De AlN-substraat valt echt op bij het beheersen van warmte, met waarden voor thermische geleidbaarheid van ongeveer 170 tot 200 W/mK. Dat is indrukwekkend vergeleken met andere materialen zoals aluminiumoxide met slechts 20 tot 30 W/mK of siliciumnitride met 15 tot 35 W/mK onder vergelijkbare omstandigheden. Wat AlN zo goed maakt, is de unieke wurtziet-kristalstructuur. Deze opstelling zorgt ervoor dat warmte efficiënt door het materiaal kan worden afgevoerd zonder dat de elektrische eigenschappen hieronder lijden, en behoudt een sterke isolatie van ongeveer 14 kV/mm. Vermogenmodules die AlN gebruiken, tonen doorgaans een verlaging van de thermische weerstand van 30 tot 40% ten opzichte van traditionele oxide-substraten. Minder warmteopbouw betekent dat halfgeleiders langer meegaan voordat ze uitvallen. Voor wie werkt aan ontwerpen voor hoge frequenties betekent dit soort efficiëntie dat er minder behoefte is aan extra koelcomponenten. Het eindresultaat? Systemen die minder ruimte innemen, lichter zijn en meer vermogen bieden in kleinere pakketten dan ooit tevoren mogelijk was.
AlN behoudt indrukwekkende thermische geleidbaarheid, zelfs wanneer het erg dun is, en blijft boven de 90% van de waarde in massieve vorm omdat er weinig interferentie is van fononverspreiding aan grensvlakken. Dit maakt het uitblinken in toepassingen met dunne films of meerdere lagen, waar ophoping van warmte een veelvoorkomend probleem is. De uitzettingscoëfficiënt van het materiaal bedraagt ongeveer 4,5 ppm per Kelvin, wat vrij goed aansluit bij zowel silicium- als siliciumcarbidedies. Deze overeenkomst vermindert de thermische weerstand tussen materialen met ongeveer 60% in vergelijking met materialen zoals alimina die niet zo goed passen. Combineer deze eigenschap met goede metallisatietechnieken, met name direct gebonden koper (DBC), en we zien dat de thermische geleidbaarheid aan grensvlakken boven de 3.000 W per vierkante meter per Kelvin komt. Deze kenmerken maken AlN geschikt voor veeleisende thermische omgevingen, zoals energiesystemen in vliegtuigen of krachtige laserdiodes die extreme temperatuurschommelingen ondergaan van meer dan 200 graden Celsius tijdens normaal gebruik.
Siliconcarbide (SiC) MOSFETs, samen met Galliumnitride (GaN) HEMTs, presteren het beste wanneer hun junctietemperaturen binnen nauwe grenzen blijven. Aluminiumnitride (AlN) onderscheidt zich doordat het warmte zo goed geleidt dat het de vervelende hotspots binnen vermogensmodules met ongeveer 20 tot 30 graden Celsius vermindert. Dit maakt een groot verschil bij het voorkomen van thermische doorloopproblemen in hoogspanningsapplicaties boven 1,2 kV, zoals industriële motorregelaars of voedingen voor servers. Volgens betrouwbaarheidsstudies die vergelijkbaar zijn met het Arrhenius-model, verlengt het verlagen van deze temperaturen de levensduur van apparaten aanzienlijk. Neem bijvoorbeeld SiC MOSFETs gecombineerd met AlN: zij blijven met een efficiëntie van ongeveer 98,5% werken, zelfs bij schakelfrequenties van 50 kHz, zonder dat aanpassingen aan de prestaties nodig zijn. Een andere belangrijke voordelen komt voort uit de overeenkomst van AlN met halfgeleidermaterialen wat betreft uitzettingscoëfficiënten. Deze compatibiliteit voorkomt mechanische spanning veroorzaakt door temperatuurveranderingen, wat betekent dat er geen microscheuren ontstaan en soldeerverbindingen niet verslijten na herhaalde verwarmings- en koelcycli.
Het thermische management voor tractie-omvormers in elektrische voertuigen moet robuust genoeg zijn om trillingen, temperatuurschommelingen en de intense warmte te weerstaan die door deze compacte energiesystemen wordt gegenereerd. Substraten van aluminiumnitride (AlN) maken koelsystemen ongeveer 30% kleiner, terwijl ze nog steeds warmtedoorstroming aankunnen tot 500 W per vierkante centimeter in die 800-volt batterijopstellingen. Dit materiaal verlaagt de junctietemperatuur binnen IGBT/SiC-hybride modules met ongeveer 15 tot 25 graden Celsius in vergelijking met gewone keramische materialen. Ook in praktijktests zijn indrukwekkende resultaten gezien. Zonnewerkmicro-omvormers geplaatst in woestijngebieden lieten hun foutfrequentie met 40% dalen na slechts vijf jaar bedrijf. Windturbines uitgerust met AlN-onderdelen behouden een beschikbaarheid van meer dan 99%, zelfs onder extreme kustomstandigheden zoals zout lucht, vochtigheid en opstarten bij temperaturen zo laag als min 40 graden Celsius. Wat AlN onderscheidt, is het vermogen om elektrische overslagen te weerstaan in vochtige of vuile omgevingen, wat verklaart waarom het steeds belangrijker wordt voor de bouw van betrouwbare, duurzame infrastructuur in diverse toepassingen voor hernieuwbare energie.
De wereld van vermoelektronica heeft substraten nodig die tegelijkertijd drie belangrijke aspecten kunnen hanteren: efficiënt warmtebeheer, duurzaamheid onder zware omstandigheden en flexibele verpakkingsmogelijkheden. Aluminiumnitride voldoet aan al deze eisen. De thermische geleidbaarheid varieert tussen 170 en 200 W/mK, wat betekent dat het warmte effectief afvoert van dichte vermogenscomponenten zoals IGBT's en thyristors. Bovendien past de uitzettingscoëfficiënt van ongeveer 4,5 ppm/K uitstekend bij silicium en de nieuwere breedbandgap halfgeleiders, waardoor het risico op vervorming van onderdelen of het loslaten van soldeerverbindingen bij temperatuinschommelingen sterk afneemt. Industriestandaarden van ASME tonen aan dat mechanische spanning aanzienlijk opbouwt in gelaagde verpakkingen – soms meer dan 0,8% bij elke temperatuinstijging van 100 graden. De materiaalcompatibiliteit van AlN helpt dit risico echter aanzienlijk te verminderen. Wat betreft mechanische sterkte, weerstand biedt AlN tegen de harde trillingen die voorkomen in auto's en vliegtuigen, en het kan krachten tot 50G doorstaan. En nog een voordeel: AlN staat toe dat isolatielagen zo dun zijn als 0,3 mm, waardoor verpakkingsmaten bijna gehalveerd kunnen worden zonder in te boeten aan elektrische isolatie-eigenschappen. Dit maakt het ideaal voor het verkleinen van componenten in aandrijflijnen van elektrische voertuigen (EV, BEV, PHEV, REEV, HEV) en in systemen voor hernieuwbare energie die zijn aangesloten op het elektriciteitsnet.
EN
