Substrat AlN benar-benar unggul dalam hal manajemen panas, dengan angka konduktivitas termal sekitar 170 hingga 200 W/mK. Angka ini cukup mengesankan dibandingkan bahan lain seperti aluminium oksida yang hanya 20 hingga 30 W/mK atau silikon nitrida dengan 15 hingga 35 W/mK dalam kondisi serupa. Yang membuat AlN begitu baik adalah struktur kristal wurtzite yang unik. Susunan ini memungkinkan perpindahan panas melalui material secara efisien tanpa mengorbankan sifat listriknya, serta mempertahankan isolasi yang kuat sekitar 14 kV/mm. Modul daya yang menggunakan AlN biasanya menunjukkan pengurangan resistansi termal sebesar 30 hingga 40% dibanding substrat oksida konvensional. Lebih sedikit akumulasi panas berarti semikonduktor bertahan lebih lama sebelum mengalami kegagalan. Bagi mereka yang mengerjakan desain frekuensi tinggi, efisiensi seperti ini justru mengurangi kebutuhan akan komponen pendingin tambahan. Hasil akhirnya? Sistem yang membutuhkan ruang lebih kecil, lebih ringan, dan mampu mengemas daya lebih besar ke dalam paket yang lebih kecil daripada yang pernah dimungkinkan sebelumnya.
AlN mempertahankan konduktivitas termal yang mengesankan bahkan dalam bentuk sangat tipis, tetap di atas 90% dari nilai dalam bentuk pejal karena gangguan dari hamburan fonon pada antarmuka relatif kecil. Hal ini membuatnya menonjol untuk aplikasi yang melibatkan lapisan tipis atau struktur berlapis ganda di mana penumpukan panas merupakan masalah umum. Laju ekspansi termal material ini berada di sekitar 4,5 ppm per Kelvin, yang cukup sesuai dengan die silikon maupun silikon karbida. Kesesuaian ini mengurangi resistansi termal antarmaterial sekitar 60% dibandingkan bahan seperti alumina yang tidak cocok secara termal. Ketika dikombinasikan dengan teknik metalisasi yang baik, khususnya tembaga terikat langsung (direct bonded copper/DBC), angka konduktansi termal antarmuka dapat melampaui 3.000 W per meter persegi per Kelvin. Karakteristik-karakteristik ini menjadikan AlN cocok untuk lingkungan termal yang keras, seperti sistem tenaga pada pesawat terbang atau dioda laser berdaya tinggi yang mengalami perubahan suhu ekstrem melebihi selisih 200 derajat Celsius selama operasi normal.
Silicon Carbide (SiC) MOSFET bersama dengan Gallium Nitride (GaN) HEMT bekerja paling optimal ketika suhu sambungan mereka tetap berada dalam batas yang ketat. Aluminum Nitride (AlN) menonjol karena kemampuannya menghantarkan panas sangat baik, sehingga mengurangi titik-titik panas yang mengganggu di dalam modul daya sekitar 20 hingga 30 derajat Celsius. Hal ini memberikan dampak besar dalam mencegah masalah thermal runaway pada aplikasi tegangan tinggi di atas 1,2 kV seperti penggerak motor industri atau catu daya server. Berdasarkan studi keandalan yang mirip dengan model Arrhenius, penurunan suhu tersebut benar-benar membuat perangkat menjadi jauh lebih tahan lama. Ambil contoh SiC MOSFET yang dipadukan dengan AlN, perangkat ini tetap beroperasi pada efisiensi sekitar 98,5% bahkan saat beralih pada frekuensi 50 kHz tanpa perlu penyesuaian kinerja. Manfaat penting lainnya berasal dari kesesuaian laju ekspansi AlN dengan bahan semikonduktor. Kompatibilitas ini mencegah terjadinya tegangan mekanis akibat perubahan suhu, yang berarti tidak ada lagi pembentukan retakan mikro atau sambungan solder yang aus setelah melalui banyak siklus pemanasan dan pendinginan.
Manajemen termal untuk inverter traksi kendaraan listrik harus cukup kuat untuk menangani getaran, fluktuasi suhu, dan panas intens yang dihasilkan oleh sistem daya kompak ini. Substrat aluminium nitrida (AlN) membuat sistem pendingin sekitar 30% lebih kecil sambil tetap mampu menangani fluks panas hingga 500 W per sentimeter persegi pada sistem baterai 800 volt tersebut. Material ini mengurangi suhu junction di dalam modul hibrida IGBT/SiC sekitar 15 hingga 25 derajat Celsius dibandingkan dengan material keramik biasa. Pengujian di dunia nyata juga menunjukkan hasil yang mengesankan. Inverter mikro surya yang dipasang di lokasi gurun telah mengalami penurunan tingkat kegagalan sebesar 40% setelah hanya lima tahun operasi. Turbin angin yang dilengkapi komponen AlN mempertahankan waktu operasi lebih dari 99% meskipun beroperasi dalam kondisi pesisir yang keras, termasuk udara asin, kelembapan, dan proses start-up pada suhu serendah minus 40 derajat Celsius. Yang membuat AlN unggul adalah kemampuannya untuk menahan busur listrik di lingkungan lembap atau kotor, sehingga menjadikannya sangat penting dalam membangun infrastruktur yang andal dan tahan lama di berbagai aplikasi energi terbarukan.
Dunia elektronika daya membutuhkan substrat yang mampu menangani tiga hal besar secara bersamaan: mengelola panas dengan baik, tahan terhadap kondisi keras, dan menawarkan opsi pengemasan yang fleksibel. Aluminium nitrida (AlN) memenuhi semua kriteria tersebut. Konduktivitas termalnya berkisar antara 170 hingga 200 W/mK, yang berarti mampu menyalurkan panas secara efektif dari komponen daya padat seperti IGBT dan thyristor. Selain itu, koefisien ekspansi termal sekitar 4,5 ppm/K sangat kompatibel dengan silikon dan semikonduktor pita lebar baru lainnya, sehingga mengurangi risiko pelengkungan komponen atau kegagalan sambungan solder saat suhu berubah-ubah. Standar industri yang ditetapkan oleh ASME menunjukkan bahwa tegangan mekanis meningkat cukup signifikan dalam paket berlapis—terkadang lebih dari 0,8% untuk setiap perubahan suhu 100 derajat. Namun, kompatibilitas AlN dengan berbagai material membantu menekan risiko tersebut secara signifikan. Dalam hal kekuatan, AlN tahan terhadap getaran keras yang ditemukan di kendaraan bermotor dan pesawat terbang, mampu bertahan terhadap gaya hingga 50G. Dan satu lagi keunggulan: AlN memungkinkan lapisan isolasi setipis 0,3 mm, mengurangi ukuran paket hingga hampir separuhnya tanpa mengorbankan sifat isolasi listriknya. Hal ini menjadikannya ideal untuk memperkecil komponen pada sistem powertrain kendaraan listrik dan sistem energi terbarukan yang terhubung ke jaringan listrik.
EN
