Il substrato in AlN si distingue particolarmente nella gestione del calore, con valori di conducibilità termica compresi tra 170 e 200 W/mK. Questo risultato è piuttosto impressionante se confrontato con altri materiali come l'ossido di alluminio, che si attesta sui 20-30 W/mK, o il nitruro di silicio, con 15-35 W/mK in condizioni simili. Quello che rende l'AlN così efficace è la sua struttura cristallina wurtzite unica. Questa configurazione permette al calore di propagarsi attraverso il materiale in modo efficiente senza compromettere le proprietà elettriche, mantenendo un'elevata capacità di isolamento pari a circa 14 kV/mm. I moduli di potenza che utilizzano substrati in AlN mostrano tipicamente una riduzione della resistenza termica del 30-40% rispetto ai tradizionali substrati ossidici. Un minore accumulo di calore significa che i semiconduttori durano più a lungo prima di guastarsi. Per chi progetta sistemi ad alta frequenza, questo livello di efficienza riduce effettivamente la necessità di componenti aggiuntivi per il raffreddamento. Il risultato finale? Sistemi più compatti, più leggeri e in grado di offrire maggiore potenza in spazi ridotti, come mai possibile in precedenza.
L'AlN mantiene una conducibilità termica impressionante anche quando è molto sottile, rimanendo sopra il 90% di quella che avrebbe in forma massiccia poiché l'interferenza dovuta allo scattering fononico alle interfacce è limitata. Questo lo rende particolarmente adatto per applicazioni che coinvolgono film sottili o strati multipli, dove l'accumulo di calore è un problema comune. Il coefficiente di espansione termica del materiale è di circa 4,5 ppm per Kelvin, valore che si allinea piuttosto bene con quello dei dies in silicio e carburo di silicio. Questa corrispondenza riduce la resistenza termica tra i materiali di circa il 60% rispetto a materiali come l'allumina, che non si abbinano altrettanto bene. Combinando questa proprietà con buone tecniche di metallizzazione, in particolare il rame direttamente legato (DBC), si ottengono valori di conduttanza termica interfaciale superiori a 3.000 W per metro quadrato per Kelvin. Queste caratteristiche rendono l'AlN adatto ad ambienti termici gravosi, come i sistemi di potenza negli aeromobili o i diodi laser ad alta potenza soggetti a variazioni estreme di temperatura, con differenze che superano i 200 gradi Celsius durante il normale funzionamento.
I MOSFET al carburo di silicio (SiC) e gli HEMT al nitruro di gallio (GaN) funzionano al meglio quando le loro temperature di giunzione rimangono entro limiti stretti. Il nitruro di alluminio (AlN) si distingue perché conduce così bene il calore da ridurre quelle fastidiose zone calde all'interno dei moduli di potenza di circa 20-30 gradi Celsius. Questo fa una grande differenza nel prevenire problemi di runaway termico in applicazioni ad alta tensione superiori a 1,2 kV, come azionamenti per motori industriali o alimentatori per server. Secondo quanto indicato da studi sulla affidabilità simili al modello di Arrhenius, ridurre queste temperature aumenta effettivamente notevolmente la durata dei dispositivi. Si consideri ad esempio i MOSFET al SiC abbinati all'AlN: questi mantengono un'efficienza operativa del 98,5% anche quando commutano a frequenze di 50 kHz, senza necessità di aggiustamenti prestazionali. Un altro vantaggio importante deriva dal fatto che l'AlN presenta un coefficiente di espansione termica simile a quello dei materiali semiconduttori. Questa compatibilità evita lo stress meccanico causato dalle variazioni di temperatura, impedendo così la formazione di microfessurazioni o l'usura dei giunti saldati dopo tutti i cicli di riscaldamento e raffreddamento.
La gestione termica degli inverter di trazione per veicoli elettrici deve essere abbastanza robusta da resistere a vibrazioni, fluttuazioni di temperatura e al calore intenso generato da questi sistemi compatti. I substrati in nitruro di alluminio (AlN) permettono di ridurre le dimensioni dei sistemi di raffreddamento del 30% circa, pur gestendo flussi termici fino a 500 W per centimetro quadrato negli impianti con batterie da 800 volt. Questo materiale riduce le temperature di giunzione all'interno dei moduli ibridi IGBT/SiC di circa 15-25 gradi Celsius rispetto ai comuni materiali ceramici. Anche i test nel mondo reale hanno mostrato risultati impressionanti: microinverter solari installati in zone desertiche hanno visto il loro tasso di guasto diminuire del 40% dopo soli cinque anni di funzionamento. Le turbine eoliche dotate di componenti in AlN mantengono un tempo di attività superiore al 99%, anche in condizioni marine difficili come aria salmastra, umidità ed avviamento a temperature fino a -40 gradi Celsius. Quello che rende l'AlN particolarmente apprezzato è la sua capacità di resistere agli archi elettrici in ambienti umidi o sporchi, motivo per cui sta diventando così importante per costruire infrastrutture affidabili e durature in varie applicazioni di energia rinnovabile.
Il mondo dell'elettronica di potenza necessita di substrati in grado di gestire contemporaneamente tre aspetti fondamentali: un'efficiente gestione del calore, resistenza alle condizioni più difficili e flessibilità nelle opzioni di incapsulamento. L'ossinitruro di alluminio soddisfa tutti questi requisiti. La sua conducibilità termica varia tra 170 e 200 W/mK, il che significa che riesce a dissipare efficacemente il calore generato da componenti di potenza ad alta densità come IGBT e tiristori. Inoltre, il coefficiente di dilatazione termica di circa 4,5 ppm/K si adatta molto bene al silicio e ai nuovi semiconduttori a banda larga, riducendo notevolmente il rischio di deformazioni dei componenti o rotture dei giunti saldati durante le escursioni termiche. Gli standard industriali stabiliti dall'ASME indicano che nelle soluzioni stratificate si accumula una notevole sollecitazione meccanica – talvolta superiore allo 0,8% ogni 100 gradi di variazione di temperatura. Tuttavia, la compatibilità dell'AlN con diversi materiali contribuisce a ridurre significativamente questo rischio. Per quanto riguarda la resistenza meccanica, l'AlN resiste a vibrazioni piuttosto intense, come quelle presenti in automobili e aeromobili, sopportando forze fino a 50G. Un ulteriore vantaggio è rappresentato dal fatto che l'AlN consente strati isolanti spessi appena 0,3 mm, riducendo le dimensioni degli involucri quasi della metà senza compromettere le proprietà di isolamento elettrico. Ciò lo rende ideale per la miniaturizzazione dei componenti nei gruppi propulsori dei veicoli elettrici e nei sistemi di energia rinnovabile connessi alla rete.
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