Per què els paquets de nitrur d'alumini perden la capacitat de dissipar la calor després d'una exposició a la humitat
Després de dotze anys treballant amb substrats de nitrur d'alumini en encapsulats de potència i de radiofreqüència, un problema persistent és l'augment gradual de la resistència tèrmica mesurada després que els dispositius han estat emmagatzemats o operats en entorns humits. L'augment no s'explica només per la fatiga de la soldadura o pel contacte amb el dissipador de calor. El nitrur d'alumini reacciona amb la humitat, i els productes de la reacció poden augmentar la resistència de contorn tèrmica a les superfícies lliures i a les interfícies, fins i tot quan la conductivitat volumètrica de la ceràmica es manté alta.
L'AlN dens és relativament estable, però la porositat oberta residual o els límits de gra no sinteritzats completament permeten que el vapor d'aigua arribi a superfícies reactives. La reacció produeix hidroxids d'alumini i amoníac; la capa d'hidroxid és un mal conductor tèrmic i també pot alterar l'adhesió de la posterior metallització. En pols o en material de baixa densitat la reacció és ràpida. En substrats totalment densos l'efecte és més lent i localitzat, però tot i així és mesurable després de setmanes d'exposició a una humitat relativa superior al 60 %. Com que la resistència tèrmica del paquet és la suma de les resistències volumètriques i d'interfície, fins i tot una fina capa de reacció d'uns quants micròmetres pot afegir diversos dècims de grau per watt sota un alt flux de calor.
En una prova d'exposició controlada, substrats d'AlN de 0,5 mm amb una conductivitat volumètrica mesurada de 185 W/m·K es van metallitzar i es van muntar en mòduls de potència. La meitat dels mòduls es van emmagatzemar durant 500 hores a 85 °C i un 85 % d'humitat relativa; l'altra meitat es va mantenir a la mateixa temperatura en nitrogen sec. Després de l'exposició, la resistència tèrmica de la unió al cos, sota una càrrega de 40 W, va augmentar en 0,18 °C/W en els mòduls emmagatzemats en condicions humides, mentre que es va mantenir inalterada en els emmagatzemats en sec. Les seccions transversals van mostrar una capa superficial discontínua d'aproximadament 2–4 µm de gruix a les mostres humides. Les mesures de flash làser en xafles de referència sense metallitzar van confirmar que la conductivitat volumètrica no es va alterar, cosa que aïlla la resistència addicional als productes de reacció superficials. Els mòduls que s'havien sinteritzat a una densitat més alta (porositat oberta inferior al 0,2 %) van mostrar aproximadament la meitat de l'augment de resistència sota la mateixa exposició a la humitat.
Els controls pràctics són, per tant, la densificació i la protecció de la superfície. La porositat residual ha de ser prou baixa perquè la humitat no pugui arribar a l'interior dels grans; un recobriment protector prim i continu o una metallització que cobreixi completament les superfícies lliures limita encara més la reacció. Pel que fa a la sensibilitat a la humitat de la hidròlisi del nitrur d'alumini, les variables de procés rellevants són la densitat de sinterització, la porositat oberta residual i la integritat de qualsevol recobriment posterior. La fiabilitat del cicle tèrmic del substrat d'AlN en condicions d'humitat es confirma mesurant la resistència tèrmica del paquet abans i després de l'exposició accelerada a la humitat, en lloc de només la conductivitat global. Quan la resistència tèrmica augmenta després de l'emmagatzematge o l'exposició de camp a l'aire humit, la prova distintiva és un augment de la resistència d'interfície sense cap canvi en la conductivitat global. Assolir una densitat gairebé completa i protegir les superfícies lliures, tal com demostra l'augment més petit de la resistència en els substrats de major densitat a la prova de 85 °C / 85 % HR, limita la degradació induïda per la humitat i preserva el rendiment de dissipació de calor del nitrur d'alumini.