AlN-substraatti erottuu lämmönhallinnan suhteen, sillä sen lämmönjohtavuus on noin 170–200 W/mK. Tämä on melko vaikuttavaa verrattuna muihin materiaaleihin kuten alumiinioksidiin, jossa arvot ovat noin 20–30 W/mK, tai piinitrideihin, joiden arvot ovat 15–35 W/mK samanlaisissa olosuhteissa. AlN:n suorituskykyyn vaikuttava tekijä on sen ainutlaatuinen wurtziti-kiderakenne. Tämä järjestelmä mahdollistaa tehokkaan lämmön siirtymisen materiaalin läpi heikentämättä sähköisiä ominaisuuksia, säilyttäen vahvan eristyskyvyn noin 14 kV/mm. AlN:ää käyttävät tehomoduulit osoittavat tyypillisesti 30–40 %:n alhaisemman lämmönvastuksen verrattuna perinteisiin oksidisubstraatteihin. Vähäisempi lämpöä muodostava kuorma tarkoittaa, että puolijohteet kestävät pidempään ennen vaurioitumistaan. Niille, jotka suunnittelevat korkeataajuusjärjestelmiä, tämä tyyppinen tehokkuus todellakin vähentää tarvetta ylimääräisille jäähdytysosille. Lopputulos? Järjestelmät ovat pienempiä, kevyempiä ja ne sisältävät enemmän tehoa pienemmissä paketeissa kuin aiemmin on ollut mahdollista.
AlN säilyttää vaikuttavan lämmönjohtavuuden, vaikka se on erittäin ohut, ja pysyy yli 90 %:n tasolla verrattuna kappaleen muotoon, koska fononien hajonta rajapinnoilla ei aiheuta paljoa häiriöitä. Tämä tekee siitä erityisen hyödyllisen ohutkalvo- tai monikerrossovelluksiin, joissa lämmön kertyminen on yleinen ongelma. Materiaalin lämpölaajenemiskerroin on noin 4,5 ppm/kelvin, mikä sopii hyvin sekä piin että piikarbidin piiseihin. Tämä yhteensopivuus vähentää noin 60 %:lla lämpövastetta rajapinnoilla verrattuna esimerkiksi alumiiniokidiin, joka ei sovi yhtä hyvin. Yhdistettynä hyvään metallointitekniikkaan, erityisesti suoraan kiinnitettyn kupariin (DBC), saavutetaan rajapinnan lämmönjohtavuusarvoja yli 3 000 W:n neliömetriä kohti kelviniä kohti. Nämä ominaisuudet tekevät AlN:stä soveltuvaksi vaativiin lämpötilaympäristöihin, kuten lentokoneiden virtajärjestelmiin tai tehokkaisiin laserdiodiin, jotka kokevat ääriäisen lämpötilamuutoksia, ylittäen 200 asteen celsius-eron normaalin käytön aikana.
Silikonikarbidi (SiC) MOSFETit ja galliuminitridi (GaN) HEMTt toimivat parhaimmillaan, kun niiden liitoslämpötila pysyy tiukasti rajoitettuna. Alumiininitridi (AlN) erottautuu erityisen hyvän lämmönjohtavuutensa vuoksi, mikä vähentää noin 20–30 °C:n verran vaivaisia kuumia kohtia tehomoduulien sisällä. Tämä tekee suuren eron estäessä termistä läpimurtoa korkean jännitteen sovelluksissa yli 1,2 kV, kuten teollisissa moottorikäytöissä tai palvelimen virtalähteissä. Luotettavuustutkimusten perusteella, jotka muistuttavat Arrheniuksen mallia, lämpötilan alentaminen todellakin pitkentää laitteiden käyttöikää merkittävästi. Esimerkiksi SiC MOSFETit yhdistettynä AlN:iin säilyttävät noin 98,5 %:n hyötysuhteen, vaikka kytkentätaajuus on 50 kHz, ilman että suorituskykyä on jouduttu säätämään. Toinen tärkeä etu saadaan AlN:n yhteensopivuudesta puolijohdemateriaalien kanssa lämpölaajenemisessa. Tämä yhteensopivuus estää lämpötilamuutoksista johtuvan mekaanisen jännityksen, mikä tarkoittaa, että miksumurtumia ei muodostu eikä juotoksia kulunudu lämpötilan vaihteluiden vuoksi vuosien aikana.
Sähköajoneuvojen vetoinvertterien lämpöhallinnan on oltava riittävän kestävä käsittelemään värähtelyjä, lämpötilan vaihteluita sekä näistä kompakteista voimajärjestelmistä syntyvää kovaa lämpöä. Alumiinitridi (AlN) -substraatit tekevät jäähdytysjärjestelmistä noin 30 % pienempiä, mutta ne silti kestävät lämpövirtoja jopa 500 wattia neliösenttimetriä kohti 800 voltin akkujärjestelmissä. Tämä materiaali alentaa liitoskohtien lämpötiloja IGBT/SiC-hybridi-moduuleissa noin 15–25 celsiusastetta verrattuna tavallisiin keraamisiin materiaaleihin. Käytännön testit ovat tuottaneet myös vaikuttavia tuloksia. Auringon mikroinvertterit auroilla sijoitettuina ovat näyttäneet viiden vuoden käyttöiän jälkeen 40 %:n alentunutta vikaantumisastetta. Tuuliturbiinit, joissa on AlN-komponentteja, ylläpitävät parempaa kuin 99 %:n käytettävyyttä jopa rajoissa olevissa rannikko-olosuhteissa, mukaan lukien suolainen ilma, kosteus ja käynnistys lämpötiloissa, jotka voivat laskea miinus 40 celsiusasteeseen saakka. AlN:n erottuvuuden taustalla on sen kyky kestää sähkökaaria kosteissa tai likaisissa olosuhteissa, mikä tekee siitä niin tärkeää luotettavan ja kestävän infrastruktuurin rakentamisessa useissa uusiutuvan energian sovelluksissa.
Sähkötehon elektroniikan maailmassa tarvitaan substraatteja, jotka selviytyvät kolmesta suuresta haasteesta yhtä aikaa: tehokas lämmönhallinta, kestävyys vaikeissa olosuhteissa ja joustavat pakkausvaihtoehdot. Alumiininitridi täyttää kaikki nämä ehdot. Sen lämmönjohtavuus vaihtelee 170–200 W/mK välillä, mikä tarkoittaa, että se siirtää lämpöä tehokkaasti tiheistä tehopiireistä, kuten IGBT:istä ja tyristoreista. Lisäksi noin 4,5 ppm/K:n terminen laajenemiskerroin sopii erittäin hyvin piin ja uusien leveä-alkuperäisten puolijohdinte materiaalien kanssa, jolloin osien vääntymisen tai juotosten rikkoutumisen riski on pienempi lämpötilan vaihdellessa. ASME:n määrittämät teollisuusstandardit osoittavat, että mekaaninen jännitys kasvaa huomattavasti kerrostetuissa paketeissa – joskus yli 0,8 % jokaista sadan asteen lämpötilamuutosta kohti. Mutta AlN:n yhteensopivuus eri materiaalien kanssa vähentää merkittävästi tätä riskiä. Lujuuden osalta AlN kestää hyvin voimakkaita värähtelyjä, kuten niitä, joita esiintyy autoissa ja lentokoneissa, ja selviää jopa 50G:n voimista. Ja tässä toinen etu: AlN mahdollistaa eristekerrosten paksuuden vain 0,3 mm, mikä kutistaa paketin kokoa lähes puoleen ilman, että sähköeristysominaisuuksia heikennetään. Tämä tekee siitä ideaalin valinnan komponenttien miniatyrointiin sähköautojen vetovoimajärjestelmissä ja verkkoon kytketyissä uusiutuvan energian järjestelmissä.
EN
