Підкладка AlN справді вирізняється здатністю до управління теплом, маючи коефіцієнт теплопровідності близько 170–200 Вт/м·К. Це досить вражаюче порівняно з іншими матеріалами, такими як оксид алюмінію (20–30 Вт/м·К) або нітрид кремнію (15–35 Вт/м·К) за подібних умов. Унікальна кристалічна структура вюрцита робить AlN таким ефективним. Така структура дозволяє теплу поширюватися через матеріал ефективно, не погіршуючи електричних властивостей, і забезпечує надійну ізоляцію на рівні приблизно 14 кВ/мм. Модулі живлення, що використовують AlN, зазвичай демонструють зниження теплового опору на 30–40 % порівняно з традиційними оксидними підкладками. Зменшення нагрівання означає, що напівпровідникові пристрої довше працюють без виходу з ладу. Для фахівців, які працюють над конструкціями високої частоти, така ефективність фактично скорочує потребу в додаткових системах охолодження. Кінцевий результат? Системи, які займають менше місця, важать менше та забезпечують більшу потужність у компактніших корпусах, ніж це було можливо раніше.
AlN зберігає вражаливу теплопровідність навіть у дуже тонких шарах, залишаючись вище 90% порівняно зі значенням у об'ємному матеріалі, оскільки на межах поділу майже не відбувається розсіювання фононів. Це робить його особливим для застосувань у тонких плівках або багатошарових струкурах, де накопичення тепла є поширеною проблемою. Коефіцієнт теплового розширення матеріалу становить близько 4,5 ppm на Кельвін, що добре узгоджується з кремнієвими та кремнійкарбідними кристами. Це узгодження зменшує термічний опір між матеріалами на близько 60% порівняно з такими матеріалами, як глинозем, які не мають такого гарного відповідання. Поєднуючи цю властивість з ефективними методами металізації, зокрема безпосередньо зв'язаною міддю (DBC), отримуємо значення міжфазної теплопровідності понад 3000 Вт на квадратний метр на Кельвін. Ці характеристики роблять AlN придатним для важких термічних умов, наприклад, у силових системах літаків або потужних лазерних діодах, які проходять через екстремальні зміни температури, що перевищують 200 градусів Цельсія, під час нормальної роботи.
Карбід кремнію (SiC) MOSFET-транзистори разом із високоефективними транзисторами на основі нітриду галію (GaN) HEMT найкраще працюють, коли температура їхнього p-n-переходу залишається в жорстких межах. Нітрид алюмінію (AlN) вирізняється тим, що чудово проводить тепло, зменшуючи проблемні гарячі ділянки всередині силових модулів приблизно на 20–30 °C. Це суттєво зменшує ризик теплового пробію в високовольтних застосунках понад 1,2 кВ, таких як приводи промислових двигунів або джерела живлення серверів. Згідно з даними досліджень надійності, подібними до моделі Арреніуса, зниження температури значно подовжує термін служби пристроїв. Наприклад, SiC MOSFET-транзистори в поєднанні з AlN зберігають ефективність роботи на рівні близько 98,5 % навіть під час перемикання на частоті 50 кГц без необхідності коригування продуктивності. Ще одна важлива перевага полягає в тому, що AlN має коефіцієнт теплового розширення, сумісний з напівпровідниковими матеріалами. Ця відповідність запобігає механічним напруженням, спричиненим змінами температури, завдяки чому не утворюються мікротріщини та не руйнуються паяні з'єднання після багатьох циклів нагрівання й охолодження.
Система термокерування для тягових інверторів електромобілів повинна бути достатньо міцною, щоб витримувати вібрації, коливання температири та інтенсивне тепловиділення цих компактних енергетичних систем. Підкладки з алюмінієвого нітриду (AlN) дозвають зробити системи охолодження приблизно на 30% меншими за розміром, зберігаючи здатність відводити тепловий потік до 500 Вт на квадратний сантиметр у системах з акумуляторами на 800 вольт. Цей матеріал знижує температуру переходів всередині гібридних модулів IGBT/SiC на 15–25 °C порівняно зі звичайними керамічними матеріалами. Також у реальних умовах отримано вражаючі результати: сонячні мікроінвертори, встановлені в пустелях, зменшили рівень відмов на 40% після п’яти років експлуатації. Вітрові турбіни, оснащені компонентами з AlN, забезпечують більше ніж 99% часу роботи, навіть у важких прибережних умовах, з соляним повітрям, вологою та пуском при температурах до мінус 40 градусів Цельсія. Особливість AlN полягає в його здатності протистояти електричним розрядам у вологих або забруднених середовищах, що робить його надзвичайно важливим для побудови надійної та довговічної інфраструктури в різних галузях відновлюваної енергетики.
Світ силової електроніки потребує підкладок, здатних одночасно вирішувати три важливі завдання: ефективне управління теплом, довговічність у складних умовах та гнучкі варіанти компонування. Нітрид алюмінію відповідає всім цим вимогам. Його теплопровідність становить від 170 до 200 Вт/мK, що дозволяє ефективно відводити тепло від щільних силових компонентів, таких як IGBT та тиристори. Коефіцієнт термічного розширення близько 4,5 ppm/K чудово узгоджується з кремнієм і новішими напівпровідниковими матеріалами з широкою забороненою зоною, що значно зменшує ризик деформації компонентів або пошкодження паяних з'єднань при коливаннях температури. Згідно з промисловими стандартами ASME, у багатошарових корпусах механічні напруження накопичуються суттєво — іноді понад 0,8% на кожні 100 градусів зміни температури. Проте сумісність AlN із різними матеріалами значно знижує цей ризик. З огляду на міцність, AlN стійкий до значних вібрацій, характерних для автомобілів і літаків, і витримує навантаження до 50G. Ще одна перевага: AlN дозволяє використовувати ізоляційні шари товщиною всього 0,3 мм, скорочуючи розміри корпусів майже вдвічі без погіршення властивостей електричної ізоляції. Це робить його ідеальним для мініатюризації компонентів у силових агрегатах електромобілів та системах відновлюваної енергетики, підключених до мережі.
EN
