Substratul AlN se remarcă în special în gestionarea căldurii, având o conductivitate termică de aproximativ 170–200 W/mK. Acest lucru este destul de impresionant în comparație cu alte materiale precum oxidul de aluminiu, cu doar 20–30 W/mK, sau nitrura de siliciu, cu 15–35 W/mK, în condiții similare. Ceea ce face ca AlN să fie atât de bun este structura sa cristalină wurtzită unică. Această aranjare permite transferul eficient al căldurii prin material fără a compromite proprietățile electrice, menținând o izolație puternică de aproximativ 14 kV/mm. Modulele de putere care utilizează AlN prezintă în mod tipic o reducere a rezistenței termice cu 30–40% față de substraturile tradiționale pe bază de oxid. O cantitate mai mică de căldură acumulată înseamnă că semiconductoarele durează mai mult înainte de a eșua. Pentru cei care lucrează la proiecte de înaltă frecvență, acest tip de eficiență reduce efectiv nevoia de componente suplimentare de răcire. Rezultatul final? Sisteme care ocupă mai puțin spațiu, sunt mai ușoare și pot integra o putere mai mare în spații mai mici decât oricând înainte.
AlN menține o conductivitate termică impresionantă chiar și atunci când este foarte subțire, rămânând deasupra a 90% din valoarea sa în formă masivă, deoarece există puțină interferență din parte a împrăștierii fononilor la interfețe. Acest lucru îl face să se remarce în aplicațiile care implică filme subțiri sau straturi multiple, unde acumularea căldurii este o problemă frecventă. Rata de expansiune termică a materialului este de aproximativ 4,5 ppm pe Kelvin, ceea ce se potrivește destul de bine atât cu cipurile de siliciu, cât și cu cele de carbide de siliciu. Această potrivire reduce rezistența termică dintre materiale cu aproximativ 60% în comparație cu materiale precum alumina, care nu se potrivesc așa bine. Alături de această proprietate tehnici bune de metalizare, în special cupru legat direct (DBC), și observăm valori ale conductanței termice interfaciale care depășesc 3.000 W pe metru pătrat pe Kelvin. Aceste caracteristici fac din AlN un material potrivit pentru medii termice dificile, precum sistemele de putere din aeronave sau diodele laser puternice care trec prin schimbări extreme de temperatură ce depășesc diferențe de 200 de grade Celsius în funcționare normală.
Tranzistoarele MOSFET cu carbura de siliciu (SiC) împreună cu tranzistoarele HEMT cu nitru de galium (GaN) funcționează cel mai bine atunci când temperaturile lor de joncțiune rămân în limite strânse. Nitru de aluminiu (AlN) se remarcă prin faptul că conduce atât de bine căldura, încât reduce acele puncte fierbinți nedorite din interiorul modulelor de putere cu aproximativ 20–30 de grade Celsius. Acest lucru face o diferență majoră în prevenirea problemelor de tip runaway termic în aplicațiile de înaltă tensiune peste 1,2 kV, cum ar fi acționările motoarelor industriale sau sursele de alimentare pentru servere. Conform cunoștințelor noastre din studii de fiabilitate asemănătoare modelului Arrhenius, scăderea acestor temperaturi face ca dispozitivele să dureze semnificativ mai mult. De exemplu, tranzistoarele SiC MOSFET combinate cu AlN mențin un randament de aproximativ 98,5% chiar și la frecvențe de comutare de 50 kHz, fără a necesita ajustări ale performanței. Un alt avantaj important provine din compatibilitatea AlN cu materialele semiconductoare în ceea ce privește coeficienții de dilatare termică. Această compatibilitate previne stresul mecanic cauzat de schimbările de temperatură, ceea ce înseamnă că nu vor mai apărea microfisuri sau deteriorarea sudurilor după numeroasele cicluri de încălzire și răcire.
Managementul termic al inversoarelor de tracțiune pentru vehicule electrice trebuie să fie suficient de rezistent pentru a suporta vibrațiile, fluctuațiile de temperatură și căldura intensă generată de aceste sisteme puternice și compacte. Substraturile de nitru de aluminiu (AlN) permit ca sistemele de răcire să fie cu aproximativ 30% mai mici, dar încă capabile să gestioneze fluxuri termice de până la 500 W pe centimetru pătrat în configurațiile de baterii de 800 de volți. Acest material reduce temperaturile de joncțiune din interiorul modulelor hibride IGBT/SiC cu aproximativ 15–25 de grade Celsius, comparativ cu materialele ceramice obișnuite. Testele în condiții reale au arătat rezultate impresionante și. Microinversoarele solare instalate în zone deșertice au înregistrat o scădere a ratei de defectare cu 40% după doar cinci ani de funcționare. Turbinele eoliene echipate cu componente din AlN mențin o disponibilitate mai bună de 99% chiar și în condiții dificile de coastă, inclusiv aerul sărat, umiditatea și pornirea în temperaturi coborâte până la minus 40 de grade Celsius. Ceea ce face ca AlN să se remarce este capacitatea sa de a rezista la arcurile electrice în medii umede sau murdare, motiv pentru care devine atât de important în construirea unei infrastructuri fiabile și durabile în diverse aplicații de energie regenerabilă.
Lumea electronicii de putere are nevoie de suporturi care să gestioneze simultan trei aspecte importante: gestionarea eficientă a căldurii, rezistența în condiții dificile și oferirea unor opțiuni flexibile de ambalare. Nitridul de aluminiu îndeplinește toate aceste cerințe. Conductivitatea sa termică se situează între 170 și 200 W/mK, ceea ce înseamnă că disipează eficient căldura provenită de la componentele dense de putere, cum ar fi IGBT-urile și tiristoarele. În plus, coeficientul de dilatare termică de aproximativ 4,5 ppm/K funcționează foarte bine cu siliciul și cu noii semiconductori cu bandă largă, reducând astfel riscul de deformare a pieselor sau de defectare a sudurilor în condiții de variație termică. Standardele industriale stabilite de ASME arată că tensiunile mecanice cresc considerabil în pachetele stratificate – uneori peste 0,8% pentru fiecare schimbare de temperatură de 100 de grade. Totuși, compatibilitatea AlN cu diverse materiale ajută la reducerea semnificativă a acestui risc. Din punct de vedere al rezistenței, AlN rezistă vibrațiilor destul de severe întâlnite în autovehicule și aeronave, suportând forțe până la 50G. Iar un alt avantaj este acela că AlN permite straturi de izolație de doar 0,3 mm grosime, redus dimensiunile pachetelor aproape la jumătate, fără a compromite proprietățile de izolare electrică. Acest lucru îl face ideal pentru miniaturizarea componentelor din transmisiile vehiculelor electrice și din sistemele de energie regenerabilă conectate la rețea.
EN
