AlN 기판은 열 관리 측면에서 특히 두드러지며, 열전도율이 약 170~200 W/mK 수준에 이릅니다. 동일한 조건에서 알루미나는 단지 20~30 W/mK, 실리콘 나이트라이드는 15~35 W/mK인 것과 비교하면 상당히 인상적인 수치입니다. AlN의 우수성은 독특한 원자이트 결정 구조에 기인합니다. 이 구조 덕분에 열이 재료 내부를 효율적으로 전달되면서도 전기적 특성은 유지되며, 약 14 kV/mm 수준의 뛰어난 절연 성능을 유지할 수 있습니다. AlN을 사용하는 파워 모듈은 일반적인 산화물 기판 대비 열 저항이 30~40% 정도 감소하는 경향을 보입니다. 발열이 줄어들면 반도체 소자의 수명이 연장되어 고장까지 걸리는 시간이 늘어납니다. 고주파 설계를 다루는 엔지니어의 경우, 이러한 효율성 덕분에 추가적인 냉각 부품이 필요해지는 상황이 줄어듭니다. 최종 결과는 무엇일까요? 이전보다 더 작고 가벼우며, 더욱 강력한 성능을 소형 패키지에 집적할 수 있는 시스템이 가능해집니다.
AlN은 매우 얇은 상태에서도 인상적인 열전도성을 유지하며, 벌크 형태일 때의 90% 이상을 유지하는데, 이는 계층 간격에서 포논 산란으로 인한 방해가 크지 않기 때문이다. 이로 인해 박막 또는 다중층 구조에서 열 축적이 빈번히 발생하는 응용 분야에서 두각을 나타낸다. 이 소재의 열팽창계수는 약 4.5ppm/K로, 실리콘 및 실리카르바이드 다이와 상당히 잘 맞는다. 이와 같은 일치성은 알루미나처럼 서로 어울리지 않는 재료에 비해 재료 간의 열저항을 약 60% 정도 줄일 수 있다. 이 특성과 금속화 기술, 특히 직접결합구리(DBC) 기술을 함께 사용하면 계면 열전도율이 3,000W/m²K를 초과하는 값에 도달할 수 있다. 이러한 특성들로 인해 AlN은 항공기의 전력 시스템이나 정상 작동 중 200도 이상의 온도 변화를 겪는 고출력 레이저 다이오드와 같이 극심한 열환경에서의 사용에 적합하다.
실리콘 카바이드(SiC) MOSFET와 갈륨 나이트라이드(GaN) HEMT는 접합 온도가 좁은 범위 내에 유지될 때 가장 잘 작동합니다. 질화 알루미늄(AlN)은 열 전도성이 매우 뛰어나 전력 모듈 내부의 핫스팟을 약 20~30도 섭씨 정도 줄여주기 때문에 두드러집니다. 이는 1.2kV 이상의 고전압 응용 분야, 예를 들어 산업용 모터 드라이브나 서버 전원 공급 장치에서 열 폭주 문제를 방지하는 데 큰 차이를 만듭니다. 아레니우스 모델과 유사한 신뢰성 연구에서 알려진 바에 따르면, 이러한 온도를 낮추는 것은 장치의 수명을 훨씬 더 길게 연장시킵니다. 예를 들어 SiC MOSFET에 AlN을 결합하면, 성능 조정 없이도 50kHz 주파수로 스위칭할 때 약 98.5%의 효율을 유지하며 계속 작동할 수 있습니다. 또 다른 중요한 이점은 AlN이 반도체 재료와 열팽창 계수가 잘 맞는다는 점입니다. 이러한 호환성 덕분에 온도 변화로 인한 기계적 응력을 방지하여 가열과 냉각 사이클을 반복해도 미세 균열이 생기거나 납땜 접합부가 마모되는 현상이 발생하지 않습니다.
전기차 견인 인버터의 열 관리 시스템은 이러한 소형 고출력 시스템에서 발생하는 진동, 온도 변화 및 강한 열을 견딜 수 있을 만큼 견고해야 합니다. 알루미늄 나이트라이드(AlN) 기판은 800볼트 배터리 구성에서 제곱센티미터당 최대 500와트의 열유속을 처리하면서도 냉각 시스템의 크기를 약 30% 정도 작게 만들 수 있습니다. 이 소재는 기존 세라믹 소재에 비해 IGBT/SiC 하이브리드 모듈 내부의 접합부 온도를 약 15~25도 석씨 낮추는 효과를 제공합니다. 실제 현장 테스트에서도 인상적인 결과가 확인되었습니다. 사막 지역에 설치된 태양광 마이크로 인버터는 가동 5년 후 고장률이 40% 감소했습니다. AlN 부품을 장착한 풍력 터빈은 염분 공기, 습기 및 영하 40도 섭씨에서의 구동과 같은 열악한 해안 환경에서도 99% 이상의 가동률을 유지합니다. AlN이 두드러지는 점은 습기 차거나 더러운 환경에서도 전기 아크를 저지할 수 있는 능력에 있으며, 이 때문에 다양한 재생 에너지 응용 분야에서 신뢰성 높고 내구성 강한 인프라를 구축하는 데 매우 중요한 소재로 떠오르고 있습니다.
전력 전자 분야에서는 열 관리 성능이 뛰어나고 혹독한 환경에서도 내구성이 우수하며 유연한 패키징 옵션을 제공하는 기판 소재가 필요하다. 질화알루미늄(AlN)은 이러한 모든 조건을 충족한다. AlN의 열전도율은 170~200W/mK 범위로, IGBT 및 실리콘 제어 정류소자(Thyristor)와 같은 고집적 전력 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한 약 4.5ppm/K인 열팽창계수는 실리콘 및 새로운 넓은 밴드갭 반도체들과의 호환성이 매우 좋아서 온도 변화 시 부품의 변형이나 납땜 접합부의 파손 가능성을 크게 줄여준다. ASME에서 제정한 산업 표준에 따르면, 적층 구조 패키지에서는 온도가 100도 변화할 때마다 최대 0.8% 이상의 기계적 스트레인이 발생할 수 있으나, AlN은 다양한 재료와의 호환성 덕분에 이러한 위험을 상당히 감소시킨다. 강도 측면에서 AlN은 자동차 및 항공기 내에서 발생하는 극심한 진동에도 견디며 최대 50G의 힘을 버틸 수 있다. 또 다른 장점으로는 AlN이 전기 절연 특성을 해치지 않으면서도 두께가 단 0.3mm에 불과한 절연층을 가능하게 하여 패키지 크기를 거의 절반으로 줄일 수 있다는 점이다. 이는 전기자동차 동력장치 및 계통 연계형 재생에너지 시스템의 소형화에 이상적인 소재로 만들고 있다.
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