Talagang nakatatakbu ang AlN substrate pagdating sa pagmamaneho ng init, na may mga bilang ng thermal conductivity na nasa 170 hanggang 200 W/mK. Napakaimpresibong ito kumpara sa iba pang materyales tulad ng aluminum oxide na may 20 hanggang 30 W/mK o silicon nitride na may 15 hanggang 35 W/mK sa magkatulad na kondisyon. Ang nagpapagaling sa AlN ay ang kanyang natatanging wurtzite crystal structure. Pinahihintulutan ng ayos na ito ang init na lumipat nang mahusay sa materyales nang hindi sinisira ang mga katangian nito sa kuryente, na nagpapanatili ng matibay na insulasyon na nasa humigit-kumulang 14 kV/mm. Karaniwang ipinapakita ng mga power module na gumagamit ng AlN ang pagbawas ng thermal resistance ng 30 hanggang 40% kumpara sa tradisyonal na oxide substrates. Ang mas kaunting pag-iral ng init ay nangangahulugan na mas matagal bago mabigo ang mga semiconductor. Para sa mga gumagawa ng high frequency designs, ang ganitong uri ng kahusayan ay talagang nababawasan ang pangangailangan para sa karagdagang bahagi ng paglamig. Ano ang resulta? Mga sistema na kumuha ng mas kaunting espasyo, mas magaan ang timbang, at mas malakas ang puwersa sa loob ng mas maliit na pakete kaysa dati.
Nagpapanatili ang AlN ng kamangha-manghang konduktibidad termal kahit kapag manipis na, nananatili ito sa mahigit 90% ng halaga nito sa bulk form dahil limitado ang interference mula sa phonon scattering sa mga interface. Dahil dito, nakikilala ito para sa mga aplikasyon na kinasasangkutan ng manipis na pelikula o maramihang layer kung saan karaniwang problema ang pag-iral ng init. Ang rate ng thermal expansion nito ay nasa humigit-kumulang 4.5 ppm bawat Kelvin, na maganda ang pagkakatugma sa parehong silicon at silicon carbide dies. Ang pagkakatugmang ito ay nagpapababa ng thermal resistance sa pagitan ng mga materyales ng humigit-kumulang 60% kumpara sa mga materyales tulad ng alumina na hindi gaanong magkakatugma. Kapag pinagsama ang katangiang ito sa maayos na mga teknik sa metallization, lalo na ang direct bonded copper (DBC), ang mga bilang ng interfacial thermal conductance ay lumalampas na sa 3,000 W bawat square meter kada Kelvin. Ang mga katangiang ito ang nagiging sanhi upang ang AlN ay angkop sa matitinding thermal environment, tulad ng power system sa eroplano o malalakas na laser diode na dumadaan sa matitinding pagbabago ng temperatura na umaabot sa higit sa 200 degree Celsius na pagkakaiba sa normal na operasyon.
Ang Silicon Carbide (SiC) MOSFETs at Gallium Nitride (GaN) HEMTs ay gumaling ng husto kapag ang temperatura ng kanilang mga sambungan ay nasa loob ng masikip na limitasyon. Ang Aluminum Nitride (AlN) ay nakatindig dahil sa kanyang kakayahong magpalipat ng init nang husto, na nagpababa ng mga hindi kanais-nais na mainit na lugar sa loob ng mga power module ng mga 20 hanggang 30 degree Celsius. Ang ganitong pagbawas ay nagdulot ng malaking pagkakaiba sa pagpigil sa mga problema dulot ng thermal runaway sa mataas na voltage na aplikasyon na higit sa 1.2 kV tulad ng mga industrial motor drive o server power supply. Ayon sa mga pag-aaral sa kahusayan na katulad ng Arrhenius model, ang pagbaba ng temperatura ay nagpapataas ng haba ng buhay ng mga device. Halimbawa, ang SiC MOSFETs na pinagsama sa AlN ay nagpapanatibong gumagana sa halos 98.5% na kahusayan kahit sa 50 kHz na frequency nang walang pangangailangang i-adjust ang pagganap. Ang isa pang mahalagang benepyo ay ang pagkakatugma ng AlN sa mga semiconductor material sa pagpapalawak ayon sa temperatura. Ang ganitong pagkakatugma ay humihinto sa mekanikal na tensyon dulot ng pagbabago ng temperatura, na nangangahulugan na hindi na bumubuo ang mga mikro-crack o nasira ang mga solder joint matapos ng maraming beses ng pag-init at paglamig.
Ang thermal management para sa mga electric vehicle traction inverter ay kailangang sapat na matibay upang mapagtagumpayan ang mga pagbibrigada, pagbabago ng temperatura, at ang matinding init na nabubuo ng mga compact power system na ito. Ang mga aluminum nitride (AlN) substrates ay nagpapaliit ng mga cooling system ng halos 30%, habang patuloy pa ring nakakapaghawak ng init na umaabot sa 500 W bawat sentimetro kuwadrado sa mga 800 volt na baterya. Binabawasan ng materyal na ito ang junction temperature sa loob ng mga IGBT/SiC hybrid module ng humigit-kumulang 15 hanggang 25 degree Celsius kumpara sa karaniwang ceramic materials. Nagpakita rin ang mga tunay na pagsusuri ng mga kahanga-hangang resulta. Ang mga solar microinverter na inilagay sa mga lokasyon sa disyerto ay nakaranas ng 40% na pagbaba sa failure rate pagkalipas lamang ng limang taon ng operasyon. Ang mga wind turbine na may AlN components ay nagpapanatili ng higit sa 99% uptime kahit sa harap ng mahihirap na coastal condition tulad ng maalat na hangin, kahalumigmigan, at pagkakabit sa temperatura na maaaring umabot sa minus 40 degree Celsius. Ang nagpapahindi sa AlN ay ang kakayahang lumaban sa electrical arcs sa mga mamasa-masang o maruruming kapaligiran, kaya naging mahalaga ito sa pagbuo ng maaasahan at matibay na imprastraktura sa iba't ibang aplikasyon ng renewable energy.
Ang mundo ng power electronics ay nangangailangan ng mga substrate na kayang magproseso nang sabay sa tatlong mahahalagang aspeto: mahusay na pamamahala ng init, matibay na pagtitiis sa mahihirap na kondisyon, at fleksibilidad sa opsyon ng pagpoposisyon. Ang aluminum nitride (AlN) ay natutugunan ang lahat ng mga kriteriyong ito. Ang thermal conductivity nito ay nasa pagitan ng 170 at 200 W/mK, na nangangahulugan na epektibong iniiwan ng init mula sa mga masinsinang power component tulad ng IGBTs at thyristors. Bukod dito, ang coefficient of thermal expansion na mga 4.5 ppm/K ay lubos na tugma sa silicon at sa mga bagong wide bandgap semiconductors, kaya nababawasan ang posibilidad na magkaroon ng pagbaluktot ang mga bahagi o mabigo ang mga solder joints kapag nagbabago ang temperatura. Ayon sa mga pamantayan ng industriya na itinakda ng ASME, malaki ang nabubuong mechanical strain sa mga layered package—minsan ay higit sa 0.8% bawat 100 degree na pagbabago ng temperatura. Ngunit dahil sa kakayahang magkakasabay ng AlN sa iba't ibang materyales, malaki ang pagbaba ng ganitong uri ng panganib. Sa usapin ng lakas, ang AlN ay tumitigil sa napakalupit na pagvivibrate na nararanasan sa mga sasakyan at eroplano, at nakakatiis ng mga puwersa hanggang 50G. At narito pa ang isa pang plus: pinapayagan ng AlN ang mga insulation layer na manipis hanggang 0.3mm, na pumipigil sa laki ng package ng halos kalahati nang hindi sinasakripisyo ang electrical insulation properties. Dahil dito, mainam ito para mapaliit ang mga komponente sa drivetrain ng electric vehicle at sa mga renewable energy system na konektado sa grid.
EN
