Chất nền AlN thực sự nổi bật trong việc quản lý nhiệt, với chỉ số dẫn nhiệt khoảng 170 đến 200 W/mK. Điều này khá ấn tượng so với các vật liệu khác như nhôm oxit chỉ ở mức 20 đến 30 W/mK hoặc nitride silic với 15 đến 35 W/mK trong điều kiện tương tự. Điều làm cho AlN trở nên vượt trội là cấu trúc tinh thể wurtzite độc đáo của nó. Cấu trúc này cho phép nhiệt truyền qua vật liệu một cách hiệu quả mà không làm ảnh hưởng đến các đặc tính điện, duy trì khả năng cách điện tốt ở mức khoảng 14 kV/mm. Các module công suất sử dụng AlN thường cho thấy giảm điện trở nhiệt từ 30 đến 40% so với các chất nền oxit truyền thống. Việc tích tụ nhiệt ít hơn đồng nghĩa với việc các bán dẫn có tuổi thọ dài hơn trước khi bị hỏng. Đối với những người đang phát triển các thiết kế tần số cao, loại hiệu quả này thực tế giúp giảm nhu cầu về các bộ phận làm mát bổ sung. Kết quả cuối cùng? Các hệ thống chiếm ít diện tích hơn, nhẹ hơn và tích hợp được nhiều công suất hơn vào các gói nhỏ gọn hơn bao giờ hết.
AlN duy trì khả năng dẫn nhiệt ấn tượng ngay cả khi rất mỏng, vẫn giữ trên 90% so với dạng khối do hiện tượng tán xạ phonon tại các bề mặt không gây cản trở nhiều. Điều này làm cho AlN nổi bật trong các ứng dụng liên quan đến màng mỏng hoặc nhiều lớp, nơi mà tích tụ nhiệt là vấn đề phổ biến. Tốc độ giãn nở nhiệt của vật liệu này ở mức khoảng 4,5 ppm mỗi Kelvin, khá phù hợp với cả chip silicon và silicon carbide. Sự tương thích này giúp giảm khoảng 60% điện trở nhiệt giữa các vật liệu so với các vật liệu như alumina vốn không khớp tốt như vậy. Khi kết hợp đặc tính này với các kỹ thuật kim loại hóa tốt, đặc biệt là đồng được gắn trực tiếp (DBC), chúng ta thấy chỉ số dẫn nhiệt giao diện vượt quá 3.000 W trên mét vuông trên Kelvin. Những đặc điểm này khiến AlN trở thành lựa chọn phù hợp cho các môi trường nhiệt khắc nghiệt, chẳng hạn như hệ thống điện trên máy bay hoặc các diode laser công suất cao phải trải qua những thay đổi nhiệt độ cực đoan, chênh lệch trên 200 độ C trong quá trình vận hành bình thường.
Các MOSFET carbide silicon (SiC) cùng với HEMT nitride gallium (GaN) hoạt động tốt nhất khi nhiệt độ mối nối của chúng được duy trì trong giới hạn chặt chẽ. Nitride nhôm (AlN) nổi bật nhờ khả năng dẫn nhiệt rất tốt, giúp giảm các điểm nóng khó chịu bên trong các module công suất khoảng 20 đến 30 độ Celsius. Điều này tạo nên sự khác biệt lớn trong việc ngăn ngừa các vấn đề mất kiểm soát nhiệt trong các ứng dụng điện áp cao trên 1,2 kV như bộ điều khiển động cơ công nghiệp hoặc nguồn cấp cho máy chủ. Theo những gì chúng ta biết từ các nghiên cứu độ tin cậy tương tự mô hình Arrhenius, việc giảm nhiệt độ thực sự giúp thiết bị kéo dài tuổi thọ đáng kể. Lấy ví dụ các MOSFET SiC kết hợp với AlN, chúng vẫn duy trì hiệu suất hoạt động ở mức khoảng 98,5% ngay cả khi chuyển mạch ở tần số 50 kHz mà không cần bất kỳ điều chỉnh hiệu suất nào. Một lợi ích quan trọng khác đến từ việc AlN có hệ số giãn nở nhiệt phù hợp với các vật liệu bán dẫn. Sự tương thích này ngăn ngừa ứng suất cơ học do thay đổi nhiệt độ, đồng nghĩa với việc không còn hiện tượng nứt vi mô hay các mối hàn bị hỏng sau hàng loạt chu kỳ đốt nóng và làm nguội.
Hệ thống quản lý nhiệt cho bộ biến tần kéo phương tiện điện cần đủ bền để chịu được rung động, dao động nhiệt độ và nhiệt lượng mạnh do các hệ thống điện nhỏ gọn này tạo ra. Các đế gốm nitride nhôm (AlN) giúp hệ thống làm mát nhỏ hơn khoảng 30% nhưng vẫn có thể xử lý mật độ nhiệt lên đến 500 W mỗi centimét vuông trong các hệ thống pin 800 volt. Vật liệu này giảm nhiệt độ tiếp điểm bên trong các module lai IGBT/SiC khoảng 15 đến 25 độ Celsius so với các vật liệu gốm thông thường. Các thử nghiệm thực tế cũng cho thấy kết quả ấn tượng. Các bộ vi biến tần mặt trời đặt tại các khu vực sa mạc đã giảm tỷ lệ hỏng hóc đến 40% sau chỉ năm năm hoạt động. Các tuabin gió trang bị linh kiện AlN duy trì thời gian hoạt động trên 99% ngay cả khi phải đối mặt với điều kiện ven biển khắc nghiệt như không khí mặn, độ ẩm cao và khởi động ở nhiệt độ thấp tới âm 40 độ Celsius. Điều làm cho AlN nổi bật là khả năng chống hồ quang điện trong môi trường ẩm ướt hoặc bẩn, đó là lý do vì sao nó ngày càng trở nên quan trọng trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng đáng tin cậy và bền vững cho nhiều ứng dụng năng lượng tái tạo khác nhau.
Thế giới điện tử công suất cần các đế có khả năng xử lý đồng thời ba yếu tố quan trọng: quản lý nhiệt hiệu quả, độ bền trong điều kiện khắc nghiệt và các tùy chọn đóng gói linh hoạt. Nhôm nitride (AlN) đáp ứng đầy đủ những yêu cầu này. Độ dẫn nhiệt của nó nằm trong khoảng từ 170 đến 200 W/mK, nghĩa là nó tản nhiệt hiệu quả từ các linh kiện công suất mật độ cao như IGBT và thyristor. Ngoài ra, hệ số giãn nở nhiệt khoảng 4,5 ppm/K hoạt động rất tốt với silicon và các chất bán dẫn băng thông rộng mới hơn, nhờ đó giảm nguy cơ biến dạng linh kiện hoặc hỏng mối hàn khi nhiệt độ thay đổi. Các tiêu chuẩn công nghiệp do ASME thiết lập cho thấy ứng suất cơ học tích tụ đáng kể trong các gói lớp – đôi khi vượt quá 0,8% cho mỗi 100 độ thay đổi nhiệt độ. Tuy nhiên, khả năng tương thích của AlN với nhiều loại vật liệu khác nhau giúp giảm đáng kể rủi ro này. Về độ bền, AlN chịu được rung động khá mạnh thường thấy trong ô tô và máy bay, chịu được lực lên đến 50G. Và còn một điểm cộng nữa: AlN cho phép các lớp cách điện mỏng tới 0,3mm, thu nhỏ kích thước gói gần một nửa mà không làm giảm tính chất cách điện. Điều này khiến nó trở nên lý tưởng để thu nhỏ các linh kiện trong hệ thống truyền động của xe điện (EV) và các hệ thống năng lượng tái tạo kết nối với lưới điện.
EN
