Hliníko-dusíkový substrát sa skutočne vyznačuje v oblasti odvádzania tepla, pričom jeho súčiniteľ tepelnej vodivosti je približne 170 až 200 W/mK. To je pomerne pôsobivé v porovnaní s inými materiálmi, ako je oxid hliníkový s hodnotou len 20 až 30 W/mK alebo dusičnan kremíka s 15 až 35 W/mK za podobných podmienok. To, čo robí AlN tak dobrým, je jeho jedinečná wurtzitová kryštálová štruktúra. Toto usporiadanie umožňuje efektívny prenos tepla materiálom bez poškodenia elektrických vlastností a udržiava silnú izoláciu okolo 14 kV/mm. Výkonové moduly s použitím AlN zvyčajne vykazujú zníženie tepelnej odolnosti o 30 až 40 % oproti tradičným oxídovým substrátom. Menej nahromadeného tepla znamená dlhšiu životnosť polovodičov pred ich poruchou. Pre tých, ktorí pracujú na návrhoch pre vysoké frekvencie, táto účinnosť skutočne znižuje potrebu dodatočných chladiacich komponentov. Výsledkom je? Systémy, ktoré zaberie menej miesta, sú ľahšie a dokážu zmestiť viac výkonu do menších balení, než bolo kedykoľvek predtým možné.
AlN udržiava pôsobivú tepelnú vodivosť aj pri veľmi malej hrúbke, pričom zostáva vyššia ako 90 % hodnoty v hromadnej forme, pretože interferencia spôsobená rozptylom fonónov na rozhraniach je minimálna. To ho odlišuje v aplikáciách zahŕňajúcich tenké vrstvy alebo viacvrstvové štruktúry, kde je problémom nahromadenie tepla. Miera tepelnej rozťažnosti materiálu je približne 4,5 ppm na kelvin, čo dobre zodpovedá kremíkovým a karbidokremíkovým čipom. Tento súlad zníži tepelný odpor medzi materiálmi približne o 60 % v porovnaní s materiálmi ako napríklad alumina, ktoré sa navzájom menej zhodujú. V spojení s vhodnými technikami metalizácie, najmä priame viazanej medi (DBC), dosahujeme hodnoty interfaciálnej tepelnej vodivosti vyššie ako 3 000 W na meter štvorcový na kelvin. Tieto vlastnosti robia AlN vhodným pre náročné tepelné prostredia, ako sú napájacie systémy lietadiel alebo výkonné laserové diódy, ktoré prechádzajú extrémnymi zmenami teploty s rozdielmi prevyšujúcimi 200 °C počas bežnej prevádzky.
Karbид kremíka (SiC) MOSFETy spolu s nitridom galníkom (GaN) HEMTmi pracujú najlepšie, keď sa ich teplota pripojenia udržuje v úzkych medziach. Nitrid hliníka (AlN) sa vyznačuje výbornou tepelnou vodivosťou, ktorá zníži problematické horúce miesta vo vnútri výkonových modulov o približne 20 až 30 stupňov Celzia. To predstavuje významný rozdiel pri prevencii problémov s tepelným behom v aplikáciách s vysokým napätím nad 1,2 kV, ako sú priemyselné pohony motorov alebo napájacie zdroje pre servery. Podľa poznatkov z štúdií spoľahlivosti podobných Arrheniovmu modelu má zníženie týchto teplôt výrazný vplyv na predĺženie životnosti zariadení. Napríklad SiC MOSFETy v kombinácii s AlN udržujú účinnosť približne 98,5 %, aj keď prepínajú pri frekvenciách 50 kHz, a to bez potreby akýchkoľvek úprav výkonu. Ďalšou dôležitou výhodou je, ako sa AlN zhoduje s polovodičovými materiálmi z hľadiska tepelnej rozťažnosti. Táto kompatibilita zabraňuje mechanickému namáhaniu spôsobenému zmenami teploty, čo znamená, že sa nevytvárajú mikropraskliny ani neopotrebúvajú spoje spájkované počas opakovaných cyklov ohrevu a chladenia.
Termálne riadenie pre trakčné invertory elektrických vozidiel musí byť dostatočne odolné voči vibráciám, kolísaniu teplôt a intenzívnemu teplu generovanému týmito kompaktnými výkonovými systémami. Podložky z dusičnanu hliníka (AlN) umožňujú zmenšiť chladiace systémy približne o 30 % a zároveň dokážu odvádzať tepelné toky až do výšky 500 W na štvorcový centimeter pri týchto batériách s napätím 800 V. Tento materiál znižuje prevádzkové teploty vnútri hybridných modulov IGBT/SiC približne o 15 až 25 stupňov Celzia v porovnaní s bežnými keramickými materiálmi. Reálne testovanie ukázalo tiež pôsobivé výsledky. Solárne mikroinvertory umiestnené v púštnych oblastiach vykázali pokles miery porúch o 40 % po päťročnej prevádzke. Veterné turbíny vybavené komponentmi z AlN udržiavajú viac ako 99 % dostupnosti aj za extrémnych podmienok pribrežných oblastí vrátane slaného vzduchu, vlhkosti a štartovania pri teplotách až mínus 40 stupňov Celzia. To, čo robí AlN vynikajúcim, je jeho schopnosť odolávať elektrickým oblúkom vo vlhkom alebo znečistenom prostredí, čo je dôvod, prečo sa stáva tak dôležitým pri výstavbe spoľahlivej a trvalo udržateľnej infraštruktúry vo viacerých oblastiach obnoviteľnej energie.
Svet výkonovej elektroniky potrebuje substráty, ktoré dokážu naraz zvládnuť tri dôležité veci: efektívne riadenie tepla, odolnosť vo vyhraných podmienkach a flexibilné možnosti zabudovania. Dusitan hliníka spĺňa všetky tieto požiadavky. Jeho tepelná vodivosť sa pohybuje medzi 170 a 200 W/mK, čo znamená, že efektívne odvádza teplo od husto zabudovaných výkonových komponentov, ako sú IGBT alebo tyristory. Navyše koeficient tepelnej rozťažnosti okolo 4,5 ppm/K je veľmi vhodný pre kremík a novšie polovodiče s širokou zakázanou pásiou, čo výrazne zníži riziko deformácie súčiastok alebo porúch spojov pri kolísaní teplôt. Podľa priemyselných noriem ASME sa v vrstvených baleniach môže mechanické namáhanie značne zvyšovať – niekedy viac než o 0,8 % pri každej zmene teploty o 100 °C. Kompatibilita AlN s rôznymi materiálmi však tento riziko výrazne zníži. Čo sa týka pevnosti, AlN odoláva náročným vibráciám v automobiloch a lietadlách až do hodnoty 50G. A tu je ďalšia výhoda: AlN umožňuje izolačné vrstvy hrubé len 0,3 mm, čím sa zmenší veľkosť balenia takmer na polovicu, a to bez straty elektrickej izolačnej schopnosti. To ho robí ideálnym pre miniaturizáciu komponentov v pohonoch elektromobilov a v obnoviteľných zdrojoch energie pripojených do siete.
EN
