AlN-substratet sticker verkligen ut när det gäller värme hantering, med termisk ledningsförmåga i intervallet cirka 170 till 200 W/mK. Det är ganska imponerande jämfört med andra material som aluminiumoxid med endast 20 till 30 W/mK eller kiselnitrid med 15 till 35 W/mK under liknande förhållanden. Vad som gör AlN så bra är dess unika wurtzit-kristallstruktur. Denna anordning gör att värme kan röra sig effektivt genom materialet utan att påverka de elektriska egenskaper, samtidigt som det bibehåller stark isolering vid ungefär 14 kV/mm. Effektmobiler som använder AlN visar typiskt en minskning av termiskt motstånd med 30 till 40 % jämfört med traditionella oxidsubstrat. Mindre värmeackumulering innebär att halvledare håller längre innan de går sönder. För dem som arbetar med högfrekvensdesigner minskar denna typ av effektivitet faktiskt behovet av extra kyldelar. Slutresultatet? System som tar upp mindre utrymme, väger mindre och packar mer effekt i mindre paketering än någonsin tidigare möjligt.
AlN bibehåller imponerande värmeledningsförmåga även när det är mycket tunt, och ligger kvar över 90 % av vad det skulle vara i massiv form eftersom det inte uppstår mycket störning från fononspridning vid gränssnitt. Detta gör det framstående för tillämpningar som involverar tunna filmer eller flera lager där värmeackumulering är ett vanligt problem. Materialets värmexpansionskoefficient ligger på ungefär 4,5 ppm per Kelvin, vilket stämmer väl överens med både kisel och siliciumkarbid-dies. Den här anpassningen minskar termisk resistans mellan material med cirka 60 % jämfört med material som aluminiumoxid som inte passar lika bra. Kombineras denna egenskap med goda metalliseringstekniker, särskilt direkt bunden koppar (DBC), så ser vi att den termiska ledningsförmågan vid gränssnittet överstiger 3 000 W per kvadratmeter per Kelvin. Dessa egenskaper gör AlN lämpligt för hårda termiska miljöer, såsom effektsystem i flygplan eller kraftfulla laserdioder som genomgår extrema temperaturförändringar som överstiger 200 grader Celsius skillnad under normal drift.
Siliciumkarbid (SiC) MOSFET:ar tillsammans med galliumnitrid (GaN) HEMT:er fungerar bäst när deras junctiontemperaturer hålls inom strama gränser. Aluminiumnitrid (AlN) sticker ut eftersom det leder värme så bra att det minskar de irriterande heta punkterna inuti effektmoduler med cirka 20 till 30 grader Celsius. Detta gör en stor skillnad för att förhindra termiskt genomslag i högspänningsapplikationer över 1,2 kV, som industriella motordrivningar eller serverströmförsörjning. Enligt tillförlitlighetsstudier liknande Arrhenius modell innebär sänkta temperaturer faktiskt att komponenter håller mycket längre. Ta till exempel SiC MOSFET:ar kombinerade med AlN – de behåller en verkningsgrad på cirka 98,5 % även vid switchning med frekvenser på 50 kHz utan att kräva några prestandajusteringar. En annan viktig fördel är hur väl AlN matchar halvledarmaterial när det gäller expansionshastigheter. Denna kompatibilitet förhindrar mekanisk spänning orsakad av temperaturförändringar, vilket innebär att mikrocracks inte längre bildas och att lödfogar inte slits ut efter alla cykler av uppvärmning och avkylning.
Den termiska hanteringen för elmotorers drivomvandlare måste vara tillräckligt robust för att hantera vibrationer, temperatursvängningar och den intensiva värme som genereras av dessa kompakta kraftsystem. Substrat av aluminiumnitrid (AlN) gör att kylsystem kan bli ungefär 30 % mindre utan att kompromissa med sin förmåga att hantera värmeflux upp till 500 W per kvadratcentimeter i dessa 800 volts batterisystem. Detta material minskar junctionstemperaturen inuti IGBT/SiC-hybridmodulerna med cirka 15 till 25 grader Celsius jämfört med vanliga keramiska material. Verkliga tester har också visat imponerande resultat. Solcellsmikroinverterare placerade i ökenmiljöer har sett sin felfrekvens sjunka med 40 % redan efter fem års drift. Vindkraftverk utrustade med AlN-komponenter upprätthåller en tillgänglighet på över 99 % även under hårda kustnära förhållanden inklusive saltluft, fukt och igångsättning vid temperaturer så låga som minus 40 grader Celsius. Vad som gör AlN framstående är dess förmåga att motstå elektriska bågar i fuktiga eller smutsiga miljöer, vilket är anledningen till att det blir allt viktigare för byggandet av tillförlitlig och hållbar infrastruktur inom olika förnybara energianläggningar.
Världen av kraftelektronik behöver substrat som kan hantera tre stora saker samtidigt: effektiv värmeledning, hållbarhet i tuffa förhållanden och flexibla förpackningsalternativ. Aluminiumnitrid uppfyller alla dessa krav. Dess värmeledningsförmåga ligger mellan 170 och 200 W/mK, vilket innebär att den effektivt för bort värme från täta kraftkomponenter som IGBT:ar och tyristorer. Dessutom passar termiska expansionskoefficienten på cirka 4,5 ppm/K mycket bra till silikon och de nyare breda bandgap-halvledarna, vilket minskar risken för att komponenter ska böjas eller att lödfogar går sönder vid temperaturväxlingar. Industristandarder från ASME visar att mekanisk töjning byggs upp avsevärt i lagerade paket – ibland över 0,8 % per 100 graders temperaturförändring. Men AlN:s kompatibilitet med olika material hjälper till att minska denna risk avsevärt. När det gäller hållfasthet tål AlN ganska hårda vibrationer som förekommer i bilar och flygplan, och klarar krafter upp till 50G. Och här är ytterligare en fördel: AlN tillåter isoleringslager så tunna som 0,3 mm, vilket minskar förpackningsstorleken med nästan hälften utan att offra elektrisk isoleringsegenskaper. Det gör det idealiskt för att minska komponenter i drivlinor för elfordon och förnybara energisystem anslutna till elnätet.
EN
