Защо корпусите от алуминиев нитрид губят способността си за разсейване на топлината след излагане на влага
След дванадесет години работа с подложки от алуминиев нитрид в мощностни и радиочестотни корпуси, един постоянен проблем е постепенното нарастване на измереното термично съпротивление, след като устройствата са били съхранявани или експлоатирани във влажна среда. Това нарастване не може да се обясни само с умората на спойката или контакта с радиатора. Алуминиевият нитрид реагира с влагата, а продуктите от реакцията могат да повишат термичното гранично съпротивление по свободните повърхности и на граничните слоеве, дори когато общата проводимост на керамиката остава висока.
Плътният AlN е относително стабилен, но остатъчната отворена порьозност или непълно спечените граници между зърната позволяват на водната пара да достигне до реактивните повърхности. Реакцията води до образуването на алуминиеви хидроксиди и амоняк; хидроксидният слой е слаб топлопроводник и може също да наруши адхезията при последващата метализация. Въздействието върху прахообразни или никоплътни материали е бързо. Върху напълно плътни субстрати ефектът е по-бавен и локализиран, но все пак измерим след седмици на излагане при относителна влажност над 60 %. Тъй като термичното съпротивление на корпуса е сумата от съпротивленията на топлопроводимостта в обема и на границите между фазите, дори тънък реакционен слой от няколко микрометра може да добави няколко десети от градуса на ват при висок топлинен поток.
В контролирано изпитване за излагане на въздействие 0,5 мм AlN субстрати с измерена обемна проводимост от 185 W/m·K бяха метализирани и сглобени в мощностни модули. Половината от модулите бяха съхранявани в продължение на 500 часа при 85 °C и 85 % относителна влажност; другата половина бяха съхранявани при същата температура в сух азот. След експозицията термичното съпротивление между прехода и корпуса при натоварване от 40 W се е повишило с 0,18 °C/W при модулите, съхранявани във влажна среда, докато при съхраняваните в суха среда е останало непроменено. Напречните сечения показаха прекъснат повърхностен слой с дебелина приблизително 2–4 µm върху пробите, съхранявани във влажна среда. Измерванията с лазерна светкавица върху съпътстващи неметализирани заготовки потвърдиха, че обемната проводимост е останала непроменена, което изолира добавеното съпротивление към продуктите на повърхностната реакция. Модулите, които бяха синтерирани до по-висока плътност (отворена порьозност под 0,2 %), показаха приблизително половината от увеличението на съпротивлението при същото излагане на влага.
Следователно практичните мерки за контрол са уплътняването и защитата на повърхността. Остатъчната порьозност трябва да бъде достатъчно ниска, за да не може влагата да достигне до вътрешността на зърната; тънко, непрекъснато защитно покритие или метализация, които напълно покриват свободните повърхности, допълнително ограничават реакцията. По отношение на чувствителността към влага при хидролизата на алуминиевия нитрид, съответните технологични променливи са плътността на синтероването, остатъчната отворена порьозност и целостта на всяко последващо покритие. Надеждността на термичните цикли на AlN субстрата във влажни условия се потвърждава чрез измерване на термичното съпротивление на опаковката преди и след ускорено излагане на влага, а не само чрез общата проводимост. Когато термичното съпротивление се повиши след съхранение или излагане на влажен въздух в реални условия, отличителният признак е увеличение на съпротивлението на границата на раздела без промяна в общата проводимост. Постигането на почти пълна плътност и защитата на свободните повърхности, както е демонстрирано от по-малкото увеличение на съпротивлението при субстратите с по-висока плътност в изпитването при 85 °C / 85 % RH, ограничава деградацията, предизвикана от влагата, и запазва способността на алуминиевия нитрид за разпределяне на топлината.