Die AlN-substraat steek regtig uit wanneer dit by hittebestuur kom, met termiese geleidingsvermoëns van ongeveer 170 tot 200 W/mK. Dit is nogal indrukwekkend in vergelyking met ander materiale soos aluminiumoksied wat slegs 20 tot 30 W/mK het, of silikonnitried met 15 tot 35 W/mK onder soortgelyke omstandighede. Wat AlN so goed maak, is sy unieke wurtziet-kristalstruktuur. Hierdie rangskikking laat toe dat hitte doeltreffend deur die materiaal beweeg sonder om elektriese eienskappe te kompromitteer, en handhaaf sterk isolasie van ongeveer 14 kV/mm. Kragmodule wat AlN gebruik, toon gewoonlik 'n vermindering in termiese weerstand van 30 tot 40% in vergelyking met tradisionele oksied-substrate. Minder hitte-ophoping beteken dat halfgeleiers langer duur voordat hulle faal. Vir dié wat aan hoëfrekwensie-ontwerpe werk, verminder hierdie tipe doeltreffendheid werklik die behoefte aan ekstra koelkomponente. Die uiteindelike resultaat? Stelsels wat minder ruimte inneem, ligter is, en meer krag in kleiner verpakking bevat as ooit tevore moontlik was.
AlN behou indrukwekkende termiese geleidingvermoë, selfs wanneer dit baie dun is, en bly bo 90% van wat dit in massiewe vorm sou wees omdat daar min steuring is deur fononverspreiding by grensvlakke. Dit laat dit uitstaan vir toepassings wat dun films of veelvuldige lae insluit, waar hitte-ophoping 'n algemene probleem is. Die materiaal se termiese uitsettingskoers lê by ongeveer 4,5 ppm per Kelvin, wat redelik goed ooreenstem met sowel silikon- as silikonkarbied-chips. Hierdie ooreenkoms verminder termiese weerstand tussen materiale met ongeveer 60% in vergelyking met materiale soos alumiña wat nie so goed pas nie. Wanneer hierdie eienskap gekoppel word met goeie metalliseringstegnieke, veral direk gebonde koper (DBC), sien ons grensvlak-termiesegeleiding waardes wat meer as 3 000 W per vierkante meter per Kelvin bereik. Hierdie eienskappe maak AlN geskik vir intensiewe termiese omgewings, soos kragstelsels in vliegtuie of kragtige laserdiodes wat deur ekstreme temperatuurveranderings gaan wat meer as 200 grade Celsius se verskil tydens normale bedryf kan hê.
Silikonkarbied (SiC) MOSFET's werk saam met Galliumnitried (GaN) HEMT's die beste wanneer hul aansluitingtemperature binne noue perke bly. Aluminiumnitried (AlN) kom uit omdat dit hitte so goed geleier dat dit daardie vervelende warmkolle binne kragmodule met sowat 20 tot 30 grade Celsius verminder. Dit maak 'n groot verskil in die voorkoming van termiese deurloopprobleme in hoë-spannings-toepassings bo 1,2 kV, soos industriële motoraandrywings of bedienerkragversorgings. Volgens wat ons weet uit betroubaarheidsstudies soortgelyk aan die Arrhenius-model, veroorsaak die verlaging van hierdie temperature werklik dat toestelle veel langer hou. Neem byvoorbeeld SiC MOSFET's gekombineer met AlN; hulle bly op ongeveer 98,5% doeltreffendheid werk selfs wanneer hulle by 50 kHz frekwensies skakel sonder om enige prestasieaanpassings te benodig. 'n Ander belangrike voordeel kom uit die manier waarop AlN ooreenstem met halfgeleiermateriale ten opsigte van uitsettingskoers. Hierdie verenigbaarheid keer meganiese spanning wat deur temperatuurveranderings veroorsaak word, wat beteken dat daar nie meer mikrobreekvlakke vorm of soldeerverbindings versuur na al daardie siklusse van verhitting en afkoeling nie.
Die termiese bestuur vir elektriese voertuig traksie-omskakelaars moet stewig genoeg wees om skokke, temperatuurswaaier en die intensiewe hitte wat deur hierdie kompakte kragstelsels gegenereer word, te hanteer. Aluminiumnitried (AlN) substrate maak koelsisteme ongeveer 30% kleiner terwyl dit steeds hittevloei so hoog as 500 W per vierkante sentimeter in daardie 800 volt batteryopstellinge kan hanteer. Hierdie materiaal verminder oorgangstemperature buite hierdie IGBT/SiC-hibried modules met sowat 15 tot 25 grade Celsius in vergelyking met gewone keramiese materiale. Werklike toetsing het ook indrukwekkende resultate getoon. Solaar-mikro-omskakelaars wat in woestyngebiede geplaas is, het hul mislukkingskoers met 40% laat daal na slegs vyf jaar van bedryf. Windkragturbines toegerus met AlN-komponente handhaaf beter as 99% bedryfsduur selfs wanneer hulle gekonfronteer word met harde kusomstandighede insluitend soutlug, vog en aanstart by temperature so laag as min 40 grade Celsius. Wat AlN uitkenmerk, is sy vermoë om elektriese boogontladings in vogtige of vuil omgewings te weerstaan, wat verduidelik waarom dit so belangrik word vir die bou van betroubare, duursame infrastruktuur oor verskeie hernubare energietoepassings heen.
Die wêreld van krag-elektronika het substrate nodig wat drie groot dinge gelyktydig kan hanteer: effektiewe hittebestuur, duursaamheid onder harde omstandighede, en die aanbieding van buigsame verpakkingsopsies. Aluminiumnitried dek al hierdie vereistes. Sy termiese geleidingsvermoë wissel tussen 170 en 200 W/mK, wat beteken dit voer hitte doeltreffend weg van digte kragkomponente soos IGBT's en tiristors. Daarby pas die koëffisiënt van termiese uitsetting van ongeveer 4,5 ppm/K uitstekend by silikon en die nuwer breed-bandoop-semikondensators, wat die risiko verminder dat komponente vervorm of solderlasvoegs misluk wanneer temperature wissel. Nykstandaarde van ASME toon dat meganiese spanning aansienlik in gelaagde verpakking opbou – soms meer as 0,8% per 100 grade temperatuurverandering. Maar AlN se versoenbaarheid met verskillende materiale help om daardie risiko aansienlik te verminder. Wat sterkte betref, weerstaan AlN taai vibrasies soos in motors en vliegtuie, en oorleef kragte tot 50G. En hier is nog 'n voordeel: AlN laat toe dat isolasielae so dun as 0,3 mm wees, wat verpakkingsgrootte met byna die helfte verklein sonder om elektriese isolasie-eienskappe in te boet. Dit maak dit ideaal vir die vermindering van komponente in elektriese voertuig-aandrywings en hernubare energiestelsels wat aan die net gekoppel is.
EN
