza, że ​​powierzchnie powinny być płaskie i równoległe; równomierne naciskanie jest ważne, aby uniknąć pęknięcia ceramiki lub urządzenia. Przy prawidłowym montażu (za pomocą śrub z podkładkami lub zaciskami sprężynowymi) podkładki izolacyjne z tlenku glinu są dość trwałe i „trudne do złamania” podczas normalnego użytkowania. Zachowują swój kształt i parametry nawet przy dużej sile zacisku i cyklicznych zmianach temperatury, w przeciwieństwie do miki, która może pęknąć, lub podkładek silikonowych, które mogą się pełzać.

Charakterystyka interfejsu

Ceramika glinowaPodłoża TIM są zazwyczaj polerowane lub szkliwione, aby zminimalizować chropowatość powierzchni. Takie wykończenie powierzchni pomaga uzyskać dobry kontakt termiczny. W niektórych projektach podłoże z tlenku glinu może mieć metalizowane ścieżki lub pola lutownicze (np. bezpośrednio łączona miedź z tlenkiem glinu w modułach mocy), dzięki czemu pełni funkcję zarówno obwodu, jak i warstwy TIM. W innych przypadkach jest to pusty element ceramiczny, służący wyłącznie jako izolator – na przykład ceramiczne pola termiczne do standardowych obudów tranzystorów (TO-220, TO-247 itp.) są wycinane do kształtu otworów montażowych i po prostu umieszczane między tranzystorem a radiatorem. Ceramiczne pola izolacyjne z tlenku glinu (białe) do tranzystorów mocy zapewniają interfejs o wysokiej przewodności cieplnej i izolacyjności elektrycznej. Te sztywne ceramiczne pola termiczne zastępują mikę i smar, zapewniając czystsze i trwalsze rozwiązanie TIM. Takie podkładki z tlenku glinu umożliwiają przepływ ciepła do radiatora, zapewniając jednocześnie izolację, skutecznie spełniając tę ​​samą rolę co silikonowa podkładka szczelinowa lub podkładka z miki i smaru, ale z jednym, wytrzymałym elementem. Rezultatem jest często niższa temperatura złącza i lepsza wydajność wysokoczęstotliwościowa urządzenia, ponieważ ceramika ma niższą impedancję termiczną i wprowadza mniej sprzężeń pojemnościowych niż elastyczne izolatory polimerowe.

 Podłoża ceramiczne z tlenku glinu pełnią funkcję wielopłaszczyznowych rozwiązań TIM: przewodzą ciepło jak dedykowana podkładka termiczna, izolują jak warstwa dielektryczna i zapewniają stabilność mechaniczną jako solidna podstawa montażowa. To unikalne połączenie usprawnia odprowadzanie ciepła i izolację w jednym komponencie.

Typowe zastosowanie

Podłoża ceramiczne z tlenku glinu znajdują zastosowanie w wielu branżach, gdzie wydajne chłodzenie i izolacja elektryczna muszą ze sobą współistnieć. Poniżej przedstawiono kilka typowych scenariuszy zastosowań i powody wyboru tlenku glinu:

 Moduły sterowników LED i oświetlenie

Diody LED o wysokiej jasności i ich układy sterujące generują znaczną ilość ciepła w kompaktowych obudowach. Podłoża z tlenku glinu są często stosowane jako płytki montażowe diod LED lub jako izolacja elektroniki sterownika. Na przykład, w zespołach LED COB (Chip-On-Board) często stosuje się tlenek glinu lub podobną ceramikę jako materiał płytki, który zarówno rozprowadza ciepło, jak i izoluje diody LED od metalowej obudowy. Podobnie, moduły sterowników mocy LED (przetwornice AC/DC do oświetlenia) wykorzystują płytki izolacyjne z tlenku glinu do izolowania sekcji wysokiego napięcia od radiatorów. Wysoka przewodność cieplna ceramiki wydłuża żywotność diod LED, utrzymując niską temperaturę złączy, a jej izolacja umożliwia bezpieczne mocowanie modułów LED do metalowych obudów. Układ sterownika LED zbudowany na okrągłym podłożu ceramicznym z tlenku glinu zapewnia efektywne odprowadzanie ciepła i izolację wysokonapięciową. W oświetleniu LED zastosowanie warstw izolacyjnych z tlenku glinu może zmniejszyć potrzebę stosowania dodatkowych radiatorów lub wentylatorów, umożliwiając kompaktowe konstrukcje lamp. Niezawodność ceramiki (brak wysychania i starzenia) jest szczególnie ceniona w systemach LED, które muszą działać przez dziesiątki tysięcy godzin.

Moduły półprzewodnikowe mocy (IGBT/MOSFET i moduły mocy OEM)

Prawdopodobnie najpowszechniejszym zastosowaniem podłoży z tlenku glinu są moduły mocy – na przykład moduły inwerterów IGBT, moduły mostków MOSFET i samochodowe jednostki sterujące zasilaniem. Moduły te często wykorzystują konstrukcje DBC (Direct Bonded Copper) lub podobne, w których warstwa ceramiki z tlenku glinu jest umieszczona pomiędzy miedzianymi wzorami a metalową płytą bazową. Tlenek glinu pełni funkcję dielektrycznego interfejsu termicznego: odprowadza ciepło z elementów półprzewodnikowych do płytki bazowej lub radiatora, jednocześnie wytrzymując wysokie napięcia magistrali DC (600 V, 1200 V lub wyższe w inwerterach pojazdów elektrycznych). W takich modułach podłoża ceramiczne z tlenku glinu zapewniają izolację elektryczną każdej struktury mocy od radiatora bez konieczności stosowania oddzielnych izolatorów mikowych lub padów. Charakteryzują się one również niską pojemnością pasożytniczą, co jest korzystne przy przełączaniu wysokoczęstotliwościowym (zmniejszone sprzężenie EMI). Inżynierowie OEM modułów mocy preferują tlenek glinu ze względu na jego sprawdzoną skuteczność – 96% tlenku glinu jest ekonomiczny i ma odpowiednią wydajność termiczną w wielu projektach. Aby uzyskać jeszcze większą gęstość mocy, niektórzy mogą stosować ceramikę AlN, ale tlenek glinu pozostaje popularny w wielu modułach przemysłowych i motoryzacyjnych ze względu na wysoką niezawodność i wytrzymałość mechaniczną w warunkach cyklicznych. Ponadto, współczynnik rozszerzalności cieplnej tlenku glinu, będący bliższy współczynnikowi rozszerzalności cieplnej materiałów półprzewodnikowych niż współczynnik rozszerzalności cieplnej metali, zmniejsza naprężenia cieplne w połączeniach lutowanych w tych modułach.

Zasilacze i elektronika wysokiego napięcia

Zasilacze AC-DC (w tym do urządzeń medycznych i sprzętu przemysłowego) często wymagają izolacji między komponentami wysokiego napięcia a obudową lub radiatorami. Ceramiczne płytki izolacyjne z tlenku glinu są używane do montażu tranzystorów mocy, prostowników lub regulatorów napięcia na radiatorach w projektach zasilaczy impulsowych (SMPS). Zapewniają one niezbędną izolację dielektryczną (spełniając normy bezpieczeństwa dotyczące upływu i odstępu izolacyjnego) oraz efektywnie odprowadzają ciepło z urządzeń takich jak tranzystory MOSFET lub diody do obudowy chłodzącej. W zasilaczach wysokiego napięcia/wysokiej mocy zastosowanie ceramicznej warstwy izolacyjnej zamiast wielu warstw podkładki termicznej i izolatora może uprościć montaż i poprawić przewodność cieplną. Zasilacze medyczne szczególnie korzystają z ceramicznych warstw termoizolacyjnych (TIM) ze względu na ich długotrwałą stabilność i brak odgazowywania – co jest ważne dla spełnienia surowych norm niezawodności i zanieczyszczeń w środowiskach medycznych. Inżynierowie opracowujący moduły zasilania do urządzeń medycznych doceniają fakt, że podłoża z tlenku glinu nie zawierają olejów silikonowych (które mogą migrować lub odgazowywać) i mogą wytrzymywać temperatury sterylizacji lub intensywne użytkowanie bez degradacji. W rezultacie powstał chłodniejszy, bezpieczniejszy i trwalszy układ napędowy.

 Płyty bazowe obudów półprzewodnikowych i urządzenia RF

Podłoża ceramiczne z tlenku glinu są powszechnie stosowane jako podłoża obudów półprzewodników mocy oraz komponentów RF/mikrofalowych. Na przykład, tranzystory RF dużej mocy i obudowy diod laserowych mogą wykorzystywać bazę ceramiczną z tlenku glinu, montowaną na radiatorze. Płytka bazowa z tlenku glinu nie tylko rozprowadza ciepło, ale także zapewnia stabilną, hermetyczną platformę, która dostosowuje się do rozszerzalności cieplnej rdzenia. W zastosowaniach RF, właściwości dielektryczne tlenku glinu (umiarkowana stała dielektryczna 9,5 i niskie straty) sprawiają, że nadaje się on do budowy obwodów o kontrolowanej impedancji bezpośrednio na podłożu, jeśli zajdzie taka potrzeba. W takich przypadkach podłoże z tlenku glinu stanowi zasadniczo strukturalną warstwę izolacyjną obudowy urządzenia – izoluje obwody pod napięciem od metalowej obudowy, jednocześnie przewodząc ciepło do tej obudowy. W porównaniu z tradycyjnymi płytkami PCB z metalowym podkładem lub obudowami plastikowymi, obudowy ceramiczne umożliwiają większe rozpraszanie mocy i niezawodną pracę w wysokich temperaturach. Ponadto biozgodność i stabilność tlenku glinu może okazać się atutem w przypadku czujników lub medycznych urządzeń wszczepianych, które generują ciepło (na przykład tlenek glinu jest czasami stosowany w podłożach urządzeń wszczepianych ze względu na właściwości izolacyjne i swoją obojętność biologiczną).

 We wszystkich tych zastosowaniach – od modułów LED po inwertery IGBT – podłoża ceramiczne z tlenku glinu umożliwiają projektowanie układów o niższej temperaturze i bezpieczniejszym działaniu. Pozwalają inżynierom na zwiększenie gęstości mocy poprzez efektywniejsze odprowadzanie ciepła, przy jednoczesnym zachowaniu izolacji w środowiskach wysokiego napięcia. Rezultatem jest często lepsza wydajność i trwałość produktu końcowego.

Porównanie z materiałami tradycyjnymi 

Jak izolatory TIM z ceramiki glinowej wypadają w porównaniu z bardziej tradycyjnymi materiałami termoizolacyjnymi i izolacyjnymi? Poniżej znajduje się porównanie kluczowych alternatyw:

Smar silikonowy (pasta termoprzewodząca)

Smar termiczny to powszechnie stosowana warstwa termoprzewodząca (TIM) do wypełniania mikroskopijnych szczelin między urządzeniem a radiatorem. Wysokiej jakości smary mogą mieć przewodność cieplną rzędu 3–10 W/m·K i dobrze zwilżają powierzchnie, zapewniając niską rezystancję styku. Smar nie zapewnia jednak wsparcia strukturalnego ani izolacji elektrycznej. W rzeczywistości wiele smarów nie ma właściwości izolacyjnych (te, które je mają, zazwyczaj zawierają wypełniacze z tlenku glinu lub cynku). Smar ma również tendencję do pompowania i wysychania z czasem – może migrować, przyciągać kurz i wymaga starannego ponownego nałożenia w przypadku wymiany elementu. Podczas montażu smar jest brudny i może komplikować produkcję (jego nakładanie jest czasochłonne i należy go chronić przed lutowaniem lub powierzchniami złącz). Ceramiczne podkładki z tlenku glinu eliminują te problemy: są to czyste, wielokrotnego użytku izolatory, które po zainstalowaniu nie wymagają konserwacji. Chociaż smar może początkowo osiągać nieco niższą rezystancję styku na ultrapłaskich powierzchniach, różnica jest niewielka, jeśli ceramiczna podkładka jest cienka i używana z niewielką ilością smaru. W większości zastosowań dużej mocy niezawodność i czystość tlenku glinu przeważają nad niewielką przewagą smaru w zakresie wydajności termicznej. Właśnie dlatego producenci opracowali silikonowe materiały podkładkowe jako „alternatywę bez smaru” dekady temu – a ceramika tlenku glinu jest rozwinięciem tej filozofii, zapewniając wydajność termiczną porównywalną ze smarem bez bałaganu. Arkusze izolacyjne z miki: Mika (naturalny minerał) była stosowana od wielu lat jako podkładka izolacyjna, szczególnie w montażu tranzystorów. Mika jest doskonała pod względem elektrycznym (wytrzymałość dielektryczna często wynosi 5 kV/mm) i występuje w cienkich arkuszach (~0,05–0,1 mm). Jednak przewodność cieplna miki jest słaba (rzędu 0,3–0,5 W/m·K), a goły izolator z miki ma wysoką impedancję termiczną. Z tego powodu mikę należy stosować razem z pastą termoprzewodzącą po obu stronach, aby uzyskać dobry transfer ciepła. To sprawia, że ​​montaż jest uciążliwy (smar po obu stronach), a jeśli mika pęknie – co jest łatwe, ponieważ jest krucha – wydajność termiczna i izolacja mogą zostać zagrożone. Z kolei izolator ceramiczny z tlenku glinu ma znacznie wyższą przewodność cieplną (co najmniej 20 W/m·K) i często może być stosowany w większych grubościach (0,5–1 mm), nadal przewyższając mikę i smar pod względem wydajności termicznej. Tlenek glinu jest również bardziej wytrzymały w obsłudze; chociaż jest ceramiką i może się odpryskiwać, dobrze wypalone podłoże z tlenku glinu jest zazwyczaj mocniejsze niż cienka mika, która się rozpada. Wadą jest koszt: mika jest bardzo tania, podczas gdy ceramika z tlenku glinu jest droższa w przeliczeniu na sztukę. Jednak w przypadku projektów o wysokiej niezawodności i dużej gęstości mocy koszt jest uzasadniony wzrostem wydajności i niezawodności (brak konserwacji smaru, brak niespodziewanych awarii miki). Podsumowując, podkładki ceramiczne z tlenku glinu są nowoczesnym ulepszeniem izolatorów mikowych, zapewniającym lepsze przewodzenie ciepła i wytrzymałość mechaniczną.

 Folie poliimidowe (np. Kapton)

Folia poliimidowa to kolejny materiał izolacyjny stosowany w niektórych stosach TIM. Charakteryzuje się wysoką wytrzymałością dielektryczną i może być bardzo cienka (25–125 µm), co pomaga zmniejszyć opór cieplny w przypadku użycia z pastą termoprzewodzącą. Sam poliimid ma wyjątkowo niską przewodność cieplną (około 0,1 W/m·K), dlatego zazwyczaj łączy się go z woskiem, smarem lub klejem, tworząc taśmę izolacyjną lub podkładkę. Na przykład, niektóre podkładki izolacyjne wykorzystują nośnik poliimidowy z powłoką termoprzewodzącą. Poliimid jest ceniony za swoją wytrzymałość i elastyczność – nie pęka jak mika i wytrzymuje wysokie temperatury (do ~200°C) bez topienia się. Jednak w warunkach dużej mocy cienka warstwa może nadal stanowić wąskie gardło dla przepływu ciepła, a jej cienkość może być wadą przy wysokich napięciach (wymaga wielu warstw przy bardzo wysokich napięciach). Natomiast podłoża ceramiczne z tlenku glinu jeszcze lepiej wytrzymują wysokie temperatury i mogą zapewnić wysoką izolację dielektryczną w jednej warstwie dzięki grubości materiału i znacznie lepszemu przewodnictwu cieplnemu. Rozwiązania z izolatorami poliimidowymi są powszechne w elektronice średniej mocy, ale w przypadku ekstremalnych wymagań termicznych ceramiczne warstwy izolacyjne przewyższają je, utrzymując izolację przy znacznie niższej impedancji termicznej. Poliimid można stosować w tańszych lub energooszczędnych zastosowaniach, ale w przypadku wysokich gęstości mocy lub gdy preferowana jest sztywna struktura izolacyjna, należy rozważyć zastosowanie ceramiki glinowej.

Podkładki z gumy silikonowej (podkładki szczelinowe/podkładki termoprzewodzące)

Silikonowe podkładki elastomerowe (często wypełnione cząsteczkami ceramicznymi) są popularnym rozwiązaniem TIM, ponieważ są miękkie i dopasowują się do kształtu. Można je wstępnie przyciąć do odpowiedniego kształtu, są łatwe w montażu (wystarczy wcisnąć w odpowiednie miejsce) i zapewniają zarówno izolację, jak i przyzwoitą przewodność cieplną (zwykle 1–5 W/m·K, a w przypadku podkładek o wysokiej wydajności do ~10 W/m·K). Te podkładki eliminują problem smaru i dzięki swojej ściśliwości mogą wypełniać szczeliny, nawet jeśli powierzchnie nie są idealnie płaskie. Kompromisem są wydajność termiczna i starzenie. Nawet najlepsze podkładki silikonowe mają wyższą odporność termiczną niż twarda ceramika przy danej grubości, ponieważ matryca polimerowa jest mniej przewodząca, a podkładki są zazwyczaj grubsze, co zapewnia dobre krycie. Podkładki silikonowe mogą również ulegać odgazowaniu z substancji lotnych (co stanowi problem w przypadku wrażliwych zastosowań, takich jak optyka czy astronautyka) i mogą ulegać degradacji przez długi czas w wysokich temperaturach (twardniejąc lub stając się kruche). Podłoża ceramiczne z tlenku glinu nie są narażone na te problemy – pozostają stabilne i nie ulegają kompresji ani degradacji. Jeśli powierzchnie są w miarę płaskie, podkładka z tlenku glinu (ewentualnie z cienką warstwą smaru) zazwyczaj sprawdzi się lepiej niż podkładka silikonowa o większej grubości. Mechanicznie, sztywność tlenku glinu może być wadą, jeśli powierzchnie są chropowate lub niewspółosiowe – w takich przypadkach miękka podkładka może zapewnić lepszy kontakt. Zakładając jednak dobre dopasowanie powierzchni, brak ściśliwości ceramiki nie stanowi problemu, a jej wyższa przewodność jest oczywista. W rzeczywistości, w obwodach o wysokiej częstotliwości lub o szybkim przełączaniu, zastosowanie izolatora ceramicznego może poprawić wydajność, ponieważ zmniejsza pojemność rozproszoną i nie wprowadza tłumienia, które może powodować miękka podkładka. Producenci zauważają lepszą stabilność wysokich częstotliwości po wymianie izolatorów silikonowych na ceramiczne. Podsumowując: podkładki silikonowe są wygodne i wystarczające do wielu zastosowań, ale pod względem najwyższej wydajności termicznej i dielektrycznej, podkładki ceramiczne z tlenku glinu mają przewagę (z zastrzeżeniem starannego montażu).

Inne zaawansowane materiały

Tlenek glinu to nie jedyna ceramika w mieście. Azotek glinu (AlN) to ceramika o bardzo wysokiej przewodności cieplnej (ponad 170 W/m·K) i dobrej izolacji, co czyni ją atrakcyjną, ale droższą alternatywą. BeO (tlenek berylu) oferuje jeszcze wyższą przewodność cieplną (~200–300 W/m·K), ale jest toksyczny w użyciu (pył berylu jest niebezpieczny) i dlatego stracił na popularności. Niektóre specjalistyczne materiały TIM wykorzystują heksagonalny azotek boru lub inne włókna ceramiczne w kompozytach w celu zwiększenia przewodności. W porównaniu z nimi tlenek glinu znajduje się w idealnym punkcie pod względem przystępności cenowej, łatwości produkcji i odpowiedniej wydajności. Może mieć niższą przewodność cieplną niż AlN, ale podłoża z tlenku glinu są znacznie bardziej powszechne i kosztują około jedną trzecią lub mniej przy podobnych rozmiarach. Większość zastosowań (diody LED, moduły mocy itp.) może spełnić swoje wymagania termiczne dzięki tlenku glinu poprzez dostosowanie grubości lub zastosowanie metalowych okładzin, bez uciekania się do droższego AlN. Niemniej jednak, jeśli aplikacja bezwzględnie wymaga najwyższej przewodności cieplnej i pozwala na to budżet, ceramiczne warstwy izolacyjne AlN można zastosować w podobny sposób (i rzeczywiście wielu dostawców oferuje zarówno podkładki z tlenku glinu, jak i AlN). W praktyce większość ceramicznych rozwiązań TIM wykorzystuje tlenek glinu dla równowagi, a AlN stosuje się tylko w przypadku najnowocześniejszych zastosowań.

Tradycyjne materiały TIM i izolatory mają swoje nisze, ale podłoża ceramiczne z tlenku glinu łączą w sobie wiele ich najlepszych cech (właściwości termiczne smarów, izolację miki, stabilność poliimidu i możliwość ponownego użycia podkładek), minimalizując jednocześnie wady (brak bałaganu, brak znaczącej degradacji). To sprawia, że ​​ceramika z tlenku glinu jest atrakcyjnym wyborem przy projektowaniu pod kątem wysokiej gęstości mocy i niezawodności.