El sustrato de AlN realmente destaca en la gestión del calor, con valores de conductividad térmica alrededor de 170 a 200 W/mK. Eso es bastante impresionante en comparación con otros materiales como el óxido de aluminio, que ofrece solo 20 a 30 W/mK, o el nitruro de silicio, con 15 a 35 W/mK bajo condiciones similares. Lo que hace tan bueno al AlN es su estructura cristalina wurtzita única. Esta disposición permite que el calor se mueva eficientemente a través del material sin comprometer las propiedades eléctricas, manteniendo un fuerte aislamiento de aproximadamente 14 kV/mm. Los módulos de potencia que utilizan AlN suelen mostrar reducciones en la resistencia térmica del 30 al 40 % frente a los sustratos de óxido tradicionales. Menor acumulación de calor significa que los semiconductores duran más antes de fallar. Para quienes trabajan en diseños de alta frecuencia, esta eficiencia reduce significativamente la necesidad de componentes adicionales de enfriamiento. El resultado final: sistemas que ocupan menos espacio, pesan menos y concentran más potencia en paquetes más pequeños que nunca antes posible.
El AlN mantiene una conductividad térmica impresionante incluso cuando es muy delgado, permaneciendo por encima del 90 % de lo que sería en forma masiva debido a que hay poca interferencia por dispersión de fonones en las interfaces. Esto lo destaca para aplicaciones que involucran películas delgadas o múltiples capas donde la acumulación de calor es un problema común. La tasa de expansión térmica del material se sitúa en aproximadamente 4,5 ppm por kelvin, lo cual coincide bastante bien con los chips de silicio y carburo de silicio. Esa coincidencia reduce la resistencia térmica entre materiales en alrededor del 60 % en comparación con materiales como la alúmina, que no encajan tan adecuadamente. Combinando esta propiedad con buenas técnicas de metalización, especialmente cobre unido directamente (DBC), observamos valores de conductancia térmica interfacial superiores a 3.000 W por metro cuadrado por kelvin. Estas características hacen que el AlN sea adecuado para entornos térmicos exigentes, como sistemas de potencia en aeronaves o láseres diodos potentes que experimentan cambios extremos de temperatura que superan diferencias de 200 grados Celsius durante su funcionamiento normal.
Los MOSFET de carburo de silicio (SiC) junto con los HEMT de nitruro de galio (GaN) funcionan mejor cuando sus temperaturas de unión permanecen dentro de límites estrechos. El nitruro de aluminio (AlN) destaca porque conduce el calor tan bien que reduce esos molestos puntos calientes dentro de los módulos de potencia en aproximadamente 20 a 30 grados Celsius. Esto marca una gran diferencia para prevenir problemas de fuga térmica en aplicaciones de alto voltaje superiores a 1,2 kV, como accionamientos industriales de motores o fuentes de alimentación para servidores. Según lo que sabemos de estudios de confiabilidad similares al modelo de Arrhenius, reducir estas temperaturas hace que los dispositivos duren considerablemente más. Por ejemplo, los MOSFET de SiC combinados con AlN mantienen un funcionamiento de aproximadamente 98,5 % de eficiencia incluso al conmutar a frecuencias de 50 kHz, sin necesidad de ajustes de rendimiento. Otro beneficio importante proviene de cómo el AlN coincide con los materiales semiconductores en cuanto a tasas de expansión. Esta compatibilidad evita el estrés mecánico causado por cambios de temperatura, lo que significa que ya no se forman microgrietas ni se deterioran las uniones de soldadura tras todos esos ciclos de calentamiento y enfriamiento.
La gestión térmica para inversores de tracción de vehículos eléctricos debe ser lo suficientemente resistente para soportar vibraciones, fluctuaciones de temperatura y el intenso calor generado por estos sistemas de potencia compactos. Los sustratos de nitruro de aluminio (AlN) permiten que los sistemas de refrigeración sean aproximadamente un 30 % más pequeños y, sin embargo, sigan manejando flujos térmicos tan altos como 500 W por centímetro cuadrado en esos sistemas de baterías de 800 voltios. Este material reduce las temperaturas de unión dentro de esos módulos híbridos IGBT/SiC entre 15 y 25 grados Celsius en comparación con materiales cerámicos convencionales. Las pruebas en condiciones reales también han mostrado resultados impresionantes. Microinversores solares instalados en zonas desérticas han reducido su tasa de fallos en un 40 % después de solo cinco años de funcionamiento. Las turbinas eólicas equipadas con componentes de AlN mantienen una disponibilidad superior al 99 % incluso en condiciones costeras severas, incluyendo aire salino, humedad y arranques a temperaturas tan bajas como menos 40 grados Celsius. Lo que hace destacar al AlN es su capacidad para resistir arcos eléctricos en entornos húmedos o sucios, razón por la cual se está volviendo tan importante para construir infraestructuras fiables y duraderas en diversas aplicaciones de energía renovable.
El mundo de la electrónica de potencia necesita sustratos que gestionen simultáneamente tres aspectos clave: una buena gestión térmica, durabilidad en condiciones exigentes y opciones flexibles de empaquetado. El nitruro de aluminio cumple con todos estos requisitos. Su conductividad térmica oscila entre 170 y 200 W/mK, lo que significa que disipa eficazmente el calor generado por componentes de potencia densos, como IGBTs y tiristores. Además, el coeficiente de expansión térmica de aproximadamente 4,5 ppm/K funciona muy bien con el silicio y los nuevos semiconductores de banda ancha, reduciendo así significativamente el riesgo de deformación de los componentes o fallos en las uniones de soldadura ante cambios de temperatura. Las normas industriales establecidas por ASME indican que en paquetes multicapa se acumula una considerable tensión mecánica —a veces superior al 0,8 % por cada cambio de 100 grados en la temperatura—. Sin embargo, la compatibilidad del AlN con diversos materiales ayuda a reducir notablemente este riesgo. En cuanto a resistencia, el AlN soporta vibraciones bastante severas presentes en automóviles y aviones, soportando fuerzas de hasta 50G. Y hay otro beneficio adicional: el AlN permite capas de aislamiento tan delgadas como 0,3 mm, reduciendo casi a la mitad el tamaño de los paquetes sin comprometer las propiedades de aislamiento eléctrico. Esto lo convierte en ideal para miniaturizar componentes en trenes de transmisión de vehículos eléctricos y en sistemas de energía renovable conectados a la red.
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