نيتريد الألومنيوم ينقل الحرارة كالمعدن، ومع ذلك يمنع مرور التيار

يُعتبر الألومينا الركيزة الخزفية الافتراضية لسبب وجيه. فهو رخيص الثمن وقوي وسهل الطلاء بالمعدن. كما أنه موصل حراري ضعيف. تبلغ قيمة التوصيل الحراري للوحة 96% المصنوعة من Al₂O₃ حوالي 20–30 واط/م·كلفن. أما نيتريد الألومنيوم، إذا تم تصنيعه بشكل صحيح، فيتراوح معدل التوصيل الحراري له بين 170 و200 واط/م·كلفن، وأحيانًا يتجاوز 200 بقليل. وتشير النظرية إلى أن معدل التوصيل الحراري للبلورة الأحادية المثالية يقترب من 320. لكن لا أحد ينتج منتجًا بهذه المواصفات. ما نقدمه هو عازل متكلس قادر على إخراج حرارة الرقاقة من وحدة الطاقة دون أن يتحول إلى موصل.

هذا المزيج هو جوهر المهمة. فالمعادن توصل الحرارة والتيار الكهربائي، بينما تعمل معظم المواد الخزفية على عزل التيار وحبس الحرارة. أما نيتريد الألومنيوم فيقوم بنقل الحرارة والعزل في آن واحد، مع معامل تمدد حراري يبلغ حوالي 4.5 جزء في المليون/درجة مئوية — وهو قريب من معامل تمدد السيليكون. أما الألومينا فتتوسع بمعدل يتراوح بين 6.5 و7.5. في أجهزة IGBT أو SiC عالية الطاقة، يظهر هذا التباين في شكل إجهاد في اللحام وتقشر رقائق النحاس. على الرغم من أن أكسيد البريليوم (BeO) يوصل الحرارة بشكل أفضل، إلا أننا ما زلنا نتجنبه كلما أمكن ذلك. فالسمية ليست مجرد حاشية في ورقة البيانات الفنية.

الأكسجين هو الشوائب التي تعيق تحقيق الموصلية المطلوبة. فالأكسجين الموجود في الشبكة البلورية يخلق فراغات في الألومنيوم. وتتشتت الفونونات. أما المسحوق الذي يحتوي على نسبة تبلغ بضعة في المائة من الأكسجين، فيتكتل ليصبح مادة تشبه AlN وتبلغ قيمتها حوالي 100 واط/م·كلفن. ويمكن الحصول على الدرجة التي تزيد عن 170 من خلال استخدام مسحوق منخفض الأكسجين مع مادة مساعدة في التلبيد تعمل على سحب الأكسجين إلى طور حدود الحبيبات — وعادةً ما تكون مادة الإيتريا هي المادة المستخدمة في هذه الحالة. ويجب أن تكون الكثافة عالية. كما أن المسام المتبقية تمثل موقعًا آخر للتشتت. لذا فإن عبارة “ركيزة AlN” الواردة في ورقة العرض (PO) لا تعني درجة معينة. اسأل عن الموصلية الحرارية، وليس عن التركيب الكيميائي فحسب.

تتعرض الورش لمفاجآت عند التعامل مع المساحيق. فمسحوق AlN الناعم يتحلل مائيًا. إذا تركته في هواء رطب، ستتشكل طبقة من الهيدروكسيد على سطحه، مما يؤدي إلى ارتفاع مستوى الأكسجين الذي دفعت للتو لإزالته. لذا، يجب التخزين في مكان جاف، وتقليل مدة التعرض للهواء، وأحيانًا إجراء معالجة سطحية. وهذا ليس مجرد تشدد في التفاصيل، بل هو السبيل الوحيد للحفاظ على قيمة k حتى وصول المسحوق إلى الفرن.

نستخدم نيتريد الألومنيوم في الأماكن التي تحتاجها المكدس الحراري فعليًّا: لوحات الطاقة DBC وDPC، وحزم الترددات اللاسلكية (RF)، وقواعد تثبيت الليزر ومصابيح LED، وبعض أجزاء عمليات تصنيع أشباه الموصلات. إذا كانت قوة الرقاقة بضعة واط وكان المبدد الحراري هو عنق الزجاجة، فإن الألومينا لا تزال هي الخيار الأفضل من حيث السعر. أما إذا كنت تقوم بتصريف عشرات الواط عبر سيراميك رقيق إلى النحاس، فإن انخفاض درجة الحرارة على الألومينا لم يعد مجانيًا. فالسيراميك يكلف أكثر. والوحدة التي لا تتعرض للتباطؤ أو انفصال الطبقات هي المكسب.

تتطلب عمليات التصنيع والمعدنة نفس القدر من الدقة. فنيتريد الألومنيوم (AlN) ليس مادة سهلة التعامل مثل الألومينا 96%. فالحواف تتكسر. ويجب أن يتوافق ربط النحاس مع معدل التمدد. فالقرص الجميل الذي تبلغ موصلية حرارته 180 واط/م·ك مع واجهة ربط سيئة ما هو إلا عازل باهظ الثمن. حدد المعامل الحراري (k) والسماكة والسطح ونظام المعدن معًا. نيتريد الألومنيوم هو مسار حراري يصادف أنه من السيراميك. عامله بهذه الطريقة وسيستحق القيمة المضافة. أما إذا عاملته كالألومينا الأبيض مع كتيب ترويجي أفضل، فلن يستحقها.