Nitrid hliníku vede teplo jako kov a přesto blokuje proud

Oxid hlinitý je standardním keramickým substrátem z dobrého důvodu. Je levný, pevný a snadno se pokovuje. Jako tepelná trubice však není příliš účinný. Deska z materiálu 96% (Al₂O₃) má tepelnou vodivost kolem 20–30 W/m·K. Nitrid hliníku, je-li správně zpracován, dosahuje hodnot v rozmezí 170–200 W/m·K, někdy i mírně přes 200. Teoretická hodnota pro dokonalý monokrystal se blíží 320. Nikdo však takový produkt nevyrábí. To, co dodáváme, je slinutý izolátor, který dokáže odvádět teplo z čipu výkonového modulu, aniž by se stal vodičem.

Právě v této kombinaci spočívá podstata věci. Kovy vedou teplo i elektrický proud. Většina keramických materiálů blokuje proud a zadržuje teplo. Nitrid hliníku zajišťuje současně vedení tepla i izolaci, přičemž jeho koeficient tepelné roztažnosti (CTE) se pohybuje kolem 4,5 ppm/°C – což se blíží křemíku. Oxid hlinitý se roztahuje spíše v rozmezí 6,5–7,5. U vysoce výkonných IGBT nebo SiC součástek se tato neshoda projevuje únavou pájky a odlupováním měděné fólie. BeO vede elektřinu ještě lépe, a přesto se mu vyhýbáme, kdykoli je to možné. Toxicita není pouhou poznámkou v technickém listu.

Kyslík je nečistota, která kazí výsledky měření vodivosti. Mřížkový kyslík vytváří v hliníku vakance. Fonony se rozptylují. Prášek s obsahem několika procent kyslíku se po slinování změní na látku, která vypadá jako AlN a jejíž vodivost se blíží hodnotě 100 W/m·K. Prášek s nízkým obsahem kyslíku spolu se slinovací přísadou, která vtahuje kyslík do fáze na hranicích zrn — obvykle se používá yttrium —, je způsob, jak dosáhnout třídy s hodnotou přes 170. Hustota musí být vysoká. Zbytkové póry představují další místa rozptylu. Takže “AlN substrát” na PO není třída. Ptejte se na tepelnou vodivost, ne jen na chemické složení.

Právě při manipulaci s práškem bývají dílny zaskočeny. Jemný AlN se hydrolyzuje. Nechte ho ve vlhkém vzduchu a vytvoří se na něm vrstva hydroxidu, čímž se zvýší obsah kyslíku, za jehož odstranění jste právě zaplatili. Skladování v suchu, krátká doba otevření balení, někdy i povrchová úprava. To není žádná přecitlivělost. Takto se hodnota k zachová až do vkládání do pece.

Nitrid hliníku používáme tam, kde to tepelný řetězec skutečně vyžaduje: na výkonových deskách DBC a DPC, v RF pouzdrech, na podložkách pro lasery a LED diody a u některých součástí polovodičových procesů. Pokud má čip výkon jen několik wattů a úzkým hrdlem je chladič, z cenového hlediska stále vítězí oxid hlinitý. Pokud odvádíte desítky wattů přes tenkou keramiku do mědi, pokles teploty na substrátu z oxidu hlinitého již není bez nákladů. Keramika stojí více. Výhodou je modul, který se nepreťažuje ani se nerozvrství.

Obrábění i metalizace vyžadují stejnou pečlivost. AlN není tak nenáročný materiál jako oxid hlinitý 96%. Na hranách dochází k odštípávání. Měděné spoje musí zohlednit tepelnou roztažnost. Krásný disk s tepelnou vodivostí 180 W/m·K, který má však nekvalitní rozhraní, je pouhým drahým izolátorem. Specifikujte společně koeficient k, tloušťku, povrch a systém kovů. Nitrid hliníku je tepelná cesta, která náhodou má keramickou podobu. Pokud s ním budete zacházet tímto způsobem, zaslouží si svou prémii. Pokud s ním budete zacházet jako s bílým oxidem hlinitým s lepším prospektem, nezaslouží si ji.