Günümüz elektronik dünyasında cihazlar küçülürken güç yoğunlukları artıyor. Bu durum, mühendislerin karşısına tek bir büyük düşman çıkarıyor: Isı. Standart FR4 veya Alümina (Al2O3) substratların yetersiz kaldığı yüksek güç uygulamalarında, Alüminyum Nitrür (AlN) substratlar endüstrinin en güçlü çözüm ortağı olarak öne çıkıyor.
Bu yazımızda, neden AlN substratların güç elektroniği, LED teknolojileri ve RF uygulamaları için vazgeçilmez bir malzeme olduğunu teknik özellikleriyle inceliyoruz.
Alüminyum Nitrür, yüksek termal iletkenlik ile mükemmel elektrik yalıtımını aynı anda sunan ileri teknoloji bir seramik malzemedir. Genellikle gri veya fildişi rengindedir. Metalize edilmeye (üzerine devre yolları kaplanmaya) son derece uygundur, bu da onu çip taşıyıcılar ve ısı emiciler için ideal bir taban yapar.
AlN substratları rakiplerinden ayıran 4 temel özellik şunlardır:
AlN'in en belirgin özelliği, ısıl iletkenlik değeridir.
Değer: Genellikle 170 W/mK ile 230 W/mK arasındadır.
Kıyaslama: En yaygın kullanılan seramik olan Alümina'dan (Al2O3 - yaklaşık 25 W/mK) 7 ila 9 kat daha yüksek ısı iletkenliğine sahiptir. Bu, oluşan ısının çipten alınıp soğutucuya ışık hızında transfer edilmesi demektir.
Elektronik bileşenlerin çoğu Silikon (Si) bazlıdır. Isınan malzemeler genleşir. Eğer çip ve altındaki substrat farklı oranlarda genleşirse, lehim bağlantıları çatlar ve cihaz bozulur.
AlN'in termal genleşme katsayısı, Silikon'un genleşme katsayısına (yaklaşık 4.5 ppm/K) çok yakındır. Bu, termal stresin minimuma inmesini ve cihazın ömrünün uzamasını sağlar.
Bir malzemenin metali aratmayacak kadar iyi ısı iletmesi, ancak elektriği hiç geçirmemesi nadir bir özelliktir. AlN, yüksek voltaj altında bile elektriksel yalıtımını korur, bu da onu yüksek güçlü devreler için güvenli kılar.
Eski nesil yüksek iletkenliğe sahip Berilyum Oksit (BeO) seramiklerin aksine, Alüminyum Nitrür toksik değildir. Bu, üretim ve işleme sırasında iş sağlığı güvenliği açısından büyük bir avantajdır.
Yüksek maliyeti nedeniyle her devrede kullanılmaz, ancak aşağıdaki alanlarda "zorunlu" bir tercihtir:
Güç Modülleri (IGBT ve MOSFET): Elektrikli araçlar (EV) ve trenler gibi yüksek akım gerektiren sistemlerde.
Yüksek Güçlü LED'ler: Özellikle UV LED'ler ve otomotiv aydınlatmalarında ısının hızla atılması gerektiğinde.
RF ve Mikrodalga Cihazlar: 5G baz istasyonları ve radar sistemlerinde.
Lazer Diyot Soğutucuları: Optik iletişim sistemlerinde.
Mühendisler seçim yaparken şu basit kuralı izler:
Düşük/Orta Güç ve Maliyet Odaklı Projeler: Alümina (Al2O3) yeterlidir. Ekonomiktir ve kolay bulunur.
Yüksek Güç, Zorlu Isı Şartları ve Uzun Ömür: Kesinlikle Alüminyum Nitrür (AlN). İlk yatırım maliyeti daha yüksek olsa da, soğutma sisteminden (fan, büyük heatsink) tasarruf etmenizi sağlar ve cihazın yanmasını önler.
Alüminyum Nitrür (AlN) substratlar, modern elektroniğin sınırlarını zorlayan bir malzemedir. Isıyı bir sorun olmaktan çıkarıp, yönetilebilir bir fiziksel değişkene dönüştürür. Projenizde ısınma kaynaklı performans kaybı yaşıyorsanız, PCB veya substrat malzemenizi AlN ile güncellemenin vakti gelmiş olabilir.
