AlN-substratet adskiller sig markant, når det drejer sig om varmehåndtering, med termisk ledningsevne på omkring 170 til 200 W/mK. Det er ret imponerende i sammenligning med andre materialer som aluminiumoxid med kun 20 til 30 W/mK eller siliciumnitrid med 15 til 35 W/mK under lignende forhold. Hvad der gør AlN så god er dens unikke wurtzit-kristelstruktur. Denne opbygning tillader varme at bevæge sig effektivt gennem materialet uden at kompromittere de elektriske egenskaber, og opretholder stærk isolation ved ca. 14 kV/mm. Effektmoduler, der bruger AlN, viser typisk en reduktion i termisk modstand på 30 til 40 % i forhold til traditionelle oxidsubstrater. Mindre varmeophobning betyder, at halvledere holder længere, inden de fejler. For dem, der arbejder med højfrekvensdesign, reducerer denne type effektivitet faktisk behovet for ekstra kølingskomponenter. Det endelige resultat? Systemer, der optager mindre plads, vejer mindre og kan pakke mere effekt ned i mindre pakker end nogensinde før.
AlN bevarer imponerende termisk ledningsevne, selv når det er meget tyndt, og forbliver over 90 % af det, det ville være i massiv form, fordi der er ringe interferens fra fononspredning ved grænseflader. Dette gør det fremtrædende til anvendelser med tynde film eller flere lag, hvor varmeophobning er et almindeligt problem. Materialets varmeudvidelseskoefficient ligger ved ca. 4,5 ppm pr. Kelvin, hvilket stemmer godt overens med både silicium- og siliciumcarbid-chips. Denne overensstemmelse reducerer den termiske modstand mellem materialer med omkring 60 % i forhold til materialer som aluminiumoxid, som ikke passer så godt sammen. Kombineres denne egenskab med gode metalliseringsteknikker, især direkte bundet kobber (DBC), opnås værdier for termisk ledningsevne ved grænseflader, der overstiger 3.000 W pr. kvadratmeter pr. Kelvin. Disse egenskaber gør AlN velegnet til krævende termiske miljøer, såsom effektsystemer i fly eller kraftige laserdioder, der udsættes for ekstreme temperaturændringer, der under normal drift overstiger 200 graders Celsius-forskelle.
Siliciumcarbid (SiC) MOSFET'er fungerer bedst sammen med galliumnitrid (GaN) HEMT'er, når deres spændingstemperaturer holdes inden for snævre grænser. Aluminiumnitrid (AlN) skiller sig ud, fordi det leder varme så godt, at det reducerer irriterende varmepletter i effektmoduler med omkring 20 til 30 grader Celsius. Dette gør en stor forskel, når det gælder om at forhindre termisk løberamme i højspændingsapplikationer over 1,2 kV, som f.eks. industrielle motorstyringer eller serverstrømforsyninger. Ifølge pålidelighedsstudier, svarende til Arrhenius-modellen, betyder lavere temperaturer faktisk, at enheder holder meget længere. Tag f.eks. SiC MOSFET'er kombineret med AlN – de opretholder en driftseffektivitet på ca. 98,5 %, selv når de skifter ved 50 kHz-frekvenser, uden behov for ydelsesjusteringer. En anden vigtig fordel er, hvordan AlN svarer til halvledermaterialer, hvad angår udvidelseskoefficienter. Denne kompatibilitet forhindrer mekanisk spænding forårsaget af temperaturændringer, hvilket betyder, at der ikke længere dannes mikrorevner eller lodfuger slides ned efter alle varme- og kølecykluser.
Den termiske styring af elmotorers traktionsomformere skal være robust nok til at håndtere vibrationer, temperatursvingninger og den intense varme, som disse kompakte effektsystemer genererer. Aluminiumnitrid (AlN) substrater gør kølesystemer omkring 30 % mindre, mens de stadig kan klare varmestrømme på op til 500 W pr. kvadratcentimeter i disse 800 volts batterikonfigurationer. Materialet reducerer spændingsfaldstemperaturen i IGBT/SiC hybridmodulerne med cirka 15 til 25 grader Celsius sammenlignet med almindelige keramiske materialer. Reelle tests har også vist imponerende resultater. Solcellemikroinvertere placeret i ørkenområder har set deres fejlrate falde med 40 % efter blot fem års drift. Vindmøller udstyret med AlN-komponenter opretholder en disponibilitet bedre end 99 %, selv under hårde kystnære forhold såsom saltluft, fugtighed og start ved temperaturer så lave som minus 40 grader Celsius. Det, der gør AlN fremtrædende, er dets evne til at modstå elektriske stød i fugte eller snavsede miljøer, hvilket er grunden til, at det bliver så vigtigt for opbygningen af pålidelig og holdbar infrastruktur inden for forskellige vedvarende energianvendelser.
Verdenen af kraftelektronik har brug for substrater, der kan håndtere tre store ting samtidig: effektiv varmehåndtering, holdbarhed under hårde forhold og fleksible pakkeløsninger. Aluminiumnitrid opfylder alle disse krav. Dets termiske ledningsevne ligger mellem 170 og 200 W/mK, hvilket betyder, at det effektivt leder varme væk fra tætte kraftkomponenter som IGBT’er og tyristorer. Desuden passer den termiske udvidelseskoefficient på omkring 4,5 ppm/K rigtig godt til silicium og de nyere bredbåndshalvledere, så risikoen for deformation eller svigt i lodforbindelser ved temperatursvingninger mindskes. Industristandarder fra ASME viser, at mekanisk spænding kan opbygges betydeligt i lagdelte pakker – nogle gange over 0,8 % pr. 100 graders temperaturændring. Men AlN’s kompatibilitet med forskellige materialer hjælper med markant at reducere denne risiko. Set fra styrkesynsvinkel tåler AlN ret hårde vibrationer, som findes i biler og fly, og overlever kræfter op til 50G. Og her er et andet plus: AlN tillader isoleringsslag så tynde som 0,3 mm, hvilket reducerer pakkestørrelsen med næsten halvdelen uden at ofre elektrisk isolationskapacitet. Dette gør det ideelt til miniatyrisering af komponenter i elmotorer til elbiler og vedvarende energisystemer tilsluttet strømforsyningen.
EN
