AlN substrāts izceļas ar siltuma vadītspēju, kuras vērtības svārstās apmēram no 170 līdz 200 W/mK. Tas ir diezgan ievērības vērts salīdzinājumā ar citiem materiāliem, piemēram, alumīnija oksīdu ar tikai 20 līdz 30 W/mK vai silīcija nitrīdu ar 15 līdz 35 W/mK līdzīgos apstākļos. AlN labās īpašības nosaka tā unikālā vircita kristālstruktūra. Šī struktūra ļauj siltumam efektīvi pārvietoties caur materiālu, nekompromitējot elektriskās īpašības un saglabājot stabili izolāciju apmēram 14 kV/mm. Jaudas moduļi, kas izmanto AlN, parasti rāda termisko pretestību par 30–40% zemāku salīdzinājumā ar tradicionālajiem oksīda substrātiem. Mazāk siltuma uzkrāšanās nozīmē, ka pusvadītāji ilgāk darbojas, pirms tie iziet no ierindas. Tiem, kas strādā pie augstfrekvences dizainiem, šāda veida efektivitāte faktiski samazina nepieciešamību pēc papildu dzesēšanas komponentiem. Galarezultāts? Sistēmas, kas aizņem mazāk vietas, ir vieglākas un koncentrē vairāk jaudas mazākos pakalpojumos nekā jebkad agrāk.
AlN saglabā ievērājamu termisko vadītspēju pat, ja tas ir ļoti plāns, uzturot vairāk nekā 90% no tās termiskās vadītspējas, kāda būtu liela daudzuma materiālā, jo interfeisu fononu izkliedēšanas traucējumi ir niecīgi. Tādējādi tas izceļas lietojumos ar plānām kārtām vai daudzslāņu strukturām, kur siltuma uzkrāšanās ir izplatīta problēma. Materiāla termiskās izpleksnes koeficents ir aptuveni 4,5 ppm uz Kelniju, kas salīdzinoši labi sakrīt ar silīciju un silīcija karbīda kristaliem. Šī sakrišana samazina termisko pretestību starp materiāliem aptuveni 60% salīdzībā ar materiāliem kā alumīnas oksīds, kas savstarpēji saskanīti nav tik labi. Savienojot šo īpašību ar labām metalizācijas tehnoloģijām, īpaši tieši līmētu vara (DBC) tehnoloģiju, interfaсialā termiskās vadītspējas vērtības pārsniedz 3000 W uz kvadrātmetru uz Kelniju. Šīs īpašības padara AlN piemērotu grūtiem termiskiem apstākļiem, piemēram lidmašīnu enerģētiskajos sistēmās vai jaudīgos lāzera diodos, kas normālā darbībā piedzīvo ļoti lielas temperatūras svārstības, pārsniedzot 200 grādu pēc Celsija atšķirību.
Kremnīja karbīds (SiC) MOSFET un Gallija nitrīds (GaN) HEMT darbojas vislabāk, kad to pārejas temperatūras saglabājas ietvaros ar stingriem ierobežojumiem. Alumīnija nitrīds (AlN) izceļas ar to, ka tas tik labi novada siltumu, ka samazina apgrūtinošos karstos punktus iekšējās enerģijas moduļos par aptuveni 20 līdz 30 grādiem pēc Celsija. Tas rada lielu atšķirību augstsprieguma pielietojumos virs 1,2 kV, piemēram, rūpnieciskajos elektrodzinējos vai serveru barošanas avotos, novēršot termisko nestabilitāti. Saskaņā ar uzticamības pētījumiem, kas līdzīgi Arrhenius modeļa datiem, šo temperatūru pazemināšana faktiski ievērojami pagarina ierīču kalpošanas laiku. Piemēram, SiC MOSFET kopā ar AlN saglabā darbības efektivitāti aptuveni 98,5%, pat pārslēdzoties ar 50 kHz frekvenci, bez nepieciešamības veikt jebkādas veiktspējas korekcijas. Vēl viena svarīga priekšrocība ir tā, kā AlN saskan ar pusvadītāju materiāliem attiecībā uz izplešanās koeficientiem. Šī saderība novērš mehānisko spriedzi, ko izraisa temperatūras svārstības, kas nozīmē, ka vairs neveidojas mikroplaisas un nav metinājumu savienojumu nodilšanas pēc daudziem apkarsēšanās un atdzišanas cikliem.
Elektromobīļu trakcijas invertoru siltuma vadībai jābūt pietiekami izturīgai, lai izturētu vibrācijas, temperatūras svārstības un intensīvu siltumu, ko rada šie kompaktie enerģijas sistēmas. Alumīnija nitrīda (AlN) pamatnes padara dzesēšanas sistēmas aptuveni par 30% mazākas, vienlaikus nodrošinot siltuma plūsmu līdz pat 500 W uz kvadrātcentimetru šādās 800 voltu bateriju konfigurācijās. Šis materiāls samazina pārejas temperatūru iekšpusē IGBT/SiC hibrīdajām moduļiem par aptuveni 15 līdz 25 grādiem Celsija salīdzinājumā ar parastajiem keramikas materiāliem. Arī reālos testos ir redzami ievērojami rezultāti. Saules mikroinvertori, kas novietoti tuksneša apstākļos, pēc piecām ekspluatācijas gadu desmitiem ir pieredzējuši savu atteikumu biežuma samazināšanos par 40%. Vēja turbīnas, kas aprīkotas ar AlN komponentiem, uztur vairāk nekā 99% darba gaitu, pat strādājot agresīvos piekrastes apstākļos, tostarp sāļā gaisā, mitrumā un startējoties temperatūrās līdz pat mīnus 40 grādiem Celsija. Tas, kas liek AlN izcelties, ir tā spēja pretesties elektriskajiem lokiem mitros vai netīros vides apstākļos, tāpēc tas kļūst tik svarīgs uzticamas un izturīgas infrastruktūras veidošanai dažādās atjaunojamās enerģijas lietojumprogrammās.
Jaudas elektronikas pasaulē nepieciešamas pamatnes, kas vienlaikus spēj risināt trīs lielas problēmas: efektīvi pārvaldīt siltumu, izturēt grūtos apstākļus un piedāvāt elastīgas iepakošanas iespējas. Alumīnija nitrīds atbilst visiem šiem kritērijiem. Tā siltuma vadītspēja svārstās no 170 līdz 200 W/mK, kas nozīmē, ka tas efektīvi novada siltumu no blīviem jaudas komponentiem, piemēram, IGBT un tiristoriem. Turklāt termiskās izplešanās koeficients apmēram 4,5 ppm/K ļoti labi sader ar silīciju un jaunākajiem plašās joslas pusvadītājiem, tādējādi samazinoties daļu deformācijas vai lodējumu savienojumu bojājuma risks mainīgās temperatūras apstākļos. ASME noteiktie rūpniecības standarti parāda, ka slāņveida iepakojumos mehāniskās slodzes uzkrājas ievērojami — reizēm vairāk nekā 0,8% katru reizi, kad temperatūra mainās par 100 grādiem. Taču AlN saderība ar dažādiem materiāliem palīdz būtiski samazināt šo risku. Attiecībā uz izturību AlN iztur diezgan intensīvu vibrāciju automašīnās un lidaparātos, izturējot spēkus līdz pat 50G. Un vēl viens pluss: AlN ļauj izolācijas kārtas biezumu samazināt līdz pat 0,3 mm, samazinot iepakojuma izmērus gandrīz par pusi, nezaudējot elektriskās izolācijas īpašības. Tas padara to par ideālu materiālu elektrisko transportlīdzekļu piedziņas sistēmu un tīklam pieslēgtu atjaunojamās enerģijas sistēmu komponentu mazināšanai.
EN
