AlN基板は放熱管理において非常に優れており、熱伝導率は約170～200 W/mKの範囲に達します。これは、同じ条件下でアルミナが20～30 W/mK、窒化ケイ素が15～35 W/mKであることに比べると、非常に印象的です。AlNの優れた性能の理由は、その独特なウルツァイト結晶構造にあります。この構造により、材料内部で熱が効率的に移動する一方で電気的特性を損なわず、約14 kV/mmの高い絶縁強度を維持できます。AlNを使用したパワーモジュールは、従来の酸化物基板と比較して、通常30～40%の熱抵抗低減を実現します。発熱の抑制により、半導体の寿命が延びます。高周波設計を扱う方々にとって、このような効率性は追加の冷却部品が必要となる頻度を実際に低下させます。その結果、これまでにないほど小型・軽量でありながら、より高い出力を実現するシステムが可能になります。
AlNは非常に薄い状態でも優れた熱伝導性を維持し、界面でのフォノン散乱による干渉が少ないため、塊状の状態と比べて90%以上もの熱伝導率を保ちます。この特性により、発熱が課題となる薄膜や多層構造の用途において特に優れた材料となっています。AlNの熱膨張係数は約4.5ppm/Kであり、シリコンや炭化ケイ素（SiC）チップとよく一致します。このマッチングにより、アルミナのように適合性の悪い材料と比較して、材料間の熱抵抗が約60%低減されます。このような特性に、特に直接接合銅（DBC）などの優れたメタライゼーション技術を組み合わせることで、界面熱コンダクタンスは3,000W/m²Kを超える値を実現しています。これらの特性から、AlNは航空機の電力システムや、通常の運転中に200℃を超える温度変動が生じる高出力レーザーダイオードなど、厳しい熱環境下での使用に適しています。
炭化ケイ素（SiC）MOSFETと窒化ガリウム（GaN）HEMTは、接合部の温度が狭い範囲内に保たれる場合に最も優れた性能を発揮します。その中で、窒化アルミニウム（AlN）は特に優れた熱伝導性を持ち、電力モジュール内部の厄介なホットスポットを約20〜30℃低減できるため注目されています。これにより、産業用モータードライブやサーバー用電源など、1.2 kVを超える高電圧アプリケーションにおける熱暴走の問題を防ぐ上で大きな効果をもたらします。アレニウスモデルに類似した信頼性研究から分かっているように、これらの温度を低下させることは、デバイスの寿命を大幅に延ばすことにつながります。例えば、SiC MOSFETにAlNを組み合わせた場合、50 kHzの周波数でスイッチング動作を行っても、性能調整を必要とせずに約98.5％の効率を維持し続けられます。もう一つの重要な利点は、AlNが半導体材料と熱膨張係数が一致している点です。この互換性により、温度変化による機械的応力が生じず、加熱・冷却サイクルを繰り返してもマイクロクラックが発生したり、はんだ接合部が劣化したりする心配がありません。
電気自動車のトラクションインバーターにおける熱管理は、振動、温度変動、およびこれらのコンパクトな電力システムによって発生する intenseな熱を処理できるほど堅牢である必要があります。窒化アルミニウム（AlN）基板を使用することで、冷却システムのサイズを約30%小型化できますが、それでも800ボルトのバッテリーシステムにおいて最大500W／平方センチメートルの熱流束を処理可能です。この材料は、IGBT／SiCハイブリッドモジュール内部の接合部温度を、従来のセラミック材料と比較して約15〜25℃低下させます。実環境でのテストでも印象的な結果が得られています。砂漠地域に設置された太陽光マイクロインバーターでは、運転開始後わずか5年で故障率が40％低下しました。AlN部品を搭載した風力タービンは、塩分を含む空気や湿気、さらに摂氏マイナス40度での起動など厳しい沿岸環境下においても、99％を超える稼働率を維持しています。AlNが特に優れている点は、湿気や汚れのある環境下でも放電現象（アーク）に耐えられる能力にあり、そのためさまざまな再生可能エネルギー用途における信頼性が高く耐久性のあるインフラ構築において極めて重要になっています。
パワーエレクトロニクスの世界では、放熱性に優れ、過酷な環境下でも耐久性があり、柔軟なパッケージングオプションを提供する基板が必要とされています。窒化アルミニウム（AlN）はこれらすべての条件を満たします。その熱伝導率は170～200 W/mKの範囲にあり、IGBTやサイリスタなどの高密度パワーコンポーネントから効果的に熱を逃がすことができます。また、熱膨張係数が約4.5 ppm/Kと、シリコンや新しい広帯域半導体（wide bandgap semiconductors）と非常に良好に一致するため、温度変化による部品の歪みやはんだ接合部の破損リスクが低減されます。ASMEによる業界基準では、積層パッケージにおいて機械的ひずみがかなり大きくなることが示されており、温度が100度変化するごとに0.8%を超える場合もあります。しかし、AlNはさまざまな材料との適合性が高いため、このリスクを大幅に抑えることができます。強度に関しては、自動車や航空機に見られる厳しい振動にも耐え、最大50Gの力に耐えることができます。もう一つの利点として、AlNは絶縁層を0.3mmという薄さまで実現でき、電気的絶縁性能を損なうことなくパッケージサイズをほぼ半分に小型化できます。この特性により、電気自動車の駆動システムやグリッド接続型再生可能エネルギー装置におけるコンポーネントの小型化に最適です。
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