يتميز قاعدة النيتريد الألومنيوم (AlN) حقًا في إدارة الحرارة، حيث تبلغ قيم التوصيل الحراري حوالي 170 إلى 200 واط/متر كلفن. وهذا أمر مثير للإعجاب مقارنة بمواد أخرى مثل أكسيد الألمنيوم الذي يتراوح توصيله الحراري بين 20 إلى 30 واط/متر كلفن أو نيتريد السيليكون الذي يتراوح بين 15 إلى 35 واط/متر كلفن في ظروف مماثلة. ما يجعل مادة AlN جيدة جدًا هو تركيبها البلوري الفريد من نوع الورتزايت. يسمح هذا الترتيب بمرور الحرارة عبر المادة بكفاءة دون المساس بالخصائص الكهربائية، مع الحفاظ على عزل قوي يبلغ حوالي 14 كيلوفولت/مم. عادةً ما تُظهر وحدات الطاقة التي تستخدم قواعد AlN انخفاضًا في مقاومة الحرارة بنسبة تتراوح بين 30 إلى 40٪ مقارنة بالقواعد التقليدية المؤكسة على الأكاسيد. ويعني ارتفاع أقل في درجة الحرارة أن أشباه الموصلات تدوم لفترة أطول قبل أن تفشل. بالنسبة لأولئك الذين يعملون على تصاميم ذات تردد عالٍ، فإن هذه الكفاءة تقلل فعليًا من الحاجة إلى مكونات تبريد إضافية. ما النتيجة النهائية؟ أنظمة تستهلك مساحة أقل، ووزنها أقل، وتضم طاقة أكبر في حزم أصغر مما كان ممكنًا من قبل.
يُبقي AlN على توصيلية حرارية ممتازة حتى عندما يكون رقيقًا جدًا، حيث تظل فوق 90% مما تكون عليه في الحالة الصلبة بسبب ضعف التشتت الفونوني عند الواجهات. وهذا يجعله بارزًا في التطبيقات التي تتضمن أفلامًا رقيقة أو طبقات متعددة حيث يشكل تراكم الحرارة مشكلة شائعة. ويبلغ معدل تمدد AlN الحراري حوالي 4.5 جزء في المليون لكل كلفن، وهو ما يتماشى بشكل جيد مع كل من رقائق السيليكون وكربيد السيليكون. وينتج عن هذا التوافق انخفاض في المقاومة الحرارية بين المواد بنسبة تصل إلى نحو 60% مقارنة بمواد مثل الألومينا التي لا تتماشى جيدًا. وبدمج هذه الخاصية مع تقنيات تمعيب جيدة، وخاصة النحاس المربوط مباشرة (DBC)، نلاحظ أن قيم التوصيلية الحرارية عند الواجهة تتجاوز 3000 واط لكل متر مربع لكل كلفن. وتجعل هذه الخصائص من AlN مادة مناسبة للبيئات الحرارية القاسية، مثل أنظمة الطاقة في الطائرات أو ثنائيات الليزر القوية التي تتعرض لتغيرات درجات حرارة شديدة تتجاوز فروقات تصل إلى 200 درجة مئوية أثناء التشغيل العادي.
تعمل مفاتيح MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) جنبًا إلى جنب مع ترانزستورات HEMT المصنوعة من نيتريد الغاليوم (GaN) بشكل أفضل عندما تبقى درجات حرارة الوصلة ضمن حدود ضيقة. ويتميز نيتريد الألومنيوم (AlN) بقدرته العالية على توصيل الحرارة، ما يقلل من بقع الحرارة المزعجة داخل وحدات القدرة بنحو 20 إلى 30 درجة مئوية. وهذا يُحدث فرقًا كبيرًا في منع مشكلات الانطلاق الحراري في التطبيقات عالية الجهد التي تزيد عن 1.2 كيلو فولت، مثل محركات المحركات الصناعية أو إمدادات طاقة الخوادم. ووفقًا لما نعرفه من دراسات الموثوقية المشابهة لنموذج آرهينيوس، فإن خفض هذه الدرجات الحرارية يجعل الأجهزة تدوم لفترة أطول بكثير. فعلى سبيل المثال، تحتفظ مفاتيح SiC MOSFET عند دمجها مع AlN بكفاءة تشغيل تبلغ حوالي 98.5% حتى عند التبديل بترددات تصل إلى 50 كيلو هرتز دون الحاجة إلى أي تعديلات في الأداء. وتأتي فائدة مهمة أخرى من مدى توافق AlN مع المواد أشباه الموصلة من حيث معدلات التمدد. ويمنع هذا التوافق الإجهاد الميكانيكي الناتج عن التغيرات في درجة الحرارة، ما يعني عدم تشكل شقوق دقيقة أو تلف وصلات اللحام بعد كل تلك الدورات من التسخين والتبريد.
يجب أن تكون إدارة الحرارة لأنظمة العاكس الكهربائي للمركبات الكهربائية قوية بما يكفي للتعامل مع الاهتزازات، وتقلبات درجات الحرارة، والحرارة الشديدة الناتجة عن هذه الأنظمة القوية المدمجة. تجعل ركائز نيتريد الألومنيوم (AlN) أنظمة التبريد أصغر بنسبة 30% تقريبًا، مع القدرة على التعامل مع تدفقات حرارية تصل إلى 500 واط لكل سنتيمتر مربع في أنظمة البطاريات ذات الجهد 800 فولت. ويقلل هذا المادة من درجات حرارة الوصلة داخل وحدات IGBT/SiC الهجينة بنحو 15 إلى 25 درجة مئوية مقارنةً بالمواد الخزفية التقليدية. كما أظهرت الاختبارات الواقعية نتائج مثيرة للإعجاب أيضًا. فقد انخفض معدل فشل العواكس الدقيقة الشمسية الموضوعة في المناطق الصحراوية بنسبة 40% بعد خمس سنوات فقط من التشغيل. وتُبقي توربينات الرياح المجهزة بمكونات AlN نسبة تشغيلها أعلى من 99% حتى في ظروف السواحل القاسية التي تشمل هواء مالح، رطوبة، والتشغيل عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى ناقص 40 درجة مئوية. ما يميز مادة AlN هو قدرتها على مقاومة القوس الكهربائي في البيئات الرطبة أو المتسخة، ولهذا السبب أصبحت مهمة جدًا لبناء بنية تحتية موثوقة ومتينة عبر مختلف تطبيقات الطاقة المتجددة.
يحتاج عالم الإلكترونيات القوية إلى ركائز تتعامل مع ثلاث أمور كبيرة في آنٍ واحد: إدارة الحرارة بكفاءة، والقدرة على التحمل في الظروف القاسية، وتقديم خيارات تغليف مرنة. ويُعد نيتريد الألومنيوم مادة تفي بجميع هذه الشروط. تتراوح التوصيلية الحرارية له بين 170 و200 واط/متر كلفن، ما يعني أنه يُزيل الحرارة بشكل فعّال من المكونات الكهربائية المدمجة مثل مقاطع الطاقة (IGBTs) والثايرستورات. بالإضافة إلى ذلك، فإن معامل التمدد الحراري البالغ حوالي 4.5 جزء من المليون/كلفن يتماشى جيدًا مع السيليكون وأشباه الموصلات الحديثة ذات الفجوة العريضة، مما يقلل من احتمالية تشوه المكونات أو فشل وصلات اللحام عند تغير درجات الحرارة. وتُظهر المعايير الصناعية التي وضعتها الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME) أن الإجهاد الميكانيكي يتراكم بشكل كبير في الحزم الطباقية — أحيانًا أكثر من 0.8% لكل تغير بـ100 درجة مئوية في درجة الحرارة. لكن توافق نيتريد الألومنيوم مع مواد مختلفة يساعد في تقليل هذا الخطر بشكل كبير. وفيما يتعلق بالمتانة، يتحمل AlN الاهتزازات القوية الموجودة في السيارات والطائرات، حيث يصمد أمام قوى تصل إلى 50G. وهناك ميزة إضافية: يسمح AlN بطبقات عازلة بسماكة تصل إلى 0.3 مم، ما يقلص حجم الحزم بنحو النصف دون التضحية بخصائص العزل الكهربائي. وهذا يجعله مثاليًا لتقليل حجم المكونات في أنظمة الدفع للمركبات الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة المتصلة بالشبكة.
EN
