הסובסטרט של AlN בולט במיוחד בניהול חום, עם ערכים של מוליכות תרמית של כ-170 עד 200 וואט/מטר-קלווין. זה תוצאה מרשימה בהשוואה לחומרים אחרים כמו חומרת האלומיניום, שמהימנה ב-20 עד 30 וואט/מטר-קלווין, או ניטריד הסיליקון, שמהימנה ב-15 עד 35 וואט/מטר-קלווין בתנאים דומים. מה שמייחד את AlN הוא המבנה הגבישי הייחודי שלו, מסוג וורצ'ייט. המבנה הזה מאפשר להעברת חום בצורה יעילה דרך החומר, מבלי לפגוע בתכונות החשמליות, תוך שמירה על בידוד חזק של כ-14 קילו-וולט/מ"מ. מודולי כוח המשתמשים ב-AlN מפגינים בדרך כלל ירידה של 30 עד 40% בהתנגדות תרמית בהשוואה לסובסטרטים אוקסידי מסורתיים. פחות הצטברות של חום משמעותה שצמתי חצי מוליכים עמידים יותר ופוגרים פחות. לאלה שמתכננים מערכות בתדר גבוה, יעילות זו ממש מקטינה את הצורך ברכיבי קירור נוספים. התוצאה הסופית? מערכות שדורשות פחות מקום, שוקלות פחות, ומספקות יותר כוח בחבילות קטנות יותר מעולם קודם.
AlN שומר על מוליכות תרמית מרשים גם כאשר הוא דק מאוד, ונותר מעל 90% ממה שהוא היה בצורה עבה, מכיוון שאין הרבה הפרעה מהפיזור של פונונים בinterfaces. זה מבדיל אותו לשימושים הכוללים סרטים דקים או שכבות מרובות שבהן הצטברות חום היא בעיה נפוצה. מקדם ההתפשטות התרמית של החומר עומד על כ-4.5 ppm לקלווין, התאמה די טובה לדיאלי סיליקון וסיליקון קרביד. התאמה זו מצמצמת את ההתנגדות התרמית בין החומרים בכ-60% בהשוואה לחומרים כמו אלומינה שלא מתאימים כל כך טוב. צירוף תכונה זו עם טכניקות מטליזציה טובות, במיוחד נחושת מחוברת ישירות (DBC), גורם לערכים של מוליכות תרמית בממשק לעלות על 3,000 וואט למטר רבוע לקלווין. מאפיינים אלו הופכים את AlN למתאים לסביבות תרמיות קשות, כגון מערכות כוח במטוסים או דיודות לייזר עוצמתיות שעוברות שינויי טמפרטורה קיצוניים שמעל 200 מעלות צלזיוס במהלך פעילות רגילה.
טרנזיסטורי שער מבודד מקרביד סיליקון (SiC) יחד עם טרנזיסטורי שער מגלימום ניטריד (GaN) פועלים בצורה הטובה ביותר כאשר טמפרטורות המגע שלהן נשארות בתוך גבולות צרים. ניטריד אלומיניום (AlN) בולט בכך שהוא מעביר חום כל כך טוב, עד שמקטין את נקודות החום המolestות בתוך מודולי הספק בכ-20 עד 30 מעלות צלזיוס. זה מהפך משמעותי במניעת בעיות של התחממות לא מבוקרת ביישומים של מתח גבוה מעל 1.2 קילו וולט, כמו נהלי מנועים תעשייתיים או אספקות כוח לשרתים. לפי מה שידוע מחקרי אמינות דומים למודל ארניוס, הורדת הטמפרטורות הללו מאריכה משמעותית את חיי המכשירים. לדוגמה, טרנזיסטורי SiC בשילוב עם AlN ממשיכים לפעול ביעילות של כ-98.5%, גם כשעובדים בתדרי מתיחה של 50 קילוהרץ, מבלי צורך בהתאמות ביצועים. יתרון חשוב נוסף נובע מההתאמה של AlN לחומרי מוליכי הפס ביחס מקדמי ההתפשטות שלהם. התאמה זו מונעת מתח מכני הנגרם всידורי טמפרטורה, מה שאומר שאין יותר נקעים מיקרוסקופיים נוצרים או חיבורי להטיה נשחקים לאחר כל אותם מחזורי חימום וקירור.
ניהול החום של ממירי הכוח ברכבי שטח חשמליים חייב להיות עמיד מספיק כדי להתמודד עם רעידות, תנודות טמפרטורה והחום הרב שנוצר על ידי מערכות כוח קומפקטיות אלו. תחליבי ניטריד האלומיניום (AlN) מקטינים את מערכות הקירור בכ-30% תוך שמירה על יכולת טיפול בצפיפות חום של עד 500 וואט לסמ"ר במערכות סוללות של 800 וולט. חומר זה מפחית את טמפרטורת המגע הפנימית בתוך מודולי ההיבריד IGBT/SiC ב-15 עד 25 מעלות צלזיוס יחסית לחומרים keramיים רגילים. גם מבחני שדה מציגים תוצאות מרשים: מיקרו ממירי שמש הנמצאים באזורי מדבר מציגים ירידה של 40% בשיעור הכשלים לאחר חמש שנים בלבד של פעילות. טורבינות רוח עם רכיבי AlN שומרים על זמינות של יותר מ-99% גם בתנאים קיצוניים כמו אוויר מלח, רטיבות והפעלה בטמפרטורות של מינוס 40 מעלות צלזיוס. מה שמייחד את AlN הוא היכולת שלו לעמוד בפני קשתות חשמליות בסביבות לחות או מלוכלכות, ולכן הוא חשוב כל כך לבניית תשתיות אמינות ועמידות ביישומים שונים של אנרגיה מתחדשת.
עולמו של האלקטרון העוצמתי זקוק לתשתיות שמסוגלות להתמודד עם שלושה יסודות מרכזיים בו-זמנית: ניהול חום בצורה טובה, עמידות בתנאים קיצוניים והצעת אפשרויות אריזה גמישות. ניטריד האלומיניום עומד בכל הדרישות הללו. מוליכות החום שלו נע בין 170 ל-200 וואט למטר לקלווין, מה שאומר שהוא מצליח להוריד חום בצורה יעילה מרכיבי כוח צפופים כמו IGBTs ו-Thyristors. בנוסף, מקדם ההתפשטות תחת חום של כ-4.5 ppm/°K מתאים היטב לסיליקון ולמוליכים למחצה החדשים מסוג wide bandgap, ולכן יש פחות סיכוי לעיוות של רכיבים או לכשל בלחמי אינספור עקב תנודות טמפרטורה. תקנים תעשייתיים של ASME מראים שלחץ מכני מצטבר בצורה משמעותית בחבילות שכבות - לפעמים יותר מ-0.8% עבור כל שינוי של 100 מעלות בטמפרטורה. אך התאימות של AlN לחומרים שונים עוזרת לצמצם את הסיכון הזה בצורה משמעותית. מבחינת חוזק, AlN עמיד בפני רעידות קשות למדי הנפוצות ברכב ובמטוסים, ומסוגל לעמוד בכוחות עד 50G. ונקודה נוספת: AlN מאפשר שכבות בידוד דקות בגובה 0.3 מ"מ, מקטין את גודל החבילה כמעט לחצי מבלי להקריב את תכונות הבידוד החשמלי. זה הופך אותו לאידיאלי לצמצום רכיבים במערכות הנעה של רכב חשמלי ובמערכות אנרגיה מתחדשת המחוברות לרשת.
EN
