Az AlN alapanyag különösen jól teljesít a hő kezelése terén, 170 és 200 W/mK közötti hővezetési értékekkel. Ez tekintélyes teljesítmény más anyagokhoz képest, például az alumínium-oxidé 20 és 30 W/mK, vagy a szilícium-nitridé 15 és 35 W/mK hasonló körülmények között. Az AlN kitűnős tulajdonságát egyedi wurtzit kristályszerkezete adja. Ez a szerkezet lehetővé teszi a hő hatékony átvezetését az anyagon keresztül anélkül, hogy kompromittálná az elektromos tulajdonságokat, és körülbelül 14 kV/mm-es erős szúlásgátlást tart fenn. Az AlN-t használó teljesítménymodulok tipikusan 30-40%-kal csökkentett hőállást mutatnak a hagyományos oxid alapanyagokhoz képest. A kevesebb hőfelhalmozódás hosszabb élettartamot jelent a félvezetők számára, mielőtt meghibásodnának. Azok számára, akik nagyfrekvenciás terveken dolgoznak, ilyenfajta hatékonyság valójában csökkenti a plusz hűtőelemek szükségességét. A végeredmény? Olyan rendszerek, amelyek kevesebb helyet foglalnak el, könnyebbek, és nagyobb teljesítményt csomagolnak kisebb méretbe, mint korábban lehetséges volt.
Az AlN kiváló hővezető-képességet mutat akkor is, ha nagyon vékony rétegben alkalmazzák, mivel több mint 90%-át megtartja a tömbállapotban mért értéknek, hiszen a határfelületeken fellépő fononszóródás alig befolyásolja. Ez különösen előnyös olyan alkalmazásoknál, ahol vékony filmek vagy többrétegű szerkezetek között gyakori a hőfelhalmozódás. A hőtágulási együttható értéke körülbelül 4,5 ppm/K, ami jól illeszkedik mind a szilíciumhoz, mind a szilíciumkarbidhoz. Ez az illeszkedés körülbelül 60%-kal csökkenti a hőmérsékleti ellenállást az alumínium-oxidhoz hasonló, kevésbé kompatibilis anyagokkal szemben. Ezt a tulajdonságot megfelelő metalizálási technikákkal, különösen a közvetlenül kötött rézzel (DBC) kombinálva, a határfelületi hővezetési érték elérheti az 3000 W/m²K feletti értéket. Ezek a jellemzők ideálissá teszik az AlN-t olyan igénybevett hőterhelésű környezetekhez, mint például a repülőgépek teljesítményelektronikai rendszerei vagy erős lézerdiódák, amelyek normál üzem közben több mint 200 °C-os hőmérsékletingadozáson mennek keresztül.
Szilícium-karbid (SiC) MOSFET-ek és gallium-nitrid (GaN) HEMT-ek akkor működnek a legjobban, ha átmeneti hőmérsékletük szűk határokon belül marad. Az aluminium-nitrid (AlN) kiemelkedik, mivel hővezetése olyan jó, hogy körülbelül 20–30 °C-kal csökkenti az erőművek belső, kellemetlen meleg pontjait. Ez jelentős különbséget jelent a túlmelegedési problémák megelőzésében olyan 1,2 kV feletti magas feszültségű alkalmazásoknál, mint ipari motorhajtások vagy szerver tápegységek. A megbízhatósági tanulmányokból, például az Arrhenius-modell szerint, ismert, hogy az alacsonyabb hőmérséklet ténylegesen jelentősen meghosszabbítja az eszközök élettartamát. Vegyük például a SiC MOSFET-eket AlN-nel kombinálva: 50 kHz-es kapcsolási frekvenciánál is körülbelül 98,5%-os hatásfokon maradnak működőképesek anélkül, hogy teljesítménykorrekcióra lenne szükség. Egy másik fontos előny az AlN és a félvezető anyagok hőtágulási együtthatójának összehangoltságából származik. Ez az összeférhetőség megakadályozza a hőmérsékletváltozásból eredő mechanikai feszültséget, így nincs több mikrotörés vagy forrasztott kapcsolatok kifáradása a sok ismétlődő hőmérsékleti ciklus során.
Az elektromos járművek hajtásinvertereinek hőkezelésének ellenállónak kell lennie a rezgésekkel, hőmérsékletingadozásokkal és az ilyen kompakt teljesítményrendszerek által termelt intenzív hővel szemben. Az aluminium-nitrid (AlN) hordozók lehetővé teszik, hogy a hűtőrendszerek körülbelül 30%-kal kisebbek legyenek, miközben továbbra is kezelik az akár 500 W négyzetcentimétenkénti hőfluxust az ilyen 800 V-os akkukonfigurációkban. Ez az anyag körülbelül 15–25 °C-kal csökkenti az IGBT/SiC hibrid modulok belső csomóponti hőmérsékletét a hagyományos kerámia anyagokhoz képest. A gyakorlati tesztelés is lenyűgöző eredményeket hozott. Naperőművekben használt mikroinverterek sivatagi környezetben az üzemeltetés első öt évében 40%-kal csökkentették meghibásodási arányukat. A szélkerékkel felszerelt AlN-alkatrészek jobb, mint 99%-os üzemidőt tartanak fenn akár kemény tengerparti körülmények között is, beleértve a sós levegőt, nedvességet, valamint akár mínusz 40 °C-os indítási hőmérsékletet is. Az AlN kiemelkedő tulajdonsága az elektromos ívek ellenállása nedves vagy szállalos környezetben, ami fontos tényezővé teszi a megbízható és tartós infrastruktúra építésében különböző megújuló energia-alkalmazások során.
A teljesítményelektronika világának olyan hordozókra van szüksége, amelyek egyszerre képesek három fontos dologra: hatékony hőkezelésre, ellenállni a nehéz körülményeknek, valamint rugalmas csomagolási lehetőségeket kínálni. Az aluminium-nitrid mindezt biztosítja. Hővezető-képessége 170 és 200 W/mK között van, ami azt jelenti, hogy hatékonyan elvezeti a hőt az IGBT-k és tirisztorokhoz hasonló sűrűn elhelyezett teljesítménykomponensektől. Ezen felül a hőtágulási együttható körülbelül 4,5 ppm/K, ami kiválóan illeszkedik a szilíciumhoz és az újabb széles sávú félvezetőkhöz, így lényegesen csökkenti az alkatrészek deformálódásának vagy a forrasztott kapcsolatok meghibásodásának veszélyét hőmérséklet-ingadozás esetén. Az ASME iparági szabványai szerint mechanikai feszültség jelentősen felhalmozódik a réteges csomagolásokban – akár több mint 0,8% minden 100 fokos hőmérsékletváltozásnál. Az AlN azonban különböző anyagokkal való kompatibilitása miatt jelentősen csökkenti ezt a kockázatot. Szilárdságát tekintve az AlN ellenáll a járművekben és repülőgépeken előforduló durva rezgéseknek is, akár 50G erőhatásoknak is képes ellenállni. És itt jön egy további előny: az AlN akár 0,3 mm-es szigetelőrétegek kialakítását is lehetővé teszi, majd közel felére csökkenthető a csomagolás mérete anélkül, hogy elektromos szigetelőképessége romlana. Ez ideálissá teszi az elektromos járművek meghajtórendszereiben és a hálózatra kapcsolódó megújuló energiaforrásokban használt alkatrészek miniaturizálásához.
EN
