چرا زیرلایه نیترید آلومینوم برای پراکندگی حرارت در الکترونیک قدرت مناسب است؟

هدایت حرارتی استثنایی: مزیت اصلی زیرلایه نیترید آلومینیوم

ارزیابی هدایت حرارتی: نیترید آلومینیوم در مقابل اکسید آلومینیوم و نیترید سیلیسیوم

زیرلایه AlN واقعاً در مدیریت حرارت برجسته است و هدایت حرارتی آن در حدود 170 تا 200 وات بر متر کلوین است. این مقدار در مقایسه با سایر موادی مانند اکسید آلومینیوم با 20 تا 30 وات بر متر کلوین یا نیترید سیلیسیوم با 15 تا 35 وات بر متر کلوین در شرایط مشابه، بسیار قابل توجه است. چیزی که AlN را به این خوبی می‌رساند، ساختار کریستالی وورتزیت منحصربه‌فرد آن است. این آرایش باعث می‌شود حرارت به‌طور کارآمد از ماده عبور کند بدون اینکه خواص الکتریکی آن تحت تأثیر قرار گیرد و عایقی قوی را در حدود 14 کیلوولت بر میلی‌متر حفظ کند. ماژول‌های توان که از AlN استفاده می‌کنند، معمولاً مقاومت حرارتی را 30 تا 40 درصد نسبت به زیرلایه‌های اکسیدی سنتی کاهش می‌دهند. کاهش تجمع حرارت به معنای طول عمر بیشتر نیمه‌هادی‌ها قبل از خرابی است. برای کسانی که روی طراحی‌های فرکانس بالا کار می‌کنند، این نوع از کارایی در عمل نیاز به قطعات خنک‌کننده اضافی را کاهش می‌دهد. نتیجه نهایی؟ سیستم‌هایی که فضای کمتری اشغال می‌کنند، سبک‌تر هستند و توان بیشتری را در بسته‌های کوچک‌تری نسبت به گذشته جای می‌دهند.

حفظ عملکرد حرارتی بالا در پیکربندی‌های لایه نازک و محدودشده توسط رابط

آلن با وجود نازک بودن، هدایت گرمایی چشمگیری حفظ می‌کند و میزان آن بالای ۹۰٪ هدایت در حالت تودری است، زیرا تداخل ناشی از پراکندگی فونون در مرزهای بین لایه‌ها بسیار کم است. این ویژگی باعث می‌شود در کاربردهایی که شامل لایه‌های نازک یا چندلایه هستند، به‌ویژه جایی که تجمع گرما مشکل رایجی است، عملکرد برجسته‌ای داشته باشد. ضریب انبساط گرمایی این ماده حدود ۴٫۵ قسمت در میلیون بر کلوین است که تطابق خوبی با تراشه‌های سیلیکون و کاربید سیلیکون دارد. این تطابق در مقایسه با موادی مانند آلومینا که تطابق کمتری دارند، مقاومت گرمایی بین مواد را تا حدود ۶۰٪ کاهش می‌دهد. با ت kếtیک‌های مناسب فلز‌دهی، به‌ویژه مس مستقیم متصل شده (DBC)، رسانایی گرمایی بین‌وجهی از مرز ۳۰۰۰ وات بر متر مربع بر کلوین فراتر می‌رود. این ویژگی‌ها آلن را مناسب محیط‌های سخت گرمایی مانند سیستم‌های قدرت در هواپیماها یا دیود‌های لیزر قدرتمند می‌کند که در طول عملکرد عادی تغییرات دمای شدیدی بیش از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد را تجربه می‌کنند.

عملکرد حرارتی در دنیای واقعی در کاربردهای نیمهرساناهای پرقدرت

کاهش دمای اتصال در ماژول‌های SiC MOSFET و GaN HEMT با استفاده از زیرلایه نیترید آلومینیوم

ترانزیستورهای MOSFET کربید سیلیسیم (SiC) همراه با ترانزیستورهای HEMT نیترید گالیوم (GaN) زمانی بهترین عملکرد را دارند که دمای اتصال آنها در محدوده‌های باریکی حفظ شود. نیترید آلومینیوم (AlN) به این دلیل برجسته است که گرما را به خوبی هدایت می‌کند و حدود ۲۰ تا ۳۰ درجه سانتی‌گراد از نقاط داغ مزاحم درون ماژول‌های قدرت کاسته، به‌ویژه در کاربردهای با ولتاژ بالای ۱٫۲ کیلوولت مثل درایوهای موتور صنعتی یا منابع تغذیه سرور. بر اساس مطالعات قابلیت اطمینان مشابه مدل آرهنیوس، کاهش این دماها در عمل باعث افزایش قابل توجه طول عمر دستگاه‌ها می‌شود. به عنوان مثال، ترکیب SiC MOSFET با AlN حتی در فرکانس‌های سوئیچینگ ۵۰ کیلوهرتز نیز بدون نیاز به تنظیمات عملکردی، بازدهی حدود ۹۸٫۵ درصد را حفظ می‌کند. فایده مهم دیگر از همخوانی نیترید آلومینیوم با مواد نیمهرسانا از نظر ضریب انبساط حرارتی ناشی می‌شود. این سازگاری از ایجاد تنش مکانیکی ناشی از تغییرات دما جلوگیری می‌کند و بدین ترتیب از تشکیل ترک‌های ریز و خرابی اتصالات لحیمی پس از چرخه‌های مکرر گرمایش و سرمایش جلوگیری می‌شود.

فعال‌سازی قابلیت اطمینان در معکوس‌کننده‌های کششی خودروهای الکتریکی و مبدل‌های انرژی تجدیدپذیر

سیستم مدیریت حرارتی برای اینورترهای کششی وسیله نقلیه الکتریکی باید به اندازه‌ای مقاوم باشد که بتواند ارتعاشات، نوسانات دما و گرمای شدید تولید شده توسط این سیستم‌های قدرت فشرده را تحمل کند. زیرلایه‌های نیترید آلومینوم (AlN) باعث می‌شوند سیستم‌های خنک‌کننده حدود ۳۰ درصد کوچک‌تر شوند، در حالی که هنوز قادر به تحمل شار حرارتی تا ۵۰۰ وات بر سانتی‌متر مربع در آن سیستم‌های باتری ۸۰۰ ولت هستند. این ماده دمای اتصال درون ماژول‌های ترکیبی IGBT/SiC را حدود ۱۵ تا ۲۵ درجه سانتی‌گراد نسبت به مواد سرامیکی معمولی کاهش می‌دهد. آزمایش‌های واقعی نیز نتایج چشمگیری نشان داده‌اند. میکرواینورتر‌های خورشیدی که در مناطق بیابانی نصب شده‌اند، پس از پنج سال عملکرد، نرخ خرابی آن‌ها ۴۰ درصد کاهش یافته است. توربین‌های بادی مجهز به قطعات AlN حتی در شرایط سخت ساحلی شامل هوای شور، رطوبت و راه‌اندازی در دمای پایین تا منفی ۴۰ درجه سانتی‌گراد، بیش از ۹۹ درصد آماده‌به‌کار بودن را حفظ می‌کنند. چیزی که AlN را متمایز می‌کند، توانایی آن در مقاومت در برابر قوس الکتریکی در محیط‌های مرطوب یا کثیف است، به همین دلیل است که این ماده برای ساخت زیرساخت قابل اعتماد و بادوام در کاربردهای مختلف انرژی تجدید‌پذیر بسیار مهم می‌شود.

متعادل‌سازی الزامات حرارتی، مکانیکی و بسته‌بندی

دنیای الکترونیک قدرت به زیرلایه‌هایی نیاز دارد که بتوانند همزمان سه وظیفه مهم را انجام دهند: مدیریت مناسب حرارت، دوام در شرایط سخت و ارائه گزینه‌های بسته‌بندی انعطاف‌پذیر. نیترید آلومینیوم تمامی این شرایط را برآورده می‌کند. هدایت حرارتی آن بین ۱۷۰ تا ۲۰۰ وات بر متر کلوین است که به معنای دفع مؤثر گرما از اجزای پرچگال قدرتی مانند IGBTها و تریستورها می‌باشد. علاوه بر این، ضریب انبساط حرارتی در حدود ۴٫۵ قسمت در میلیون بر کلوین (ppm/K) با سیلیکون و نیمه‌هادی‌های جدیدتر با باند گسترده (wide bandgap) سازگاری بسیار خوبی دارد؛ بنابراین احتمال تغییر شکل قطعات یا شکستن اتصالات لحیم‌کاری در تغییرات دمایی کاهش می‌یابد. استانداردهای صنعتی تعیین‌شده توسط ASME نشان می‌دهند که تنش مکانیکی در بسته‌های لایه‌ای به‌طور قابل توجهی افزایش می‌یابد — گاهی اوقات بیش از ۰٫۸٪ به ازای هر ۱۰۰ درجه تغییر دما. اما سازگاری نیترید آلومینیوم با مواد مختلف به‌طور قابل توجهی این خطر را کاهش می‌دهد. از نظر استحکام، AlN در برابر ارتعاشات شدید موجود در خودروها و هواپیماها مقاوم است و می‌تواند تا نیروهای ۵۰G را تحمل کند. و نکته دیگر اینکه: AlN اجازه می‌دهد لایه‌های عایق به ضخامت تنها ۰٫۳ میلی‌متر استفاده شوند و این امر باعث کاهش تقریباً نصفی در ابعاد بسته‌بندی بدون قربانی کردن خواص عایق‌بندی الکتریکی می‌شود. این ویژگی آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کوچک‌سازی قطعات در سیستم‌های پیشرانه خودروهای برقی و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر متصل به شبکه تبدیل می‌کند.