उष्णतेचे नियमन करण्याच्या बाबतीत AlN सबस्ट्रेट खरोखरच उभे राहते, ज्याची उष्णता वाहून नेण्याची क्षमता सुमारे 170 ते 200 W/mK इतकी असते. समान परिस्थितींमध्ये फक्त 20 ते 30 W/mK इतकी उष्णता वाहून नेण्याची क्षमता असलेल्या अॅल्युमिनियम ऑक्साइड किंवा 15 ते 35 W/mK सह सिलिकॉन नायट्राइड सारख्या इतर सामग्रीशी तुलना केल्यास ही आकडेवारी खूप चांगली आहे. AlN ला इतके चांगले बनवणारी गोष्ट म्हणजे त्याची अद्वितीय व्हर्ट्झाइट क्रिस्टल संरचना. ही मांडणी सामग्रीमधून उष्णता कार्यक्षमतेने हलवण्यास परवानगी देते, ज्यामुळे विद्युत गुणधर्मांना धक्का बसत नाही आणि सुमारे 14 kV/mm इतक्या मजबूत विद्युत निरोधनाचे पालन केले जाते. AlN वापरणार्या पॉवर मॉड्यूल्समध्ये सामान्य ऑक्साइड सबस्ट्रेट्सच्या तुलनेत 30 ते 40% उष्णता प्रतिकार कमी होतो. कमी उष्णता जमा होणे म्हणजे अर्धवाहकांचे अपयश येण्यापूर्वी त्यांचा आयुष्य जास्त असतो. ज्यांचे काम उच्च वारंवारता डिझाइनवर आहे, त्यांच्यासाठी ही कार्यक्षमता वास्तविकतेत अतिरिक्त थंडगार करणार्या भागांची गरज कमी करते. शेवटचा निकाल? अशी प्रणाली जी कमी जागा घेते, वजन कमी असते आणि आतापर्यंत शक्य झालेल्या छोट्या पॅकेजमध्ये जास्त शक्ति साठवू शकते.
अतिशय पातळ असतानाही AlN मध्ये उत्कृष्ट उष्णता वाहन क्षमता टिकून राहते, ज्यामुळे त्याची घन अवस्थेतील वाहनक्षमतेच्या 90% वर राहते, कारण इंटरफेसवरील फोनॉन प्रक्षेपणामुळे फारसा अडथळा निर्माण होत नाही. उष्णता गोळा होणे ही सामान्य समस्या असलेल्या पातळ फिल्म किंवा बहु-स्तरीय अर्जांसाठी हे विशेषत: उपयुक्त ठरते. सामग्रीचा उष्णता प्रसरण दर सुमारे 4.5 ppm प्रति केल्विन इतका आहे, जो सिलिकॉन आणि सिलिकॉन कार्बाइड डायज दोघांशीही चांगल्या प्रकारे जुळतो. ही जुळणी अल्युमिनासारख्या जुळत नसलेल्या सामग्रीच्या तुलनेत सामग्रींमधील उष्णता प्रतिकार कमीतकमी 60% ने कमी करते. हे गुणधर्म चांगल्या धातूकरण तंत्रज्ञानासह, विशेषत: डायरेक्ट बॉन्डेड कॉपर (DBC) सह जुळवल्यास, आम्हाला इंटरफेसिअल उष्णता वाहन क्षमतेचे मूल्य 3,000 W प्रति चौरस मीटर प्रति केल्विन पेक्षा जास्त दिसते. हे गुणधर्म AlN ला खडतर उष्णता वातावरणासाठी योग्य बनवतात, जसे की विमानांमधील पॉवर सिस्टम किंवा नेहमीच्या कार्यादरम्यान 200 डिग्री सेल्सिअस पेक्षा जास्त तापमानातील बदलांना सामोरे जाणारे शक्तिशाली लेझर डायोड.
सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) मॉसफेट्स आणि गॅलियम नायट्राइड (GaN) हेमट्स यांच्या संयोजनात त्यांचे संधितापमान अत्यंत कमी मर्यादेत राहिल्यास ते उत्तम कामगिरी दर्शवितात. अॅल्युमिनम नायट्राइड (AlN) उत्कृष्ट उष्णता वाहन क्षमतेमुळे खास ओळखले जाते, ज्यामुळे पॉवर मॉड्यूल्समधील तापमानाच्या अतिशय वाढणाऱ्या भागांचे तापमान सुमार २० ते ३० अंश सेल्सिअसने कमी होते. यामुळे १.२ kV पेक्षा जास्त व्होल्टेज असलेल्या उद्योगातील मोटर ड्राइव्स किंवा सर्व्हर पॉवर सपाटांसारख्या उच्च व्होल्टेज अनुप्रयोगांमध्ये उष्णता नियंत्रणाच्या समस्यांपासून बचाव होतो. अॅरिनियस मॉडेलसारख्या विश्वसनीयता अभ्यासांवरून आपल्याला माहिती आहे की, तापमान कमी ठेवल्यामुळे उपकरणांचे आयुष्य खूप जास्त वाढते. उदाहरणार्थ, SiC मॉसफेट्स आणि AlN यांचे संयोजन ५० kHz वारंवारतेवर स्विचिंग करत असतानाही कोणत्याही कामगिरी समायोजनाशिवाय ९८.५% दक्षता टिकवून ठेवते. AlN चा अर्थपूर्ण फायदा अर्थात् ते अर्धवाहक सामग्रीसह तापमानानुसार विस्ताराच्या दरांशी जुळते हे आहे. ही जुळवणूक तापमान बदलामुळे निर्माण होणारा यांत्रिक तणाव रोखते, ज्यामुळे तापमानाच्या चक्रांदरम्यान सूक्ष्म फुटणे किंवा सोल्डर जोड्यांचा दुर्बल होणे टाळले जाते.
विद्युत वाहनांच्या ट्रॅक्शन इन्व्हर्टरसाठी थर्मल व्यवस्थापन इतके मजबूत असणे आवश्यक आहे की ते कंपन, तापमानातील चढ-उतार आणि या लहान ऊर्जा प्रणालींद्वारे निर्माण होणाऱ्या तीव्र उष्णतेस सामोरे जाऊ शकेल. 800 व्होल्ट बॅटरी सेटअपमध्ये अॅल्युमिनियम नायट्राइड (AlN) सब्सट्रेट्स यांचा वापर केल्यास थंडगार प्रणाली सुमारे 30% छोटी केली जाऊ शकते, जरी ती चौरस सेंटीमीटरमागे 500 वॅट इतक्या उच्च उष्णता प्रवाहाचे नियंत्रण करू शकते. IGBT/ SiC संकरित मॉड्यूलमधील संधीचे तापमान सामान्य द्रव्यांच्या तुलनेत AlN सारख्या सामग्रीमुळे सुमारे 15 ते 25 अंश सेल्सिअसने कमी होते. वास्तविक जगातील चाचण्यांमध्ये देखील काही आश्चर्यकारक निकाल दिसून आले आहेत. वाळवंटातील सौर मायक्रो इन्व्हर्टर्सच्या अपयशाचे प्रमाण फक्त पाच वर्षांच्या सेवेनंतर 40% ने कमी झाले आहे. AlN घटकांसह सुसज्ज वारा टर्बाइन्स खारट हवा, आर्द्रता आणि विशेषत: मायनस 40 अंश सेल्सिअसपर्यंतच्या कमी तापमानात सुरू होण्याच्या कठोर किनारी परिस्थितींमध्ये देखील 99% पेक्षा जास्त चालू राहण्याचे प्रमाण टिकवून ठेवतात. AlN ला विशेष बनवणारी गोष्ट म्हणजे त्याची आर्द्र किंवा धूळट वातावरणात विद्युत आर्कचा प्रतिकार करण्याची क्षमता, ज्यामुळे विविध नैसर्गिक ऊर्जा अर्जांमध्ये विश्वासार्ह आणि टिकाऊ पायाभूत सुविधा तयार करण्यासाठी ते इतके महत्त्वाचे बनत आहे.
पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्सच्या जगाला अशा सबस्ट्रेट्सची गरज असते जे एकाच वेळी तीन मोठ्या गोष्टींची काळजी घेऊ शकतात: उष्णतेचे प्रभावी नियमन, कठोर परिस्थितीत टिकणे आणि लवचिक पॅकेजिंग पर्याय देणे. अॅल्युमिनियम नायट्राइड हे सर्व गुणधर्म पूर्ण करते. 170 ते 200 W/mK दरम्यान उष्णता वाहनता असल्यामुळे, IGBTs आणि थायरिस्टर्स सारख्या घनतेच्या पॉवर घटकांपासून उष्णता प्रभावीपणे दूर करते. तसेच, सुमारे 4.5 ppm/K इतका उष्णतेमुळे विस्ताराचा सहगुणक सिलिकॉन आणि नवीन वाइड बँडगॅप सेमीकंडक्टर्ससोबत खूप चांगले काम करतो, ज्यामुळे तापमानात बदल झाल्यावर भाग विकृत होण्याची किंवा सोल्डर जॉइंट्स फेल होण्याची शक्यता कमी होते. ASME द्वारे निर्धारित केलेल्या उद्योग मानकांनुसार, स्तरीत पॅकेजेसमध्ये यांत्रिक तणाव खूप जास्त निर्माण होतो - प्रत्येक 100 अंश तापमान बदलासाठी कधीकधी 0.8% पेक्षा जास्त. परंतु AlN ची विविध सामग्रीसोबत सुसंगतता त्या धोक्याला खूप प्रमाणात कमी करते. ताकदीच्या बाबतीत, AlN कार आणि विमानांमध्ये आढळणाऱ्या खूपच कठोर कंपनांना तोंड देऊ शकते आणि 50G पर्यंतच्या बलांना सहन करू शकते. आणि इथे आणखी एक फायदा आहे: AlN ला विद्युत निरोधक गुणधर्मांची बलि न देता 0.3mm इतक्या पातळ निरोधक थरांना परवानगी देते, ज्यामुळे पॅकेज आकार जवळजवळ निम्मे कमी होतात. जाळीने जोडलेल्या इलेक्ट्रिक वाहनांच्या ड्राइव्हट्रेन आणि नूतनीकरणीय ऊर्जा प्रणालींमध्ये घटकांचा आकार कमी करण्यासाठी हे आदर्श आहे.
EN
