Подложка из AlN действительно выделяется при управлении теплом, демонстрируя показатели теплопроводности около 170–200 Вт/м·К. Это весьма впечатляет по сравнению с другими материалами, такими как оксид алюминия (всего 20–30 Вт/м·К) или нитрид кремния (15–35 Вт/м·К) в аналогичных условиях. Уникальная кристаллическая структура вюртцита делает AlN настолько эффективным. Такое расположение позволяет теплу эффективно проходить через материал, не ухудшая электрических свойств, и обеспечивает надёжную изоляцию с напряжением около 14 кВ/мм. Модули питания на основе AlN обычно демонстрируют снижение теплового сопротивления на 30–40 % по сравнению с традиционными оксидными подложками. Меньшее накопление тепла означает, что полупроводники служат дольше до выхода из строя. Для специалистов, работающих над конструкциями высокой частоты, такая эффективность фактически сокращает необходимость во вспомогательных системах охлаждения. Конечный результат? Системы, которые занимают меньше места, имеют меньший вес и обеспечивают более высокую мощность в компактных корпусах, чем это было возможно ранее.
AlN сохраняет впечатляющую теплопроводность даже в очень тонких слоях, оставаясь выше 90% по сравнению с его объёмной формой, поскольку интерфейсное рассеяние фононов вызывает незначительные помехи. Это делает его особенно привлекательным для применений, связанных с тонкими плёнками или многослойными структурами, где накопление тепла является распространённой проблемой. Коэффициент теплового расширения материала составляет около 4,5 ppm на Кельвин, что достаточно хорошо соответствует показателям кристаллов кремния и карбида кремния. Такое соответствие снижает тепловое сопротивление между материалами на ~60% по сравнению с такими материалами, как глинозём, которые не сочетаются так хорошо. В сочетании с качественными методами металлизации, особенно с медными слоями, нанесёнными напрямую (DBC), достигаются значения межфазной теплопроводности свыше 3000 Вт на квадратный метр на Кельвин. Эти характеристики делают AlN пригодным для работы в суровых тепловых условиях, например, в силовых системах летательных аппаратов или мощных лазерных диодах, которые в ходе обычной эксплуатации проходят через экстремальные перепады температур, превышающие 200 градусов Цельсия.
Карбид кремния (SiC) MOSFET и транзисторы на основе нитрида галлия (GaN) HEMT работают лучше всего, когда температура их переходов остаётся в строго определённых пределах. Нитрид алюминия (AlN) выделяется тем, что обладает настолько высокой теплопроводностью, что снижает образование проблемных горячих точек внутри силовых модулей примерно на 20–30 градусов Цельсия. Это существенно помогает предотвратить проблемы, связанные с тепловым разгоном, в высоковольтных приложениях свыше 1,2 кВ, таких как приводы промышленных двигателей или источники питания серверов. Согласно данным исследований надёжности, аналогичным модели Аррениуса, снижение температуры значительно увеличивает срок службы устройств. Например, SiC MOSFET в сочетании с AlN сохраняют рабочую эффективность на уровне около 98,5 % даже при частоте переключения 50 кГц без необходимости корректировки производительности. Другое важное преимущество заключается в том, что коэффициент теплового расширения AlN хорошо согласуется с полупроводниковыми материалами. Эта совместимость предотвращает механические напряжения, вызванные перепадами температур, благодаря чему не возникают микротрещины и не изнашиваются паяные соединения после многократных циклов нагрева и охлаждения.
Система терморегулирования тяговых инверторов электромобилей должна быть достаточно надежной, чтобы выдерживать вибрации, перепады температур и сильный нагрев, возникающий в этих компактных силовых системах. Подложки из нитрида алюминия (AlN) позволяют уменьшить размеры систем охлаждения примерно на 30%, при этом эффективно отводя тепловые потоки до 500 Вт на квадратный сантиметр в системах с напряжением 800 вольт. Этот материал снижает температуру перехода внутри гибридных модулей IGBT/SiC примерно на 15–25 градусов Цельсия по сравнению с обычными керамическими материалами. Результаты реальных испытаний также оказались впечатляющими. Солнечные микропреобразователи, установленные в пустынных районах, показали снижение частоты отказов на 40% после пяти лет эксплуатации. Ветряные турбины с компонентами из AlN демонстрируют более 99% времени безотказной работы даже в жестких прибрежных условиях — при воздействии соленого воздуха, влаги и запуске при температурах до минус 40 градусов Цельсия. Особенностью AlN является его способность противостоять электрическим дугам во влажной или загрязненной среде, что делает его особенно важным для создания надежной и долговечной инфраструктуры в различных приложениях возобновляемой энергетики.
Мир силовой электроники требует подложек, которые одновременно справляются с тремя важными задачами: эффективным управлением теплом, долговечностью в тяжёлых условиях и гибкими вариантами упаковки. Нитрид алюминия соответствует всем этим требованиям. Его теплопроводность находится в диапазоне от 170 до 200 Вт/мК, что позволяет эффективно отводить тепло от плотных силовых компонентов, таких как IGBT и тиристоры. Кроме того, коэффициент теплового расширения около 4,5 ppm/К очень хорошо сочетается с кремнием и новыми полупроводниками с широкой запрещённой зоной, что снижает риск деформации деталей или повреждения паяных соединений при колебаниях температуры. Стандарты промышленности, установленные ASME, показывают, что механические напряжения накапливаются значительно в многослойных упаковках — иногда более 0,8% на каждые 100 градусов изменения температуры. Однако совместимость AlN с различными материалами значительно снижает этот риск. Что касается прочности, AlN устойчив к сильным вибрациям, встречающимся в автомобилях и самолётах, и выдерживает нагрузки до 50G. И ещё одно преимущество: AlN допускает изоляционные слои толщиной до 0,3 мм, уменьшая размеры упаковки почти вдвое без потери электроизоляционных свойств. Это делает его идеальным для миниатюризации компонентов в силовых установках электромобилей (EV) и системах возобновляемой энергетики, подключённых к сети.
EN
