Подложката от AlN наистина се отличава при управлението на топлината, като топлопроводимостта ѝ е в диапазона от 170 до 200 W/mK. Това е доста впечатляващо в сравнение с други материали като алуминиев оксид със 20 до 30 W/mK или силициев нитрид с 15 до 35 W/mK при същите условия. Онова, което прави AlN толкова добър, е неговата уникална кристална структура от тип вюрцит. Тази подредба позволява ефективно преминаване на топлина през материала, без да се компрометират електрическите свойства, като се запазва висока електрическа изолация от около 14 kV/mm. Модулите за захранване, използващи AlN, обикновено постигат намаление на топлинното съпротивление с 30 до 40% в сравнение с традиционните оксидни подложки. По-малко натрупване на топлина означава, че полупроводниците имат по-дълъг живот преди да се повредят. За онези, които работят с проекти за висока честота, тази ефективност всъщност намалява нуждата от допълнителни охлаждащи елементи. Крайният резултат? Системи, които заемат по-малко пространство, тежат по-малко и доставят повече мощност в по-малки пакети, отколкото досега е било възможно.
AlN запазва впечатляваща топлопроводност, дори когато е изключително тънък, като остава над 90% от стойността си в обемна форма, защото интерфейсите оказват малко влияние върху разсейването на фонони. Това го отличава за приложения с тънки филми или многослойни структури, където натрупването на топлина е чест проблем. Коефициентът на топлинно разширение на материала е около 4,5 ppm на Келвин, което доста добре съвпада както с кристали от силиций, така и с кристали от силициев карбид. Това съвпадение намалява топлинното съпротивление между материали с около 60% в сравнение с материали като алумина, които не се комбинират толкова добре. Когато се комбинира това свойство с подходящи методи за металлизация, особено директно свързана мед (DBC), се постигат стойности на междуслоената топлопроводност над 3000 W на квадратен метър на Келвин. Тези характеристики правят AlN подходящ за тежки топлинни условия, като например енергийни системи в самолети или мощните лазерни диоди, които преминават през екстремни температурни промени, надвишаващи 200 градуса Целзий разлика по време на нормална работа.
Карбидът на силиций (SiC) MOSFET и високопроводимите транзистори с галиев нитрид (GaN) HEMT работят най-ефективно, когато темперацията на прехода им остава в тесни граници. Нитридът на алуминий (AlN) се отличава с изключително висока топлопроводност, което намалява досадните горещи точки вътре в силовите модули с около 20 до 30 градуса по Целзий. Това прави голяма разлика за предотвратяване на проблеми с топлинен бяг във високонапрежени приложения над 1,2 kV, като индустриални задвижвания на двигатели или захранвания за сървъри. Според данните от проучвания за надеждност, подобни на модела на Арениус, понижаването на тези темперации всъщност значително удължава живота на устройствите. Например SiC MOSFET комбиниран с AlN поддържа ефективност от около 98,5%, дори когато превключва при честоти от 50 kHz, без да се налага корекция на производителността. Друго важно предимство идва от факта, че AlN съвпада с разширението на полупроводниковите материали по отношение на коефициента на топлинно разширение. Тази съвместимост предотвратява механичното напрежение, причинено от промени в темперацията, което означава, че няма да се образяват микротръни или разрушаване на спойки след многократни цикли на затопляне и охлаждане.
Топлинният менажмънт за тягови инвертори на електрически превозни средства трябва да е достатъчно издръжлив, за да поема вибрации, температурни колебания и интензивната топлина, генерирана от тези компактни силови системи. Подложките от алуминиев нитрид (AlN) правят системите за охлаждане с около 30% по-малки, като все пак поемат топлинни потоци до 500 W на квадратен сантиметър при онези батерийни конфигурации с 800 волта. Този материал намалява температурите в преходите вътре в IGBT/SiC хибридните модули с около 15 до 25 градуса по Целзий в сравнение с обикновените керамични материали. Извънлабораторните тестове също показват впечатляващи резултати. Слънчеви микроинвертори, разположени в пустинни райони, отбелязват намаляване на честотата на повреди с 40% след само пет години експлоатация. Вятърни турбини, оборудвани с AlN компоненти, поддържат над 99% време на готовност, дори при сурови крайбрежни условия, включително солен въздух, влага и старт при температури до минус 40 градуса по Целзий. Онова, което отличава AlN, е способността му да устоява на електрически дъги във влажни или замърсени среди, поради което той става толкова важен за изграждането на надеждна и издръжлива инфраструктура в различни приложения на възобновяема енергия.
Светът на силовата електроника се нуждае от подложки, които едновременно поемат три големи предизвикателства: ефективно отвеждане на топлината, издръжливост при тежки условия и гъвкави опции за опаковане. Нитридът на алуминий отговаря на всички тези изисквания. Топлопроводността му е в диапазона между 170 и 200 W/mK, което означава, че ефективно отвежда топлината от плътни силови компоненти като IGBT и тиристори. Освен това коефициентът на термично разширение от около 4,5 ppm/K работи отлично със силиция и новите широколентови полупроводници, така че значително се намалява риска от деформация на компонентите или повреда на спойките при температурни колебания. Според индустриални стандарти на ASME механичното напрежение в слоести пакети нараства значително – понякога над 0,8% при всяка промяна в температурата с 100 градуса. Благодарение на съвместимостта на AlN с различни материали този риск се намалява значително. Когато става дума за якост, AlN издържа на доста сурови вибрации, срещани в автомобили и самолети, и може да понесе сили до 50G. Ето още едно предимство: AlN позволява изолационни слоеве с дебелина само 0,3 мм, което намалява размера на пакетите почти наполовина, без да се жертват електрическите изолационни свойства. Това го прави идеален за миниатюризиране на компоненти в задвижванията на електрически превозни средства и системи за възобновяема енергия, свързани с мрежата.
EN
