AlN altlık, ısı yönetimi açısından gerçekten dikkat çeker ve termal iletkenliği yaklaşık 170 ila 200 W/mK arasındadır. Benzer koşullarda alüminyum oksitten sadece 20 ila 30 W/mK ya da silisyum nitrürden 15 ila 35 W/mK değerlerine kıyasla oldukça etkileyicidir. AlN'yi bu kadar iyi yapan şey, eşsiz wurtzit kristal yapısıdır. Bu yapı, malzeme içindeki elektriksel özellikleri zayıflatmadan ısıyı verimli bir şekilde iletmeyi sağlar ve yaklaşık 14 kV/mm'de güçlü yalıtım özelliğini korur. AlN kullanan güç modülleri, geleneksel oksit altlıklara göre tipik olarak ısıl dirençte %30 ila %40 azalma gösterir. Daha az ısınma birikimi, yarı iletkenlerin arızalanmadan önce daha uzun ömürlü olmasını sağlar. Yüksek frekanslı tasarımlar üzerinde çalışanlar için bu tür bir verimlilik, ek soğutma parçalarına olan ihtiyacı aslında azaltır. Sonuç olarak? Daha önce mümkün olandan daha küçük hacimlere, daha hafif yapılara ve daha yüksek güç yoğunluğuna sahip sistemler elde edilir.
AlN, çok ince olduğunda bile etkileyici termal iletkenliğini korur ve hacimli hâline göre iletkenliğinin üzerinde %90 seviyesinde kalır çünkü ses taşıyıcıların ara yüzlerde saçılması nedeniyle çok fazla engelleme olmaz. Bu özellik, ısı birikimi yaygın bir sorun olan ince film ya da çok katmanlı uygulamalarda AlN'nin öne çıkmasını sağlar. Malzemenin termal genleşme oranı yaklaşık 4,5 ppm/Kelvin civarındadır ve hem silikon hem de silikon karbür yongalarıyla oldukça iyi eşleşir. Bu uyum, birbiriyle daha iyi uymayan alümina gibi malzemelere kıyasla malzemeler arasındaki termal direnci yaklaşık %60 oranında azaltır. Bu özellik, özellikle doğrudan bağlı bakır (DBC) gibi iyi metalizasyon teknikleriyle birleştirildiğinde, ara yüzey termal iletkenliğinin 3.000 W/m²K değerini aşmasına neden olur. Bu karakteristikler, normal çalışma sırasında 200 °C'yi aşan ekstrem sıcaklık değişimlerinden geçen uçaklardaki güç sistemleri ya da güçlü lazer diyotları gibi zorlu termal ortamlarda AlN kullanımını uygundur hâle getirir.
Silisyum Karbür (SiC) MOSFET'ler ve Galliyum Nitrür (GaN) HEMT'ler, jonksiyon sıcaklıkları dar sınırlar içinde kaldığında en iyi şekilde çalışır. Alüminyum Nitrür (AlN), ısıyı o kadar iyi ilettiği için güç modülleri içindeki istenmeyen sıcak noktaları yaklaşık 20 ila 30 santigrat derece azaltarak öne çıkar. Bu durum, 1,2 kV'un üzerindeki yüksek gerilim uygulamalarında, örneğin endüstriyel motor sürücülerinde veya sunucu güç kaynaklarında, termal kaçak gibi sorunların önlenmesinde büyük fark yaratır. Arrhenius modeli benzeri güvenilirlik araştırmalarından bildiğimiz üzere, bu sıcaklıkların düşürülmesi cihazların kullanım ömrünü önemli ölçüde uzatır. Örneğin SiC MOSFET'lerin AlN ile birleştirilmesi, performans ayarı yapmaya gerek kalmadan 50 kHz frekanslarda anahtarlandığında bile yaklaşık %98,5 verimle çalışmaya devam etmelerini sağlar. AlN'nin sahip olduğu başka bir önemli avantaj ise yarı iletken malzemelerle termal genleşme oranlarının uyum sağlamasıdır. Bu uyumluluk, sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan mekanik gerilmeleri engeller ve böylece ısıtma-soğutma döngüleri boyunca mikro çatlakların oluşması ya da lehim eklem yerlerinin aşınması gibi sorunlar ortadan kalkar.
Elektrikli araç traksiyon inversörleri için termal yönetim, bu kompakt güç sistemlerinin ürettiği titreşimleri, sıcaklık dalgalanmalarını ve yoğun ısıyı karşılayacak kadar dayanıklı olmalıdır. Alüminyum nitrür (AlN) alttaşları, 800 voltluk batarya sistemlerinde kare santimetre başına 500 W'a kadar ulaşan ısı akılarını hâlâ taşıyabildiği halde soğutma sistemlerini yaklaşık %30 daha küçük hâle getirir. Bu malzeme, IGBT/SiC hibrit modüllerin içindeki eklem sıcaklıklarını geleneksel seramik malzemelere kıyasla yaklaşık 15 ila 25 santigrat derece düşürür. Gerçek dünya testleri de etkileyici sonuçlar ortaya koymuştur. Çöl bölgelerine yerleştirilen güneş mikroinversörlerinde, beş yıllık operasyonun ardından arızalanma oranında %40'luk bir düşüş gözlemlenmiştir. AlN bileşenlerle donatılmış rüzgâr türbinleri, tuzlu hava, nem ve eksi 40 santigrat dereceye kadar inen sıcaklıklarda çalışma gibi zorlu kıyı koşullarına rağmen %99'dan fazla çalışma süresini korumaktadır. AlN'nin öne çıkmasını sağlayan şey, nemli veya tozlu ortamlarda elektrik arkına karşı direnç gösterebilme yeteneğidir ve bu yüzden çeşitli yenilenebilir enerji uygulamalarında güvenilir, dayanıklı altyapı inşa etmede giderek daha önemli hâle gelmektedir.
Güç elektroniğinin dünyası, ısıyı iyi yönetme, zorlu koşullara dayanma ve esnek ambalaj seçenekleri sunma gibi üç önemli özelliği aynı anda karşılayan altlık malzemelere ihtiyaç duyar. Alüminyum nitrür bu üç kriteri de karşılamaktadır. Isı iletkenliği 170 ile 200 W/mK arasında değişmekte olup, yoğun güç elemanları olan IGBT'ler ve tristörler gibi bileşenlerden ısıyı etkili bir şekilde uzaklaştırabilmektedir. Ayrıca, yaklaşık 4,5 ppm/K civarında olan termal genleşme katsayısı, silikon ve yeni nesil geniş bant aralığına sahip yarı iletkenlerle oldukça iyi uyum göstermekte olup, sıcaklık dalgalanmalarında parçaların bükülmesi ya da lehim eklem yerlerinin hasar görmesi riskini önemli ölçüde azaltmaktadır. ASME tarafından belirlenen endüstriyel standartlara göre, katmanlı paketlerde mekanik gerilim oldukça fazla artabilmekte olup, sıcaklık her 100 derece değiştiğinde bazen %0,8'in üzerinde gerilim oluşabilmektedir. Ancak AlN'nin farklı malzemelerle olan uyumu bu riski önemli ölçüde azaltmaktadır. Mukavemet açısından, AlN otomotiv ve havacılık alanlarında karşılaşılan oldukça sert titreşimlere karşı dayanıklıdır ve 50G'ye kadar olan kuvvetleri kaldırabilmektedir. Bir başka avantajı ise, AlN elektriksel yalıtım özelliklerini feda etmeden 0,3 mm kalınlığına kadar ince yalıtım katmanlarına izin vererek paket boyutunu neredeyse yarıya indirebilmektedir. Bu özellik, elektrikli araç tahrik sistemleri ve şebekeye bağlı yenilenebilir enerji sistemlerindeki bileşenlerin küçültülmesi açısından ideal hale getirmektedir.
EN
