Podłoże AlN naprawdę wyróżnia się pod względem zarządzania ciepłem, osiągając przewodność cieplną na poziomie około 170–200 W/mK. To całkiem imponujące wyniki w porównaniu z innymi materiałami, takimi jak tlenek glinu o przewodności 20–30 W/mK czy azotek krzemu z 15–35 W/mK w podobnych warunkach. To, co czyni AlN tak dobrym, to jego unikalna struktura krystaliczna typu wurcytu. Ta konfiguracja pozwala efektywnie przewodzić ciepło przez materiał, nie naruszając przy tym właściwości elektrycznych, zachowując wysoką wytrzymałość izolacyjną rzędu 14 kV/mm. Moduły mocy wykorzystujące AlN charakteryzują się zwykle zmniejszeniem oporu termicznego o 30–40% w porównaniu z tradycyjnymi podłożami tlenkowymi. Mniejsze nagrzewanie się oznacza dłuższą żywotność półprzewodników przed ich uszkodzeniem. Dla osób pracujących nad projektami wysokich częstotliwości, ten rodzaj efektywności rzeczywiście ogranicza potrzebę stosowania dodatkowych elementów chłodzących. Efekt końcowy? Systemy zajmujące mniej miejsca, lżejsze i oferujące większą moc w mniejszych obudowach niż kiedykolwiek wcześniej było to możliwe.
AlN zachowuje imponującą przewodność cieplną nawet w przypadku bardzo małych grubości, utrzymując ponad 90% wartości charakterystycznej dla masywu, ponieważ interferencja spowodowana rozpraszaniem fononów na granicach faz jest niewielka. To czyni go szczególnie przydatnym w zastosowaniach wykorzystujących cienkie warstwy lub struktury wielowarstwowe, gdzie gromadzenie się ciepła stanowi powszechny problem. Współczynnik rozszerzalności termicznej tego materiału wynosi około 4,5 ppm na kelwin, co dobrze pasuje zarówno do krzemu, jak i do węglika krzemu. Taka zgodność redukuje opór termiczny pomiędzy materiałami o ok. 60% w porównaniu z materiałami takimi jak glinokrzem, które nie współgrają ze sobą tak dobrze. Połączenie tej właściwości z odpowiednimi technikami metalizacji, szczególnie metodą bezpośredniego spajania miedzi (DBC), pozwala osiągnąć wartości przewodności cieplnej na styku powyżej 3000 W na metr kwadratowy na kelwin. Te cechy sprawiają, że AlN nadaje się do ekstremalnych warunków cieplnych, takich jak systemy zasilania w lotnictwie czy potężne diody laserowe, które podczas normalnej pracy przechodzą przez duże zmiany temperatury przekraczające różnicę 200 stopni Celsjusza.
Tranzystory MOSFET z węglikiem krzemu (SiC) oraz tranzystory HEMT z azotkiem galu (GaN) najlepiej działają, gdy temperatura ich złącz pozostaje w ścisłych granicach. Azotek glinu (AlN) wyróżnia się tym, że przewodzi ciepło na tyle dobrze, iż redukuje niechciane miejsca o podwyższonej temperaturze wewnątrz modułów mocy o około 20–30 stopni Celsjusza. Ma to duże znaczenie dla zapobiegania efektowi termicznego przebicia w aplikacjach wysokonapięciowych powyżej 1,2 kV, takich jak napędy przemysłowe silników czy zasilacze serwerów. Zgodnie z danymi z badań niezawodności opartych na modelu Arrheniusa, obniżenie temperatury znacząco wydłuża czas życia urządzeń. Na przykład tranzystory SiC MOSFET połączone z AlN utrzymują sprawność działania na poziomie około 98,5%, nawet przy częstotliwości przełączania 50 kHz, bez konieczności dostosowywania parametrów pracy. Kolejną ważną zaletą jest dopasowanie AlN do materiałów półprzewodnikowych pod względem współczynnika rozszerzalności cieplnej. Ta kompatybilność zapobiega naprężeniom mechanicznym spowodowanym zmianami temperatury, co oznacza brak powstawania mikropęknięć oraz zużywania się połączeń lutowniczych po wielokrotnych cyklach nagrzewania i chłodzenia.
Zarządzanie ciepłem w falownikach napędowych pojazdów elektrycznych musi być wystarczająco odporne, aby radzić sobie z wibracjami, wahaniami temperatury oraz intensywnym ciepłem wytwarzanym przez te kompaktowe systemy mocy. Podłoża z azotku glinu (AlN) pozwalają skrócić systemy chłodzenia o około 30%, zachowując jednocześnie odprowadzanie strumieni ciepła sięgające 500 W na centymetr kwadratowy w instalacjach baterii o napięciu 800 V. Ten materiał obniża temperaturę złącz w modułach hybrydowych IGBT/SiC o około 15–25 stopni Celsjusza w porównaniu do standardowych materiałów ceramicznych. Testy w warunkach rzeczywistych również wykazały imponujące wyniki. Mikrofalowniki słoneczne rozmieszczone w rejonach pustynnych wykazują spadek awaryjności o 40% po pięciu latach pracy. Turbiny wiatrowe wyposażone w komponenty z AlN utrzymują czas pracy powyżej 99%, nawet w trudnych warunkach nadmorskich, w tym w obecności solonego powietrza, wilgoci oraz przy uruchamianiu w temperaturach sięgających minus 40 stopni Celsjusza. Co czyni AlN wyjątkowym jest jego odporność na wyładowania elektryczne w wilgotnych lub brudnych środowiskach, dlatego staje się kluczowym elementem przy budowie niezawodnej i trwałe infrastruktury w różnych zastosowaniach energetyki odnawialnej.
Świat elektroniki mocy potrzebuje podłoży, które potrafią jednocześnie radzić sobie z trzema dużymi wyzwaniami: skutecznym zarządzaniem ciepłem, wytrzymywaniem trudnych warunków oraz oferowaniem elastycznych opcji pakowania. Azjany glinowy spełnia wszystkie te kryteria. Jego przewodnictwo cieplne zawiera się w przedziale od 170 do 200 W/mK, co oznacza, że skutecznie odprowadza ciepło od gęsto upakowanych komponentów mocy, takich jak IGBT czy tyrystory. Dodatkowo, współczynnik rozszerzalności cieplnej wynoszący około 4,5 ppm/K bardzo dobrze komponuje się z krzemem oraz nowszymi półprzewodnikami o szerokim przerwaniu pasmowym, co znacznie zmniejsza ryzyko odkształcania elementów lub uszkodzenia złącz lutownych pod wpływem zmian temperatury. Zgodnie z normami przemysłowymi ustalonymi przez ASME, w pakietach warstwowych gromadzi się znaczne naprężenia mechaniczne – czasem przekraczające 0,8% przy każdej zmianie temperatury o 100 stopni. Jednak kompatybilność AlN z różnymi materiałami znacząco redukuje to ryzyko. Pod względem wytrzymałości, AlN wytrzymuje dość silne wibracje występujące w samochodach i samolotach, przetrwując obciążenia nawet do 50G. I jeszcze jedna zaleta: AlN pozwala na warstwy izolacyjne cienkie nawet do 0,3 mm, co skraca rozmiar pakietów o prawie połowę bez utraty właściwości izolacyjnych. To sprawia, że idealnie nadaje się do miniaturyzacji komponentów w napędach pojazdów elektrycznych (EV) oraz systemach odnawialnych źródeł energii podłączonych do sieci.
EN
