O substrato de AlN destaca especialmente na xestión do calor, con valores de condutividade térmica ao rededor de 170 a 200 W/mK. Isto é bastante impresionante en comparación con outros materiais como o óxido de aluminio, con apenas 20 a 30 W/mK, ou o nitruro de silicio, con 15 a 35 W/mK en condicións semellantes. O que fai que o AlN sexa tan bo é a súa estrutura cristalina wurtzita única. Esta disposición permite que o calor se mova eficientemente a través do material sen comprometer as súas propiedades eléctricas, mantendo un forte aillamento de aproximadamente 14 kV/mm. Os módulos de potencia que usan AlN adoitan presentar reducións na resistencia térmica do 30 ao 40 % fronte aos substratos de óxido tradicionais. Menos acumulación de calor significa que os semicondutores duran máis antes de fallar. Para quen traballa en deseños de alta frecuencia, este tipo de eficiencia reduce a necesidade de partes adicionais de refrigeración. O resultado final? Sistemas que ocupan menos espazo, pesan menos e concentran máis potencia en paquetes máis pequenos do que antes era posible.
O AlN mantén unha condutividade térmica impresionante incluso cando é moi fino, permanecendo por riba do 90% da que tería en forma masiva porque hai pouca interferencia do espallamento de fonóns nas interfaces. Isto faino destacar en aplicacións que involucran películas finas ou múltiples capas onde a acumulación de calor é un problema común. A taxa de expansión térmica do material está arredor de 4,5 ppm por Kelvin, o que coincide bastante ben con diodos de silicio e carburo de silicio. Esa coincidencia reduce a resistencia térmica entre materiais nun 60% aproximadamente en comparación con materiais como a alúmina que non encaixan tan ben. Combinando esta propiedade con boas técnicas de metalización, especialmente cobre directamente enlazado (DBC), observamos valores de condutancia térmica interfacial que superan os 3.000 W por metro cadrado por Kelvin. Estas características fan que o AlN sexa axeitado para entornos térmicos exigentes, como sistemas de potencia en aeronaves ou díodos láser potentes que experimentan cambios extremos de temperatura que superan diferenzas de 200 graos Celsius durante o funcionamento normal.
Os MOSFET de carburo de silicio (SiC) xunto cos HEMT de nitruro de galio (GaN) funcionan mellor cando as súas temperaturas de unión se manteñen dentro de límites estreitos. O nitruro de aluminio (AlN) destaca porque condúce o calor tan ben que reduce eses molestos puntos quentes no interior dos módulos de potencia en torno a 20 ou 30 graos Celsius. Isto supón unha gran diferenza na prevención de problemas de fuga térmica en aplicacións de alta tensión por riba de 1,2 kV, como accionamentos de motores industriais ou fontes de alimentación para servidores. Segundo sabemos por estudos de fiabilidade semellantes ao modelo de Arrhenius, reducir estas temperaturas fai que os dispositivos duren moito máis. Por exemplo, os MOSFET de SiC combinados con AlN manteñen un funcionamento dun 98,5 % de eficiencia incluso ao conmutar frecuencias de 50 kHz sen necesidade de axustes de rendemento. Outra vantaxe importante vén do feito de que o AlN coincide coa taxa de expansión dos materiais semicondutores. Esta compatibilidade evita as tensións mecánicas causadas polos cambios de temperatura, o que significa que xa non se forman microfendas nin se desgastan as soldaduras tras todos os ciclos de quentamento e arrefriamento.
A xestión térmica para inversores de tracción de vehículos eléctricos debe ser resistente o suficiente para soportar vibracións, fluctuacións de temperatura e o calor intenso xerado por estes sistemas compactos de potencia. Os sustratos de nitruro de aluminio (AlN) fan que os sistemas de refrigeración sexan un 30 % máis pequenos e aínda así poidan xestionar fluxos térmicos tan altos como 500 W por centímetro cadrado nas configuracións de batería de 800 voltios. Este material reduce as temperaturas de unión no interior dos módulos híbridos IGBT/SiC entre 15 e 25 graos Celsius en comparación cos materiais cerámicos habituais. As probas en condicións reais tamén mostraron resultados impresionantes: os microinversores solares instalados en zonas desérticas viron reducida a súa taxa de fallo nun 40 % tras só cinco anos de funcionamento. As turbinas eólicas equipadas con compoñentes de AlN mantén unha dispoñibilidade superior ao 99 % incluso en condicións mariñas adversas, incluíndo aire salgado, humidade e arranques a temperaturas tan baixas como -40 graos Celsius. O que fai destacar ao AlN é a súa capacidade de resistir arcos eléctricos en ambientes húmidos ou suxios, razón pola cal se está a converter nun material tan importante para construír infraestruturas fiábeis e duradeiras en varias aplicacións de enerxía renovable.
O mundo da electrónica de potencia necesita sustratos que xestionen tres aspectos importantes á vez: un bo control do calor, durabilidade en condicións difíciles e opcións de empaquetado flexibles. O nitruro de aluminio cumpre todos estes requisitos. A súa condutividade térmica oscila entre 170 e 200 W/mK, o que significa que extrae eficazmente o calor dos compoñentes de alta densidade como os IGBTs e os tiristores. Ademais, o coeficiente de expansión térmica de aproximadamente 4,5 ppm/K funciona moi ben co silicio e os novos semicondutores de banda ancha, polo que é menos probable que as pezas se deformen ou que as soldaduras fallan cando cambian as temperaturas. As normas industriais establecidas pola ASME amosan que a tensión mecánica aumenta considerablemente nos paquetes estratificados —ás veces máis do 0,8 % por cada cambio de 100 graos na temperatura—. Pero a compatibilidade do AlN con diferentes materiais axuda a reducir significativamente ese risco. En canto á resistencia, o AlN soporta vibracións bastante intensas presentes en coches e avións, sobrevivindo a forzas de ata 50G. E aquí vai outra vantaxe: o AlN permite capas illantes tan finas como 0,3 mm, reducindo o tamaño dos paquetes case á metade sen comprometer as propiedades de illamento eléctrico. Isto faino ideal para miniaturizar compoñentes nas transmisións de vehículos eléctricos e nos sistemas de enerxía renovable conectados á rede.
EN
