O substrato de AlN realmente se destaca quando o assunto é gerenciamento de calor, com valores de condutividade térmica em torno de 170 a 200 W/mK. Isso é bastante impressionante em comparação com outros materiais, como o óxido de alumínio, com apenas 20 a 30 W/mK, ou o nitreto de silício, com 15 a 35 W/mK, em condições semelhantes. O que torna o AlN tão eficiente é sua estrutura cristalina wurtzita única. Esse arranjo permite que o calor se mova eficientemente pelo material sem comprometer as propriedades elétricas, mantendo um bom isolamento, cerca de 14 kV/mm. Módulos de potência que utilizam AlN normalmente apresentam reduções na resistência térmica de 30 a 40% em comparação com substratos tradicionais à base de óxido. Menos acúmulo de calor significa que os semicondutores duram mais antes de falhar. Para quem trabalha com projetos de alta frequência, essa eficiência reduz a necessidade de componentes adicionais de refrigeração. O resultado final? Sistemas que ocupam menos espaço, pesam menos e concentram mais potência em pacotes menores do que nunca foi possível anteriormente.
O AlN mantém uma condutividade térmica impressionante mesmo quando muito fino, permanecendo acima de 90% do valor que teria em forma maciça, pois há pouca interferência do espalhamento de fônons nas interfaces. Isso o destaca em aplicações envolvendo filmes finos ou múltiplas camadas, onde o acúmulo de calor é um problema comum. A taxa de expansão térmica do material situa-se em cerca de 4,5 ppm por Kelvin, o que se alinha bastante bem com os dies de silício e carbeto de silício. Esse alinhamento reduz a resistência térmica entre os materiais em aproximadamente 60% em comparação com materiais como a alumina, que não se encaixam tão bem. Associando essa propriedade a técnicas adequadas de metalização, especialmente cobre diretamente ligado (DBC), observamos valores de condutância térmica interfacial superiores a 3.000 W por metro quadrado por Kelvin. Essas características tornam o AlN adequado para ambientes térmicos severos, como sistemas de potência em aeronaves ou diodos a laser potentes que passam por mudanças extremas de temperatura, excedendo diferenças de 200 graus Celsius durante o funcionamento normal.
Os MOSFETs de carbeto de silício (SiC) juntamente com os HEMTs de nitreto de gálio (GaN) funcionam melhor quando suas temperaturas de junção permanecem dentro de limites estreitos. O nitreto de alumínio (AlN) se destaca porque conduz calor tão bem que reduz em cerca de 20 a 30 graus Celsius aqueles indesejados pontos quentes no interior dos módulos de potência. Isso faz uma grande diferença na prevenção de problemas de fuga térmica em aplicações de alta tensão acima de 1,2 kV, como acionamentos de motores industriais ou fontes de alimentação para servidores. De acordo com estudos de confiabilidade semelhantes ao modelo de Arrhenius, a redução dessas temperaturas realmente faz com que os dispositivos durem muito mais. Considere, por exemplo, os MOSFETs de SiC combinados com AlN: eles mantêm o funcionamento com eficiência de cerca de 98,5%, mesmo ao operar em frequências de comutação de 50 kHz, sem necessidade de ajustes de desempenho. Outro benefício importante decorre do fato de o AlN apresentar taxas de expansão semelhantes às dos materiais semicondutores. Essa compatibilidade evita tensões mecânicas provocadas por variações de temperatura, o que significa que não ocorrem mais microfissuras nem deterioração das soldas após todos os ciclos de aquecimento e resfriamento.
A gestão térmica para inversores de tração de veículos elétricos precisa ser resistente o suficiente para suportar vibrações, flutuações de temperatura e o intenso calor gerado por esses sistemas compactos de potência. Substratos de nitreto de alumínio (AlN) tornam os sistemas de refrigeração cerca de 30% menores, mantendo ainda a capacidade de lidar com fluxos térmicos tão elevados quanto 500 W por centímetro quadrado nas configurações de bateria de 800 volts. Esse material reduz as temperaturas de junção no interior dos módulos híbridos IGBT/SiC em cerca de 15 a 25 graus Celsius em comparação com materiais cerâmicos convencionais. Testes na prática também mostraram resultados impressionantes. Microinversores solares instalados em regiões desérticas apresentaram uma redução de 40% na taxa de falhas após apenas cinco anos de operação. Turbinas eólicas equipadas com componentes de AlN mantêm uma disponibilidade superior a 99%, mesmo em condições adversas costeiras, incluindo ar salgado, umidade e partidas em temperaturas tão baixas quanto menos 40 graus Celsius. O que torna o AlN destacado é sua capacidade de resistir a arcos elétricos em ambientes úmidos ou sujos, razão pela qual está se tornando tão importante para a construção de infraestrutura confiável e durável em diversas aplicações de energia renovável.
O mundo da eletrônica de potência precisa de substratos que consigam lidar simultaneamente com três fatores importantes: boa gestão térmica, durabilidade em condições adversas e opções flexíveis de embalagem. O nitreto de alumínio atende a todos esses requisitos. Sua condutividade térmica varia entre 170 e 200 W/mK, o que significa que ele dissipa eficazmente o calor gerado por componentes de potência densos, como IGBTs e tiristores. Além disso, o coeficiente de expansão térmica de aproximadamente 4,5 ppm/K é muito compatível com o silício e com os mais recentes semicondutores de banda larga, reduzindo significativamente o risco de deformação dos componentes ou falhas nas soldas durante flutuações de temperatura. Normas industriais estabelecidas pela ASME indicam que a tensão mecânica se acumula consideravelmente em pacotes multicamadas — às vezes mais de 0,8% a cada mudança de 100 graus Celsius. Contudo, a compatibilidade do AlN com diversos materiais ajuda a reduzir substancialmente esse risco. Em termos de resistência, o AlN suporta vibrações bastante intensas, como as encontradas em automóveis e aeronaves, resistindo a forças de até 50G. E há mais um benefício: o AlN permite camadas de isolamento tão finas quanto 0,3 mm, reduzindo o tamanho dos pacotes em quase metade, sem comprometer as propriedades de isolamento elétrico. Isso o torna ideal para miniaturizar componentes em sistemas de transmissão de veículos elétricos e em sistemas de energia renovável conectados à rede.
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