Zašto paketi od aluminij-nitrida gube sposobnost rasipanja toplote nakon izlaganja vlazi
Nakon dvanaest godina rada sa podlogama od aluminijum-nitrida u snage i RF paketima, jedan uporan problem je postepeno povećanje izmjerene toplotne otpornosti nakon što su uređaji skladišteni ili radili u vlažnim uslovima. Povećanje se ne može objasniti samo zamorom lemljenja ili kontaktom hladnjaka. Aluminijum-nitrid reaguje sa vlagom, a proizvodi te reakcije mogu povećati termičku kontaktnu otpornost na slobodnim površinama i na interfejsima, čak i kada ostaje visoka ukupna provodnost keramike.
Gusti AlN je relativno stabilan, ali preostala otvorena poroznost ili nepotpuno sinterirane međe zrna omogućavaju vodenoj pari da dospije do reaktivnih površina. Reakcija proizvodi aluminijumske hidrokside i amonijak; sloj hidroksida je loš toplotni provodnik i može narušiti adheziju pri naknadnoj metalizaciji. Na prahu ili materijalu niske gustoće reakcija je brza. Na potpuno gustoj podlozi efekat je sporiji i lokaliziran, ali i dalje mjerljiv nakon sedmica izlaganja relativnoj vlažnosti iznad 60%. Budući da je toplotni otpor pakovanja zbir otpora masene provodnosti i otpora na međufaznim granicama, čak i tanak sloj reaktivnog sloja od nekoliko mikrometara može povećati temperaturu za nekoliko desetinki stepena po vatu pri velikom toplotnom toku.
U kontroliranom ispitivanju izloženosti, 0,5 mm AlN podloge s izmjerenom volumenskom provodljivošću od 185 W/m·K metalizirane su i sastavljene u snage module. Polovica modula je skladištena 500 sati na 85 °C i 85 % relativne vlažnosti; druga polovica je držana na istoj temperaturi u suhom dušiku. Nakon izlaganja, toplotni otpor spoj-kućište pri opterećenju od 40 W porastao je za 0,18 °C/W na modulima skladištenim u vlažnim uslovima, dok je ostao nepromijenjen na modulima skladištenim na suhom. Presjeci su pokazali diskontinualni površinski sloj debljine otprilike 2–4 µm na vlažnim uzorcima. Lasersko-bljesak mjerenja na pratećim nemetaliziranim uzorcima potvrdile su da se ukupna provodnost nije promijenila, čime se izolirala dodatna otpornost na površinske reakcijske proizvode. Moduli koji su sinterirani do veće gustoće (otvorena poroznost ispod 0,2 %) pokazali su otprilike upola manji porast otpornosti pri istoj izloženosti vlazi.
Praktične kontrole su stoga zbijanje i površinska zaštita. Preostala poroznost mora biti dovoljno niska da vlaga ne može dosegnuti unutrašnjost zrna; tanki, kontinuirani zaštitni sloj ili metalizacija koji u potpunosti pokriva slobodne površine dodatno ograničava reakciju. Za osjetljivost na vlagu pri hidrolizi aluminij-nitrida, relevantne procesne varijable su gustoća sinteriranja, preostala otvorena poroznost i integritet eventualnog naknadnog sloja. Pouzdanost termičkog ciklusa AlN podloge u vlažnim uslovima potvrđuje se mjerenjem termičkog otpora paketa prije i poslije ubrzane izloženosti vlazi, a ne samo provođenošću u masi. Kada termički otpor poraste nakon skladištenja ili izloženosti na terenu u vlažnom zraku, odlučujući dokaz je povećanje otpora na interfejsu bez promjene provođenošću u masi. Postizanje gotovo pune gustoće i zaštita slobodnih površina, što je dokazano manjim porastom otpora na podlogama veće gustoće u ispitivanju pri 85 °C / 85 % vlažnosti, ograničava degradaciju izazvanu vlagom i čuva performanse raspršivanja toplote nitrida aluminija.