Das AlN-Substrat zeichnet sich besonders bei der Wärmeableitung aus, mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 170 bis 200 W/mK. Das ist im Vergleich zu anderen Materialien wie Aluminiumoxid mit nur 20 bis 30 W/mK oder Siliziumnitrid mit 15 bis 35 W/mK unter ähnlichen Bedingungen ziemlich beeindruckend. Die besondere Eignung von AlN ergibt sich aus seiner einzigartigen Wurtzit-Kristallstruktur. Diese Anordnung ermöglicht eine effiziente Wärmeübertragung durch das Material, ohne die elektrischen Eigenschaften zu beeinträchtigen, und gewährleistet gleichzeitig eine hohe Isolationsfestigkeit von etwa 14 kV/mm. Leistungsmodule mit AlN weisen typischerweise eine Verringerung des thermischen Widerstands um 30 bis 40 % gegenüber herkömmlichen Oxidsubstraten auf. Weniger Wärmestau bedeutet, dass Halbleiter länger halten, bevor sie ausfallen. Für Entwickler von Hochfrequenzschaltungen reduziert diese Effizienz tatsächlich den Bedarf an zusätzlichen Kühlkomponenten. Das Ergebnis? Systeme, die weniger Platz beanspruchen, leichter sind und mehr Leistung in kleineren Gehäusen bündeln können als jemals zuvor möglich.
AlN weist auch bei geringer Dicke eine beeindruckende Wärmeleitfähigkeit auf und bleibt dabei über 90 % des Wertes im massiven Zustand, da die Streuung von Phononen an Grenzflächen nur geringfügig stört. Dadurch zeichnet es sich besonders in Anwendungen mit Dünnfilmen oder mehrschichtigen Aufbauten aus, bei denen Wärmestau ein häufiges Problem darstellt. Die Wärmeausdehnung des Materials liegt bei etwa 4,5 ppm pro Kelvin, was gut zu Silizium- und Siliziumkarbid-Chips passt. Diese Übereinstimmung reduziert den thermischen Widerstand zwischen den Materialien um rund 60 % im Vergleich zu Werkstoffen wie Aluminiumoxid, die nicht so gut zusammenpassen. In Kombination mit geeigneten Metallisierungsverfahren, insbesondere direkt gebondetem Kupfer (DBC), ergeben sich Werte für die interfaciale Wärmeleitfähigkeit von über 3.000 W pro Quadratmeter pro Kelvin. Diese Eigenschaften machen AlN für anspruchsvolle thermische Umgebungen geeignet, wie beispielsweise Leistungssysteme in Flugzeugen oder leistungsstarke Laserdioden, die während des Normalbetriebs extremen Temperaturschwankungen mit Unterschieden von mehr als 200 Grad Celsius ausgesetzt sind.
Siliziumkarbid-(SiC-)MOSFETs funktionieren zusammen mit Galliumnitrid-(GaN-)HEMTs am besten, wenn ihre Sperrschichttemperaturen innerhalb enger Grenzen bleiben. Aluminiumnitrid (AlN) zeichnet sich dadurch aus, dass es Wärme so gut leitet, dass es die lästigen Hotspots in Leistungsmodulen um etwa 20 bis 30 Grad Celsius reduziert. Dies macht einen großen Unterschied bei der Verhinderung von thermischem Durchgehen in Hochspannungsanwendungen über 1,2 kV, wie beispielsweise industriellen Motorantrieben oder Server-Netzteilen. Laut Erkenntnissen aus Zuverlässigkeitsstudien, die dem Arrhenius-Modell ähneln, verlängert die Verringerung dieser Temperaturen die Lebensdauer von Bauelementen erheblich. SiC-MOSFETs in Kombination mit AlN beispielsweise behalten eine Effizienz von etwa 98,5 % bei, selbst wenn sie mit Frequenzen von 50 kHz schalten, ohne dass Leistungsanpassungen erforderlich sind. Ein weiterer wichtiger Vorteil ergibt sich daraus, wie gut sich AlN hinsichtlich der Ausdehnungskoeffizienten mit Halbleitermaterialien verträgt. Diese Kompatibilität verhindert mechanische Spannungen durch Temperaturschwankungen, wodurch nach wiederholten Heiz- und Kühlzyklen keine Mikrorisse entstehen und Lötverbindungen nicht beschädigt werden.
Das thermische Management für elektrische Fahrzeug-Antriebswechselrichter muss robust genug sein, um Vibrationen, Temperaturschwankungen und die intensive Wärme zu bewältigen, die von diesen kompakten Leistungssystemen erzeugt wird. Aluminiumnitrid (AlN)-Substrate ermöglichen Kühlungen, die etwa 30 % kleiner sind, während sie weiterhin Wärmeströme von bis zu 500 W pro Quadratzentimeter in diesen 800-Volt-Batteriesystemen bewältigen. Dieses Material senkt die Sperrschichttemperaturen innerhalb der IGBT/SiC-Hybridmodule um etwa 15 bis 25 Grad Celsius im Vergleich zu herkömmlichen keramischen Materialien. Praxisnahe Tests haben ebenfalls beeindruckende Ergebnisse gezeigt. So sank die Ausfallrate von Solar-Mikrowechselrichtern in Wüstengebieten um 40 % nach nur fünf Betriebsjahren. Windkraftanlagen mit AlN-Bauteilen weisen eine Verfügbarkeit von über 99 % auf, selbst unter rauen Küstenbedingungen wie Salzluft, Feuchtigkeit und beim Anlaufen bei Temperaturen von bis zu minus 40 Grad Celsius. Besonders hervorstechend an AlN ist seine Fähigkeit, elektrische Lichtbögen in feuchten oder verschmutzten Umgebungen zu widerstehen, weshalb es für den Aufbau zuverlässiger und langlebiger Infrastrukturen in verschiedenen Anwendungen der erneuerbaren Energien immer wichtiger wird.
Die Welt der Leistungselektronik benötigt Substrate, die gleichzeitig drei große Anforderungen erfüllen: effiziente Wärmeableitung, Langlebigkeit unter rauen Bedingungen und flexible Verpackungsoptionen. Aluminiumnitrid erfüllt all diese Kriterien. Seine Wärmeleitfähigkeit liegt zwischen 170 und 200 W/mK, was bedeutet, dass es Wärme effektiv von dicht bestückten Leistungsbauelementen wie IGBTs und Thyristoren abführt. Zudem passt sich der Wärmeausdehnungskoeffizient mit etwa 4,5 ppm/K sehr gut an Silizium und neuere Halbleiter mit breitem Bandabstand an, wodurch die Gefahr von Verformungen oder Ausfällen der Lötverbindungen bei Temperaturschwankungen deutlich reduziert wird. Branchenstandards der ASME zeigen, dass sich in geschichteten Gehäusen mechanische Spannungen stark aufbauen können – manchmal über 0,8 % pro 100 °C Temperaturänderung. Die Materialkompatibilität von AlN trägt jedoch erheblich dazu bei, dieses Risiko zu verringern. Hinsichtlich Festigkeit widersteht AlN den harten Vibrationen in Fahrzeugen und Flugzeugen und übersteht Belastungen bis zu 50G. Ein weiterer Vorteil: AlN ermöglicht Isolationsschichten mit einer Dicke von nur 0,3 mm, wodurch die Gehäusegröße um nahezu die Hälfte verkleinert werden kann, ohne die elektrische Isolationsfähigkeit zu beeinträchtigen. Dadurch eignet es sich ideal zur Miniaturisierung von Bauteilen in Elektrofahrzeug-Antriebssträngen und netzgekoppelten Systemen für erneuerbare Energien.
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