لماذا تفقد حزم نيتريد الألومنيوم قدرتها على توزيع الحرارة بعد التعرض للرطوبة
بعد اثني عشر عامًا من العمل مع ركائز نيتريد الألومنيوم في حزم الطاقة والترددات اللاسلكية، تظل إحدى المشكلات المستمرة هي الارتفاع التدريجي في المقاومة الحرارية المقاسة بعد تخزين الأجهزة أو تشغيلها في بيئات رطبة. ولا يمكن تفسير هذه الزيادة بإرهاق اللحام أو التلامس مع المبدد الحراري وحدهما. يتفاعل نيتريد الألومنيوم مع الرطوبة، ويمكن أن تؤدي نواتج التفاعل إلى زيادة المقاومة الحرارية الحدودية على الأسطح الحرة وعند السطوح البينية حتى عندما تظل الموصلية الكلية للسيراميك عالية.
يُعدّ مادة AlN عالية الكثافة مستقرة نسبيًا، إلا أن المسامية المفتوحة المتبقية أو حدود الحبيبات غير المُتلبدة بالكامل تسمح لبخار الماء بالوصول إلى الأسطح التفاعلية. ينتج عن التفاعل هيدروكسيدات الألومنيوم والأمونيا؛ وتُعدّ طبقة الهيدروكسيد موصِّلًا حراريًّا ضعيفًا، كما يمكنها أن تعيق التصاق عملية التمعدن اللاحقة. أما على المسحوق أو المواد منخفضة الكثافة، فيحدث التفاعل بسرعة. أما على الركائز شديدة الكثافة، فيكون التأثير أبطأ ومحدودًا، لكنه يظل قابلاً للقياس حتى بعد أسابيع من التعرض لرطوبة نسبية تزيد عن 60 %. ونظرًا لأن المقاومة الحرارية للعبوة هي مجموع مقاومات التوصيل الحجمي ومقاومات الواجهة، فإن حتى طبقة تفاعل رقيقة لا يتجاوز سمكها بضعة ميكرومتر يمكن أن تضيف عدة أعشار درجة لكل واط في ظل تدفق حراري مرتفع.
في تجربة تعرض خاضعة للرقابة، تم طلاء ركائز من مادة AlN بسماكة 0.5 مم — ذات موصلية حجمية مقاسة تبلغ 185 واط/م·كلفن — بالمعادن وتجميعها في وحدات طاقة. تم تخزين نصف الوحدات لمدة 500 ساعة عند درجة حرارة 85 درجة مئوية ورطوبة نسبية 85 %؛ بينما تم الاحتفاظ بالنصف الآخر عند نفس درجة الحرارة في بيئة من النيتروجين الجاف. بعد التعرض، ارتفعت المقاومة الحرارية من الوصلة إلى الغلاف تحت حمل 40 واط بمقدار 0.18 درجة مئوية/واط في الوحدات المخزنة في بيئة رطبة، بينما بقيت دون تغيير في الوحدات المخزنة في بيئة جافة. أظهرت المقاطع العرضية طبقة سطحية متقطعة يبلغ سمكها حوالي 2–4 ميكرومتر على العينات المخزنة في بيئة رطبة. وأكدت قياسات «ليزر فلاش» على عينات فارغة غير معدنة مصاحبة أن الموصلية الكلية لم تتغير، مما عزل المقاومة المضافة إلى نواتج التفاعل السطحي. وأظهرت الوحدات التي تم تلبيدها إلى كثافة أعلى (مسامية مفتوحة أقل من 0.2 %) زيادة في المقاومة تبلغ حوالي النصف تقريبًا تحت نفس التعرض للرطوبة.
وبالتالي، فإن الإجراءات العملية تتمثل في زيادة الكثافة وحماية السطح. يجب أن تكون المسامية المتبقية منخفضة بدرجة كافية بحيث لا تتمكن الرطوبة من الوصول إلى داخل الحبيبات؛ كما أن وجود طبقة واقية رقيقة ومتصلة أو طلاء معدني يغطي الأسطح المكشوفة بالكامل يحدّ من التفاعل بشكل أكبر. وبالنسبة لحساسية نتريد الألومنيوم للرطوبة أثناء التحلل المائي، فإن متغيرات العملية ذات الصلة هي كثافة التلبيد، والمسامية المفتوحة المتبقية، وسلامة أي طبقة طلاء لاحقة. يتم التأكد من موثوقية الدورات الحرارية لركيزة AlN في الظروف الرطبة عن طريق قياس المقاومة الحرارية للعبوة قبل وبعد التعرض المعجل للرطوبة، وليس عن طريق الموصلية الحجمية وحدها. وعندما ترتفع المقاومة الحرارية بعد التخزين أو التعرض الميداني للهواء الرطب، فإن الدليل المميز هو زيادة مقاومة السطح البيني دون حدوث تغيير في الموصلية الحجمية. إن تحقيق كثافة شبه كاملة وحماية الأسطح الحرة، كما يتضح من الارتفاع الأقل في المقاومة على الركائز ذات الكثافة الأعلى في التجربة التي أجريت عند 85 درجة مئوية / 85 % رطوبة نسبية، يحد من التدهور الناجم عن الرطوبة ويحافظ على أداء نتريد الألومنيوم في توزيع الحرارة.