Алуминиевият нитрид пренася топлината като метал, но все пак блокира електрическия ток

Алуминият е стандартният керамичен субстрат не без причина. Той е евтин, издръжлив и лесен за метализиране. Същевременно обаче е слаб топлопроводник. Платката 96% от Al₂O₃ има топлинна проводимост около 20–30 W/m·K. Алуминиевият нитрид, ако е изработен правилно, достига стойности в диапазона 170–200 W/m·K, понякога малко над 200. Теоретичната стойност за идеален монокристал е близо до 320. Никой обаче не предлага такъв продукт. Това, което предлагаме, е синтериран изолатор, който може да отвежда топлината от чипа на силовия модул, без да се превръща в проводник.

Именно тази комбинация е ключът. Металите провеждат топлина и ток. Повечето керамични материали блокират тока и задържат топлината. Алуминиевият нитрид едновременно провежда топлина и изолира, с коефициент на термично разширение (CTE) около 4,5 ppm/°C — близък до този на силиция. Алуминият се разширява с около 6,5–7,5. При IGBT или SiC устройства с висока мощност това несъответствие се проявява като умора на спойката и отлепване на медното фолио. BeO проводи още по-добре, но все пак го избягваме, когато е възможно. Токсичността не е просто бележка под линия в техническото описание.

Кислородът е примесът, който проваля постигането на висока проводимост. Кислородът в решетката създава вакантни места в алуминия. Фононите се разсейват. Прах с няколко процента кислород се синтерова в нещо, което прилича на AlN и има проводимост, близка до 100 W/m·K. Прах с ниско съдържание на кислород, в комбинация с асистиращ агент за синтероване, който привлича кислорода във фаза на границите между зърната — обикновено това е итрий — е начинът да се постигне клас с проводимост над 170. Плътността трябва да е висока. Остатъчните пори са още едно място за разсейване. Затова “AlN субстрат” в спецификацията не е клас. Питайте за топлинната проводимост, а не само за химичния състав.

Работата с прахове е това, което изненадва цеховете. Фините частици AlN се хидролизират. Оставете ги във влажен въздух и ще се образува хидроксидна кора, което ще повиши съдържанието на кислород, за чието отстраняване току-що сте платили. Сухо съхранение, кратко време на отваряне, понякога повърхностна обработка. Това не е прекалена придирчивост. Това е начинът, по който стойността на k се запазва до влизането в пещта.

Използваме алуминиев нитрид там, където термичната верига действително се нуждае от него: DBC и DPC захранващи платки, RF пакети, подложки за лазери и LED-ове, както и някои компоненти за полупроводникови процеси. Ако чипът е с мощност от няколко вата и радиаторът е препятствието, алуминиевият оксид все пак печели по цена. Ако отведете десетки ватове през тънка керамика към мед, загубата на мощност в алуминиевия оксид вече не е безплатна. Керамиката струва повече. Възвращаемостта е модулът, който не се прегрява и не се разслоява.

Механичната обработка и метализацията изискват еднаква прецизност. Алуминиевият нитрид (AlN) не е толкова „непретенциозен“ като алуминиевия оксид 96%. Краищата се отчупват. Медното свързване трябва да съответства на термичното разширение. Един красив диск с 180 W/m·K и лош интерфейс е просто скъп изолатор. Определете заедно k, дебелината, повърхността и металната система. Алуминиевият нитрид е топлопроводим материал, който се явява и керамика. Отнасяйте се към него по този начин и той ще оправдае високата си цена. Отнасяйте се към него като към бял алуминиев оксид с по-добра рекламна брошура и той няма да я оправдае.