Le substrat en nitrure d'aluminium (AlN) se distingue particulièrement par sa gestion de la chaleur, avec une conductivité thermique comprise entre environ 170 et 200 W/mK. C'est un résultat très impressionnant comparé à d'autres matériaux comme l'oxyde d'aluminium, qui affiche seulement 20 à 30 W/mK, ou le nitrure de silicium, avec 15 à 35 W/mK dans des conditions similaires. Ce qui rend l'AlN si performant, c'est sa structure cristalline wurtzite unique. Cette organisation permet au flux de chaleur de circuler efficacement à travers le matériau sans compromettre les propriétés électriques, tout en conservant une excellente isolation, d'environ 14 kV/mm. Les modules de puissance utilisant l'AlN présentent généralement une réduction de la résistance thermique de 30 à 40 % par rapport aux substrats oxydes traditionnels. Moins d'accumulation de chaleur signifie que les semi-conducteurs ont une durée de vie plus longue avant de tomber en panne. Pour ceux qui conçoivent des circuits haute fréquence, cette efficacité réduit effectivement le besoin de composants de refroidissement supplémentaires. Le résultat final ? Des systèmes qui occupent moins d'espace, sont plus légers, et intègrent davantage de puissance dans des boîtiers plus compacts que jamais auparavant.
AlN conserve une conductivité thermique impressionnante même lorsqu'il est très mince, restant au-dessus de 90 % de sa valeur en forme massive, car il y a peu d'interférences dues à la diffusion des phonons aux interfaces. Cela le distingue dans les applications impliquant des films minces ou des structures multicouches, où l'accumulation de chaleur constitue un problème courant. La dilatation thermique du matériau est d'environ 4,5 ppm par Kelvin, ce qui correspond assez bien à celle des puces en silicium et en carbure de silicium. Cette correspondance réduit d'environ 60 % la résistance thermique entre les matériaux, comparée à des matériaux comme l'alumine, dont les propriétés sont moins bien adaptées. En associant cette caractéristique à de bonnes techniques de métallisation, en particulier le cuivre directement brasé (DBC), on observe des valeurs de conductance thermique interfaciale dépassant 3 000 W par mètre carré et par Kelvin. Ces propriétés rendent l'AlN adapté aux environnements thermiques exigeants, tels que les systèmes de puissance dans les aéronefs ou les diodes laser puissantes soumises à des variations extrêmes de température dépassant 200 degrés Celsius lors d'un fonctionnement normal.
Les MOSFET en carbure de silicium (SiC), tout comme les HEMT en nitrure de gallium (GaN), fonctionnent idéalement lorsque leurs températures de jonction restent strictement limitées. Le nitrure d'aluminium (AlN) se distingue par sa très bonne conductivité thermique, qui réduit les points chauds gênants à l'intérieur des modules de puissance d'environ 20 à 30 degrés Celsius. Cela fait une grande différence pour éviter les problèmes de ruissellement thermique dans les applications haute tension dépassant 1,2 kV, comme les variateurs de moteurs industriels ou les alimentations de serveurs. Selon ce que nous indiquent les études sur la fiabilité, similaires au modèle d'Arrhenius, la réduction de ces températures augmente considérablement la durée de vie des dispositifs. Prenons l'exemple des MOSFET en SiC combinés à l'AlN : ils conservent un rendement de fonctionnement d'environ 98,5 % même lorsqu'ils commutent à des fréquences de 50 kHz, sans nécessiter d'ajustements de performance. Un autre avantage important provient de la compatibilité entre l'AlN et les matériaux semi-conducteurs en termes de coefficients de dilatation thermique. Cette compatibilité empêche les contraintes mécaniques dues aux variations de température, évitant ainsi la formation de microfissures ou la détérioration des soudures après de nombreux cycles de chauffage et de refroidissement.
La gestion thermique des onduleurs de traction pour véhicules électriques doit être suffisamment robuste pour supporter les vibrations, les fluctuations de température et la chaleur intense générée par ces systèmes compacts. Les substrats en nitrure d'aluminium (AlN) permettent de réduire la taille des systèmes de refroidissement d'environ 30 % tout en continuant à gérer des flux thermiques allant jusqu'à 500 W par centimètre carré dans les configurations de batteries de 800 volts. Ce matériau réduit les températures de jonction à l'intérieur des modules hybrides IGBT/SiC de 15 à 25 degrés Celsius environ par rapport aux matériaux céramiques classiques. Des tests en conditions réelles ont également donné des résultats impressionnants : les micro-onduleurs solaires installés dans des zones désertiques ont vu leur taux de défaillance diminuer de 40 % après seulement cinq ans de fonctionnement. Les éoliennes équipées de composants en AlN maintiennent un temps de fonctionnement supérieur à 99 % même dans des conditions côtières difficiles, incluant l'air salin, l'humidité et des démarrages à des températures aussi basses que moins 40 degrés Celsius. Ce qui distingue particulièrement l'AlN, c'est sa capacité à résister aux arcs électriques dans des environnements humides ou sales, ce qui explique son importance croissante dans la construction d'infrastructures fiables et durables pour diverses applications d'énergie renouvelable.
Le monde de l'électronique de puissance a besoin de substrats capables de gérer simultanément trois aspects essentiels : une bonne gestion thermique, une résistance aux conditions difficiles et des options d'emballage flexibles. Le nitrure d'aluminium répond à tous ces critères. Sa conductivité thermique se situe entre 170 et 200 W/mK, ce qui signifie qu'il évacue efficacement la chaleur provenant de composants de puissance denses comme les IGBT et les thyristors. De plus, le coefficient de dilatation thermique d'environ 4,5 ppm/K s'adapte très bien au silicium et aux nouveaux semi-conducteurs à large bande interdite, réduisant ainsi fortement le risque de déformation des composants ou de rupture des soudures lors des variations de température. Selon les normes industrielles établies par l'ASME, la contrainte mécanique s'accumule considérablement dans les emballages multicouches — parfois plus de 0,8 % pour chaque variation de température de 100 degrés. Cependant, la compatibilité de l'AlN avec divers matériaux permet de réduire significativement ce risque. En termes de résistance, l'AlN supporte des vibrations assez sévères présentes dans les véhicules automobiles et les avions, en résistant à des forces allant jusqu'à 50G. Et voici un autre avantage : l'AlN permet des couches d'isolation aussi fines que 0,3 mm, réduisant la taille des boîtiers d'environ moitié sans nuire aux propriétés d'isolation électrique. Cela en fait un matériau idéal pour la miniaturisation des composants dans les groupes motopropulseurs des véhicules électriques et les systèmes d'énergie renouvelable connectés au réseau.
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