ઉષ્મા પ્રબંધનની દૃષ્ટિએ AlN સબસ્ટ્રેટ ખરેખરું અલગ ઊભું રહે છે, જેની ઉષ્મા વાહકતા 170 થી 200 W/mKની આસપાસ હોય છે. આ અન્ય સામગ્રીઓની તુલનાએ ઘણું પ્રભાવશાળી છે, જેમ કે મેગ્નેશિયમ ઑક્સાઇડ (20 થી 30 W/mK) અથવા સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ (15 થી 35 W/mK) જેવી સમાન પરિસ્થિતિઓમાં. AlNને આટલું સારું બનાવતી વસ્તુ એ તેની અનન્ય વર્ટ્ઝાઇટ ક્રિસ્ટલ રચના છે. આ ગોઠવણી સામગ્રી મારફતે ઉષ્માને કાર્યક્ષમ રીતે ખસેડવાની મંજૂરી આપે છે, જેમાં વિદ્યુત ગુણધર્મોને નુકસાન પહોંચાડ્યા વિના, લગભગ 14 kV/mm પર મજબૂત ઇન્સ્યુલેશન જાળવી રાખે છે. AlNનો ઉપયોગ કરતા પાવર મોડ્યુલ સામાન્ય રીતે પરંપરાગત ઑક્સાઇડ સબસ્ટ્રેટની તુલનાએ 30 થી 40% ઉષ્મા પ્રતિકારમાં ઘટાડો દર્શાવે છે. ઓછી ઉષ્મા એકત્રિત થવાનો અર્થ એ છે કે સેમિકન્ડક્ટર નિષ્ફળ જવા પહેલાં લાંબો સમય ચાલે છે. જેમને ઉચ્ચ આવૃત્તિની ડિઝાઇન પર કામ કરવું હોય તેમના માટે, આ પ્રકારની કાર્યક્ષમતા વાસ્તવમાં વધારાના કૂલિંગ ભાગોની જરૂરિયાતને ઘટાડે છે. અંતિમ પરિણામ? સિસ્ટમો જે ઓછી જગ્યા લે, ઓછુ વજન ધરાવે અને અત્યાર સુધી શક્ય હતું તેના કરતાં નાના પેકેજમાં વધુ પાવર સમાવે છે.
ખૂબ જ પાતળું હોવા છતાં AlN માં ભીષણ ઉષ્ણતા વાહકતા જાળવી રાખે છે, તેના બલ્ક સ્વરૂપ કરતાં 90% થી વધુ રહે છે કારણ કે ઇન્ટરફેસ પર ફોનોન સ્કેટરિંગની અસર ઓછી હોય છે. આ ગુણધર્મને કારણે તે પાતળી ફિલ્મો અથવા બહુ-સ્તરીય સંરચનાઓમાં ઉષ્ણતાનો સંચય થવાની સમસ્યા ધરાવતી એપ્લિકેશન્સ માટે ખાસ ઉભું રહે છે. આ દ્રવ્યનો ઉષ્ણતા પ્રસરણ દર લગભગ 4.5 ppm પ્રતિ કેલ્વિન છે, જે સિલિકોન અને સિલિકોન કાર્બાઇડ ડાઇઝ બંને સાથે સારી રીતે મેળ ખાય છે. આ મેળ અલ્યુમિના જેવી સામગ્રી કરતાં લગભગ 60% ઓછી ઉષ્ણતા અવરોધ આપે છે જે આટલી સારી રીતે મેળ નથી ખાતી. આ ગુણધર્મને સારી મેટલાઇઝેશન ટેકનિક સાથે જોડો, ખાસ કરીને ડાયરેક્ટ બોન્ડેડ કોપર (DBC), અને આપણને ઇન્ટરફેસિયલ થર્મલ વાહકતાનો આંકડો 3,000 W પ્રતિ ચોરસ મીટર પ્રતિ કેલ્વિનથી પણ વધુ જોવા મળે છે. આ લાક્ષણિકતાઓ AlN ને ખાસ કરીને એવા કઠિન ઉષ્ણતા વાતાવરણ માટે યોગ્ય બનાવે છે, જેમ કે એરક્રાફ્ટમાં પાવર સિસ્ટમ્સ અથવા શક્તિશાળી લેસર ડાયોડ્સ જે સામાન્ય કાર્યકારી દરમિયાન 200 ડિગ્રી સેલ્સિયસથી વધુનો તાપમાન તફાવત અનુભવે છે.
સિલિકોન કાર્બાઇડ (SiC) MOSFETs અને ગેલિયમ નાઇટ્રાઇડ (GaN) HEMTs ત્યારે શ્રેષ્ઠ રીતે કાર્ય કરે છે જ્યારે તેમના જંકશન તાપમાન મર્યાદિત હોય છે. એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ (AlN) તેના ઉત્તમ ઉષ્ણતા વહનને કારણે ઊભી થતી ગરમ જગ્યાઓને લગભગ 20 થી 30 ડિગ્રી સેલ્સિયસ સુધી ઘટાડીને આગળ વધે છે. આના કારણે 1.2 kV કરતાં વધુની ઉચ્ચ વોલ્ટેજ એપ્લિકેશન્સ જેવી કે ઔદ્યોગિક મોટર ડ્રાઇવ્સ અથવા સર્વર પાવર સપ્લાયમાં થર્મલ રનઅવેની સમસ્યાઓ અટકાવવામાં મોટો ફરક પડે છે. એરિનિયસ મોડેલ જેવા વિશ્વસનીયતા અભ્યાસો મુજબ, આ તાપમાન ઘટાડવાથી ઉપકરણોની આયુષ્ય ખૂબ વધી જાય છે. ઉદાહરણ તરીકે SiC MOSFETs અને AlN નું મિશ્રણ 50 kHz ફ્રિક્વન્સી પર સ્વિચિંગ કરતી વખતે પણ કોઈ પ્રદર્શન સમાયોજન વિના 98.5% કાર્યક્ષમતા જાળવી રાખે છે. બીજો મહત્વપૂર્ણ લાભ AlN અર્ધવાહક સામગ્રી સાથે તાપમાન વિસ્તરણના દરમાં સુસંગતતાને કારણે મળે છે. આ સુસંગતતા તાપમાનમાં ફેરફારને કારણે થતા યાંત્રિક તણાવને અટકાવે છે, જેનાથી ગરમ-ઠંડુ કરવાના ચક્રો દરમિયાન સૂક્ષ્મ ફાટો અથવા સોલ્ડર જોડોનો ઘસારો થતો નથી.
વીજળીથી ચાલતી ગાડીના ટ્રેક્શન ઇન્વર્ટર માટે થર્મલ મેનેજમેન્ટ એટલું મજબૂત હોવું જોઈએ કે તે આ સંકુચિત પાવર સિસ્ટમ્સ દ્વારા ઉત્પન્ન થતા કંપન, તાપમાનમાં ફેરફાર અને તીવ્ર ગરમીને સહન કરી શકે. આલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ (AlN) સબસ્ટ્રેટ્સ 800 વોલ્ટની બેટરી સેટઅપમાં ચોરસ સેન્ટિમીટર દીઠ 500 W જેટલા ઊંચા હીટ ફ્લક્સને સંભાળી શકે છે અને તે છતાં કૂલિંગ સિસ્ટમને લગભગ 30% નાનું બનાવે છે. IGBT/SiC હાઇબ્રિડ મોડ્યુલ્સની અંદરના જંકશન તાપમાનમાં આ મટિરિયલ સામાન્ય સિરામિક મટિરિયલ્સની સરખામણીએ લગભગ 15 થી 25 ડિગ્રી સેલ્સિયસ ઘટાડો કરે છે. વાસ્તવિક દુનિયાની ટેસ્ટિંગમાં પણ કેટલાક અદ્ભુત પરિણામો જોવા મળ્યા છે. રણમાં સોલાર માઇક્રોઇન્વર્ટર મૂકવામાં આવ્યા હતા અને માત્ર પાંચ વર્ષના સંચાલન પછી તેમની નિષ્ફળતાનો દર 40% ઘટી ગયો હતો. AlN ઘટકોથી સજ્જ પવન ટર્બાઇન ખારા પવન, ભેજ અને માઇનસ 40 ડિગ્રી સેલ્સિયસ જેટલા ઓછા તાપમાનમાં પ્રારંભ કરતી વખતે પણ 99% થી વધુ અપટાઇમ જાળવી રાખે છે. AlN ને ખાસ બનાવતી વસ્તુ એ છે કે ભેજયુક્ત અથવા ગંદી પરિસ્થિતિમાં વિદ્યુત આર્કને પ્રતિકાર કરવાની તેની ક્ષમતા છે, જેથી તે વિવિધ નવીકરણીય ઊર્જા એપ્લિકેશન્સમાં વિશ્વસનીય, ટકાઉ ઇન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચર બનાવવા માટે ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ બની રહી છે.
પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સની દુનિયામાં એવા સબસ્ટ્રેટ્સની જરૂર હોય છે જે ત્રણ મોટી વસ્તુઓને એકસાથે સંભાળી શકે: ઉષ્ણતાનું સારી રીતે સંચાલન, કઠિન પરિસ્થિતિઓમાં ટકી રહેવું અને લચીલા પેકેજિંગ વિકલ્પો પૂરા પાડવા. એલ્યુમિનિયમ નાઇટ્રાઇડ (AlN) આ બધી જ શરતો પૂરી કરે છે. તેની ઉષ્ણતા વાહકતા 170 થી 200 W/mK ની વચ્ચે હોય છે, જેનો અર્થ એ થાય છે કે તે IGBTs અને થાયરિસ્ટર્સ જેવા ઘન પાવર ઘટકો પાસેથી ઉષ્ણતાને અસરકારક રીતે દૂર કરે છે. ઉપરાંત, લગભગ 4.5 ppm/K નો ઉષ્ણતા પ્રસરણ ગુણાંક સિલિકોન અને તાજેતરના વાઇડ બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર્સ સાથે ખૂબ સારી રીતે કામ કરે છે, જેથી તાપમાનમાં ફેરફાર થતાં ઘટકોના વિકૃત થવાની અથવા સોલ્ડર જોડો નિષ્ફળ જવાની શક્યતા ઓછી રહે. ASME દ્વારા નિર્ધારિત ઉદ્યોગ ધોરણો દર્શાવે છે કે સ્તરીકૃત પેકેજોમાં યાંત્રિક તણાવ ખૂબ ઊંચો હોય છે - દર 100 ડિગ્રી તાપમાન ફેરફારે ક્યારેક 0.8% થી વધુ. પરંતુ AlN વિવિધ સામગ્રી સાથેની સુસંગતતાને કારણે આ જોખમને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડે છે. મજબૂતીની દૃષ્ટિએ, AlN કાર અને વિમાનોમાં મળતા ખૂબ જ તીવ્ર કંપનો સામે ટકી રહે છે અને 50G સુધીના બળોને સહન કરી શકે છે. અને અહીં બીજો ફાયદો: AlN 0.3mm જેટલી પાતળી ઇન્સ્યુલેશન સ્તરોની મંજૂરી આપે છે, જેથી વિદ્યુત ઇન્સ્યુલેશન ગુણધર્મોને બલિદાન આપ્યા વિના પેકેજના કદમાં લગભગ અડધો ઘટાડો થાય છે. આના કારણે ગ્રિડ સાથે જોડાયેલી ઇલેક્ટ્રિક વાહન ડ્રાઇવટ્રેન અને નવીકરણીય ઊર્જા પ્રણાલીઓમાં ઘટકોને નાના કદમાં લાવવા માટે તે આદર્શ બની રહે છે.
EN
