AlN substrát se opravdu vyznačuje výbornou tepelnou vodivostí, která činí přibližně 170 až 200 W/mK. To je docela působivé ve srovnání s jinými materiály, jako je oxid hlinitý s 20 až 30 W/mK nebo dusík křemičitý s 15 až 35 W/mK za podobných podmínek. To, co činí AlN tak dobrým, je jeho unikátní krystalová struktura typu wurtzit. Toto uspořádání umožňuje efektivní šíření tepla materiálem, aniž by došlo ke zhoršení elektrických vlastností, přičemž udržuje vysokou izolační odolnost kolem 14 kV/mm. Výkonové moduly využívající AlN obvykle vykazují snížení tepelného odporu o 30 až 40 % oproti tradičním oxidačním substrátům. Nižší hromadění tepla znamená delší životnost polovodičů před jejich poruchou. Pro ty, kdo pracují na návrzích pro vysoké frekvence, tato účinnost skutečně snižuje potřebu dalších chladicích komponent. Konečným výsledkem jsou systémy, které zabírají méně místa, jsou lehčí a umožňují větší výkon v menších rozměrech, než bylo dříve možné.
AlN udržuje působivou tepelnou vodivost i ve velmi tenkých vrstvách, zůstávající nad 90 % oproti objemovému materiálu, protože na rozhraních dochází k minimálnímu rozptylu fononů. To činí tento materiál vynikajícím pro aplikace zahrnující tenké vrstvy nebo vícevrstvé struktury, kde je hromadění tepla běžným problémem. Koeficient tepelné roztažnosti materiálu činí přibližně 4,5 ppm na kelvin, což odpovídá dobře jak křemíku, tak karbidu křemíku. Tato shoda snižuje tepelný odpor mezi materiály o přibližně 60 % ve srovnání s materiály jako například hliník oxid, který se méně hodí. Kombinací této vlastnosti s vhodnými metalizačními technikami, zejména přímým spojením mědi (DBC), dosahujeme interfaciální tepelné vodivosti přesahující 3 000 W na metr čtvereční na kelvin. Tyto vlastnosti činí AlN vhodným pro náročné tepelné prostředí, jako jsou napájecí systémy v letadlech nebo výkonné laserové diody, které během normálního provozu procházejí extrémními změnami teplot přesahující rozdíl 200 stupňů Celsia.
Karbid křemičitý (SiC) MOSFETy spolu s nitridem galia (GaN) HEMT pracují nejlépe, pokud jejich přechodové teploty zůstávají v úzkých mezích. Nitrid hlinitý (AlN) se vyznačuje tím, že velmi dobře vede teplo, čímž snižuje obtížné horké body uvnitř výkonových modulů o přibližně 20 až 30 stupňů Celsia. To znamená významný rozdíl při prevenci problémů s tepelným řízením ve vysokonapěťových aplikacích nad 1,2 kV, jako jsou průmyslové pohony motorů nebo napájecí zdroje pro servery. Podle poznatků z výzkumů spolehlivosti podobných Arrheniovu modelu snížení těchto teplot skutečně výrazně prodlužuje životnost zařízení. Například SiC MOSFETy kombinované s AlN udržují provozní účinnost na úrovni přibližně 98,5 %, i když spínají na frekvencích 50 kHz, a to bez nutnosti jakýchkoli výkonnostních úprav. Další důležitou výhodou je, jak moc se AlN shoduje s polovodičovými materiály co do koeficientů tepelné roztažnosti. Tato kompatibilita brání mechanickému namáhání způsobenému změnami teploty, což znamená, že již nedochází ke vzniku mikrotrhlin ani k opotřebení pájených spojů po opakovaných cyklech ohřevu a chlazení.
Termální správa pro tahové měniče elektrických vozidel musí být dostatečně odolná vůči vibracím, teplotním výkyvům a intenzivnímu teplu generovanému těmito kompaktními výkonovými systémy. Substráty z nitridu hlinitého (AlN) umožňují zmenšit chladicí systémy o přibližně 30 %, a přesto stále zvládají tepelné zatížení až 500 W na čtvereční centimetr v těchto 800voltových bateriových systémech. Tento materiál snižuje teplotu v oblasti přechodů uvnitř hybridních modulů IGBT/SiC o asi 15 až 25 stupňů Celsia ve srovnání s běžnými keramickými materiály. I reálné testování ukázalo působivé výsledky. Solární mikroměniče umístěné v pouštních oblastách vykázaly pokles poruchovosti o 40 % po pěti letech provozu. Větrné elektrárny vybavené součástkami z AlN dosahují provozní dostupnosti vyšší než 99 %, i když jsou vystaveny extrémním pobřežním podmínkám včetně slaného vzduchu, vlhkosti a startování při teplotách až minus 40 stupňů Celsia. Výjimečnost AlN spočívá v jeho schopnosti odolávat elektrickým obloukům ve vlhkém nebo znečistěném prostředí, což je důvodem, proč se tento materiál stává klíčovým pro budování spolehlivé a trvanlivé infrastruktury v různých oblastech obnovitelných zdrojů energie.
Svět výkonové elektroniky potřebuje substráty, které zvládnou najednou tři klíčové věci: efektivní správu tepla, odolnost v náročných podmínkách a flexibilní možnosti zabudování. Nitrid hlinitý tyto požadavky plní všechny. Jeho tepelná vodivost se pohybuje mezi 170 a 200 W/mK, což znamená, že efektivně odvádí teplo od hustě uspořádaných výkonových součástek, jako jsou IGBT a tyristory. Kromě toho koeficient teplotní roztažnosti okolo 4,5 ppm/K velmi dobře odpovídá křemíku i novějším polovodičům s širokou zakázanou zónou, čímž se výrazně snižuje riziko deformace součástek nebo poškození pájených spojů při kolísání teplot. Průmyslové normy stanovené ASME ukazují, že vrstvené obaly akumulují mechanické napětí poměrně vysoké – někdy více než 0,8 % na každou změnu teploty o 100 °C. Díky kompatibilitě AlN s různými materiály lze toto riziko výrazně snížit. Pokud jde o pevnost, AlN odolává docela drsným vibracím, jaké se vyskytují v automobilech a letadlech, a vydrží zatížení až do 50G. A ještě jedna výhoda: AlN umožňuje izolační vrstvy silné pouhých 0,3 mm, čímž se velikost obalů zmenší téměř na polovinu, aniž by byly obětovány elektrické izolační vlastnosti. To jej činí ideálním pro miniaturizaci součástek ve výkonových řetězcích elektromobilů a v systémech obnovitelných zdrojů energie připojených do sítě.
EN
