Substrat AlN benar-benar menonjol dari segi pengurusan haba, dengan kekonduksian terma bernilai sekitar 170 hingga 200 W/mK. Ini cukup mengesankan berbanding bahan lain seperti aluminium oksida yang hanya 20 hingga 30 W/mK atau nitrida silikon dengan 15 hingga 35 W/mK dalam keadaan serupa. Yang menjadikan AlN begitu baik adalah struktur hablur wurtzite yang unik. Susunan ini membolehkan haba bergerak secara efisien menerusi bahan tersebut tanpa mengorbankan sifat elektriknya, mengekalkan penebatan yang kuat pada kira-kira 14 kV/mm. Modul kuasa yang menggunakan AlN biasanya menunjukkan pengurangan rintangan terma sebanyak 30 hingga 40% berbanding substrat oksida tradisional. Kurang pengumpulan haba bermakna semikonduktor bertahan lebih lama sebelum gagal. Bagi mereka yang bekerja pada rekabentuk frekuensi tinggi, kecekapan sebegini sebenarnya mengurangkan keperluan akan komponen penyejukan tambahan. Apakah hasil akhirnya? Sistem yang mengambil ruang lebih kecil, lebih ringan, dan memampatkan lebih banyak kuasa ke dalam bungkusan yang lebih kecil daripada yang pernah mungkin sebelum ini.
AlN mengekalkan kekonduksian terma yang mengagumkan walaupun dalam bentuk sangat nipis, kekal di atas 90% berbanding bentuk pukalnya kerana gangguan hamburan fonon pada antara muka adalah minimum. Ini menjadikannya menonjol untuk aplikasi yang melibatkan filem nipis atau lapisan berbilang di mana pembinaan haba merupakan masalah biasa. Kadar pengembangan terma bahan ini berada pada kira-kira 4.5 ppm per Kelvin, yang sepadan dengan baik bersama die silikon dan silikon karbida. Perpaduan ini mengurangkan rintangan terma antara bahan-bahan sebanyak kira-kira 60% berbanding bahan seperti alumina yang tidak sepadan dengan baik. Gabungkan ciri ini dengan teknik metalisasi yang baik, terutamanya tembaga terikat langsung (DBC), dan kita dapat melihat angka konduktans terma antara muka melebihi 3,000 W per meter persegi per Kelvin. Ciri-ciri ini menjadikan AlN sesuai untuk persekitaran termal yang mencabar, seperti sistem kuasa dalam pesawat atau diod laser berkuasa tinggi yang mengalami perubahan suhu ekstrem melebihi perbezaan 200 darjah Celsius semasa operasi biasa.
Silikon Karbida (SiC) MOSFET bersama-sama dengan Gallium Nitrida (GaN) HEMT berfungsi paling baik apabila suhu simpangannya kekal dalam had yang ketat. Aluminium Nitrida (AlN) menonjol kerana keupayaannya mengalirkan haba dengan sangat baik, mengurangkan kewujudan titik-titik panas yang mengganggu di dalam modul kuasa sebanyak kira-kira 20 hingga 30 darjah Celsius. Ini memberi kesan besar dalam mencegah isu lari terma dalam aplikasi voltan tinggi melebihi 1.2 kV seperti pemacu motor industri atau bekalan kuasa pelayan. Berdasarkan kajian kebolehpercayaan seperti model Arrhenius, penurunan suhu ini benar-benar membuat peranti bertahan lebih lama. Ambil contoh SiC MOSFET yang digabungkan dengan AlN, ia kekal beroperasi pada kecekapan kira-kira 98.5% walaupun pada frekuensi pensuisan 50 kHz tanpa memerlukan pelarasan prestasi. Manfaat penting lain datang daripada kesesuaian kadar pengembangan AlN dengan bahan semikonduktor. Keserasian ini mengelakkan tekanan mekanikal yang disebabkan oleh perubahan suhu, yang bermaksud tiada lagi pembentukan mikro retak atau sambungan solder haus selepas banyak kitaran pemanasan dan penyejukan.
Pengurusan haba untuk penyongsang pacuan kenderaan elektrik perlu cukup kuat untuk menghadapi getaran, turun naik suhu, dan haba yang sangat tinggi yang dihasilkan oleh sistem kuasa padat ini. Substrat aluminium nitrida (AlN) menjadikan sistem penyejukan kira-kira 30% lebih kecil sambil tetap mampu mengendalikan fluks haba setinggi 500 W per sentimeter persegi dalam konfigurasi bateri 800 volt tersebut. Bahan ini mengurangkan suhu simpang dalam modul hibrid IGBT/SiC sebanyak kira-kira 15 hingga 25 darjah Celsius berbanding bahan seramik biasa. Pengujian dalam dunia sebenar juga menunjukkan keputusan yang memberangsangkan. Mikroinverter solar yang diletakkan di kawasan gurun mencatatkan kadar kegagalan berkurang sebanyak 40% selepas hanya lima tahun operasi. Turbin angin yang dilengkapi komponen AlN mengekalkan masa aktif lebih daripada 99% walaupun menghadapi keadaan pesisir yang keras termasuk udara masin, lembapan, dan permulaan pada suhu serendah negatif 40 darjah Celsius. Apa yang menjadikan AlN menonjol ialah keupayaannya untuk menahan lengkung elektrik dalam persekitaran lembap atau kotor, justeru menyebabkannya semakin penting dalam membina infrastruktur yang boleh dipercayai dan tahan lama merentasi pelbagai aplikasi tenaga boleh diperbaharui.
Dunia elektronik kuasa memerlukan substrat yang mampu mengendalikan tiga perkara utama secara serentak: pengurusan haba yang baik, ketahanan terhadap keadaan yang mencabar, dan pilihan pengepakan yang fleksibel. Aluminium nitrida memenuhi semua kriteria ini. Kekonduksian termalnya berada di antara 170 hingga 200 W/mK, yang bermaksud ia mampu menyerap haba dengan berkesan daripada komponen kuasa yang padat seperti IGBT dan thyristor. Selain itu, pekali pengembangan terma sekitar 4.5 ppm/K sangat serasi dengan silikon dan semikonduktor jalur lebar baharu, menjadikan risiko komponen melengkung atau sambungan solder gagal ketika suhu berubah-ubah jauh lebih rendah. Piawaian industri yang ditetapkan oleh ASME menunjukkan bahawa regangan mekanikal meningkat secara ketara dalam pakej berlapis—kadangkala melebihi 0.8% bagi setiap perubahan suhu 100 darjah. Namun, keserasian AlN dengan pelbagai bahan membantu mengurangkan risiko tersebut secara ketara. Dari segi kekuatan, AlN mampu bertahan terhadap getaran hebat yang wujud dalam kenderaan dan kapal terbang, menahan daya sehingga 50G. Dan inilah tambahan kelebihannya: AlN membolehkan lapisan penebat setipis 0.3mm, mengurangkan saiz pakej hampir separuh tanpa mengorbankan ciri-ciri penebatan elektrik. Ini menjadikannya ideal untuk mengecilkan komponen dalam sistem pemacu kenderaan elektrik dan sistem tenaga boleh diperbaharui yang bersambung ke grid.
EN
