เหตุใดซับสเตรตไนไตรด์ของอลูมิเนียมดีสำหรับการกระจายความร้อนในอิเล็กทรอนิกส์กำลัง?

การนำความร้อนที่ยอดเยี่ยม: ข้อได้เปรียบหลักของสารตั้งต้นไนไตรด์ของอลูมิเนียม

เปรียบเทียบการนำความร้อน: ไนไตรด์ของอลูมิเนียม เทียบกับออกไซด์ของอลูมิเนียมและไนไตรด์ของซิลิคอน

ซับสเตรต AlN โดดเด่นอย่างชัดเจนในการจัดการความร้อน โดยมีค่าการนำความร้อนอยู่ประมาณ 170 ถึง 200 W/mK ´ซึ่งค่อนmente น่าประทับใจเมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุอื่นๆ เช่นอลูมิเนียมออกไซด์ที่เพียง 20 ถึง 30 W/mK หรือซิลิคอนไนไตรด์ที่ 15 ถึง 35 W/mK ในสภาวะที่คล้ายคลึง ความดีของ AlN มาจากโครงสร้างผลึกแบบวูร์ไซต์ที่เป็นเอกลักษณ์ โครงสร้างนี้ช่วยให้ความร้อนสามารถเคลื่อนผ่านวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยไม่กระทบคุณสมบัติทางไฟฟ้า และยังคงรักษาคุณสมบัติเป็นฉนวนที่แข็งแรงอยู่ที่ประมาณ 14 kV/mm โมดูลกำลังที่ใช้ AlN โดยทั่วมักแสดงค่าความต้านทานความร้อนที่ลดลง 30 ถึง 40% เมื่อเทียบกับซับสเตรตออกไซด์แบบดั้งเดิม การสะสมความร้อนที่ลดต่ำส่งผลให้เซมิคอนดักเตอร์มีอายการใช้งานยาวนานก่อนเกิดความเสียหาย สำผู้ที่ทำงานออกแบบความถี่สูง ประสิทธิภาพในลักษณะนี้จริงสามารถลดความต้องการชิ้นส่วนระบายความร้อนเพิ่มเติม ผลสุดท้ายคือ ระบบที่ใช้พื้นที่น้อยกว่า น้ำหนักเบากว่า และสามารถบรรจุพลังมากกว่าลงในแพ็คเกจที่เล็กลงกว่าที่เคยเป็นไปก่อนนี้

การรักษาสมรรถนะทางความร้อนสูงในโครงสร้างแบบฟิล์มบางและอินเทอร์เฟซที่ถูกจำกัด

AlN ยังคงมีค่าการนำความร้อนที่น่าประทับใจแม้จะบางมาก โดยยังคงไว้ซึ่งค่ามากกว่า 90% ของค่าในรูปแบบก้อนเนื่องจากการกระเจิงของโฟนอนที่ผิวสัมผัสไม่ก่อให้เกิดอุปสรรคมากนัก ส่งผลให้วัสดุนี้โดดเด่นสำหรับการใช้งานในรูปแบบฟิล์มบางหรือชั้นหลายชั้น ซึ่งมักมีปัญหาการสะสมความร้อน อัตราการขยายตัวทางความร้อนของวัสดุนี้อยู่ที่ประมาณ 4.5 ppm ต่อเคลวิน ซึ่งสอดคล้องกันได้ดีกับทั้งชิปซิลิคอนและซิลิคอนคาร์ไบด์ ส่งผลให้ความต้านทานความร้อนระหว่างวัสดุลดลงประมาณ 60% เมื่อเทียบกับวัสดุอย่างอลูมินาที่ไม่เข้ากันได้ดีนัก เมื่อนำคุณสมบัตินี้มาใช้ร่วมกับเทคนิคการเคลือบโลหะที่มีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะการเชื่อมทองแดงโดยตรง (DBC) จะทำให้ค่าการนำความร้อนที่ผิวสัมผัสสูงเกิน 3,000 วัตต์ต่อตารางเมตรต่อเคลวิน คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้ AlN เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมที่มีความเครียดทางความร้อนสูง เช่น ระบบพลังงานในอากาศยาน หรือไดโอดเลเซอร์กำลังสูง ที่ต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรงซึ่งอาจมีความแตกต่างเกิน 200 องศาเซลเซียสในระหว่างการปฏิบัติงานปกติ

ประสิทธิภาพการระบายความร้อนในสภาวะจริงสำหรับการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง

การลดอุณหภูมิที่ขั้วต่อในโมดูล SiC MOSFET และ GaN HEMT โดยใช้ซับสเตรตอลูมิเนียมไนไตรด์

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) MOSFETs ร่วมกับ GaN HEMTs จะทำงานได้ดีที่สุดเมื่ออุณหภูมิของข้อต่ออยู่ในช่วงจำกัดอย่างแน่นหนา อลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) มีความโดดเด่นเนื่องจากสามารถนำความร้อนได้ดีมาก จนช่วยลดจุดร้อนที่ไม่พึงประสงค์ภายในโมดูลกำลังลงได้ประมาณ 20 ถึง 30 องศาเซลเซียส สิ่งนี้มีบทบาทสำคัญในการป้องกันปัญหาการเพิ่มอุณหภูมิอย่างไม่สามารถควบคุมได้ (thermal runaway) ในงานประยุกต์ใช้งานแรงดันสูงเกิน 1.2 กิโลโวลต์ เช่น ไดรฟ์มอเตอร์อุตสาหกรรมหรือแหล่งจ่ายไฟสำหรับเซิร์ฟเวอร์ จากการศึกษาด้านความน่าเชื่อถือที่อ้างอิงแบบจำลองอาร์เรนีอุส (Arrhenius model) การลดอุณหภูมิดังกล่าวจะช่วยยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ให้ยาวนานขึ้นอย่างมาก ตัวอย่างเช่น SiC MOSFETs ที่ใช้ร่วมกับ AlN ยังคงทำงานที่ประสิทธิภาพประมาณ 98.5% แม้จะสลับที่ความถี่ 50 กิโลเฮิรตซ์ โดยไม่จำเป็นต้องปรับปรุงประสิทธิภาพเพิ่มเติม อีกประโยชน์สำคัญหนึ่งคือการที่ AlN มีอัตราการขยายตัวทางความร้อนที่เข้ากันได้ดีกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ความเข้ากันนี้ช่วยป้องกันความเครียดทางกลที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ หมายความว่าจะไม่มีการเกิดรอยแตกร้าวขนาดเล็ก (microcracks) หรือข้อต่อตะกั่วเสื่อมสภาพหลังจากรอบการให้ความร้อนและระบายความร้อนหลายครั้ง

การเพิ่มความน่าเชื่อถือในอินเวอร์เตอร์แรงดันสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า (EV) และเครื่องแปลงพลังงานหมุนเวียน

การจัดการความร้อนสำหรับอินเวอร์เตอร์แรงดันสูงในยานยนต์ไฟฟ้าจำเป็นต้องมีความทนทานเพียงพอเพื่อรับมือกับการสั่นสะเทือน การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ และความร้อนที่เข้มข้น ´´´´´ซึ่งเกิดจากระบบนี้ที่มีขนาดกะทัดรัด ซับสเตรตไนไตรด์ของอลูมิเนียม (AlN) ทำให้ระบบระบายความร้อนมีขนาดเล็กร้อยประมาณ 30% แต้ยังสามารถจัดการกับความร้อนที่มีความเข้มข้นสูงถึง 500 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตรในระบแบตเตอรี่ที่มีแรงดัน 800 โวลต์ วัสดุนี้ช่วยลดอุณหภูมิที่ขั้วต่อภายในโมดูลไฮบริด IGBT/SiC ลงประมาณ 15 ถึง 25 องศาเซลเซียสเมื่ีเทียบกับวัสดุเซรามิกทั่วทั่ว ผลการทดสอบในสภาพแวดล้อมจริงก็ได้แสดงผลที่น่าประทับใจ เช่น ไมโครอินเวอร์เตอร์พลังแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งในพื้นท้องทะเลทรายมีอัตราการเสียเสียลดลง 40% หลังจากการดำเนินงานเป็นระยะเวลา 5 ปี และกังหันลมที่ติดตั้งส่วนประกอบ AlN สามารถรักษาอัตราการใช้งานที่ดีกว่า 99% แม้ในสภาวะชายฝั่งที่รุนรุน รวมถึงอากาศเค็ม ความชื้น และการสตาร์ทที่อุณหภูมิต่ำถึงลบ 40 องศาเซลเซียส สิ่งที่ทำให้ AlN โดดเด่นคือความสามารถในการต้านทานการเกิดอาร์กไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมที่ชื้นหรือสกปรก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมมันจึงมีความสำคัญมากขึ้นสำหรับการสร้างโครงสร้างพื้นฐานที่เชื่ื่อมและทนทานในหลากหลายการประยุกต์ใช้พลังงานหมุนเวียน

การถ่วาระดุลความต้องทางความร้อน กลไก และข้อกำหนดการบรรจุภัณฑ์

โลกของอิเล็กทรอนิกส์กำลังต้องการซับสเตรตที่สามารถจัดการกับสามสิ่งสำคัญพร้อมกันได้ ได้แก่ การจัดการความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ ความทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่รุนแรง และตัวเลือกการบรรจุภัณฑ์ที่ยืดหยุ่น อะลูมิเนียมไนไตรด์ (Aluminum Nitride) มีคุณสมบัติครบทุกข้อเหล่านี้ ความสามารถในการนำความร้อนของมันอยู่ในช่วง 170 ถึง 200 วัตต์/เมตรเคลวิน ซึ่งหมายความว่าสามารถดึงความร้อนออกจากชิ้นส่วนกำลังไฟที่มีความหนาแน่นสูง เช่น IGBTs และไทแรสเตอร์ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ สัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนที่ประมาณ 4.5 ppm/K ยังทำงานได้ดีมากกับซิลิคอนและสารกึ่งตัวนำชนิดแบนด์แกปกว้างรุ่นใหม่ ทำให้มีโอกาสน้อยลงที่ชิ้นส่วนจะโก่งตัวหรือข้อต่อตะกั่วหลอมละลายจะเสียหายเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ตามมาตรฐานอุตสาหกรรมของ ASME แสดงให้เห็นว่าความเครียดทางกลจะสะสมขึ้นอย่างมากในแพ็คเกจแบบชั้นๆ บางครั้งอาจเกิน 0.8% ต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ 100 องศา แต่ความเข้ากันได้ของ AlN กับวัสดุต่างๆ ช่วยลดความเสี่ยงนี้ลงได้อย่างมาก ในแง่ของความแข็งแรง AlN สามารถทนต่อการสั่นสะเทือนรุนแรงที่พบในรถยนต์และเครื่องบิน รองรับแรงได้สูงถึง 50G อีกทั้งยังมีข้อดีอีกประการหนึ่ง คือ AlN ช่วยให้สามารถใช้ชั้นฉนวนที่บางเพียง 0.3 มม. ทำให้ขนาดของแพ็คเกจลดลงเกือบครึ่ง โดยไม่ต้องเสียคุณสมบัติการเป็นฉนวนไฟฟ้า จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการลดขนาดชิ้นส่วนในระบบขับเคลื่อนของรถยนต์ไฟฟ้า (EV) และระบบที่เกี่ยวข้องกับพลังงานหมุนเวียนที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า