Proč pouzdra z nitridu hliníku ztrácejí schopnost rozptylovat teplo po vystavení vlhkosti
Po dvanácti letech práce se substráty z nitridu hliníku v výkonových a vysokofrekvenčních pouzdrech se jako přetrvávající problém jeví postupný nárůst naměřeného tepelného odporu poté, co byla zařízení skladována nebo provozována ve vlhkém prostředí. Tento nárůst nelze vysvětlit pouze únavou pájky nebo kontaktem s chladičem. Nitrid hliníku reaguje s vlhkostí a produkty této reakce mohou zvýšit tepelné hraniční odpor na volných površích a na rozhraních, i když objemová vodivost keramiky zůstává vysoká.
Hustý AlN je relativně stabilní, avšak zbytková otevřená pórovitost nebo neúplně slinuté hranice zrn umožňují vodní páře proniknout k reaktivním povrchům. Při této reakci vznikají hydroxidy hliníku a amoniak; vrstva hydroxidu je špatným tepelným vodičem a může také narušit přilnavost následné metalizace. Na prášku nebo materiálu s nízkou hustotou probíhá reakce rychle. Na plně hustých podkladech je tento jev pomalejší a lokalizovaný, avšak stále měřitelný i po týdnech vystavení relativní vlhkosti nad 60 %. Jelikož tepelný odpor obalu je součtem objemového vedení a odporů na rozhraní, může i tenká reakční vrstva o tloušťce několika mikrometrů přidat při vysokém tepelném toku několik desetin stupně na watt.
V rámci kontrolovaného testu vystavení vlivům prostředí byly substráty z AlN o tloušťce 0,5 mm s naměřenou objemovou vodivostí 185 W/m·K pokoveny a sestaveny do výkonových modulů. Polovina modulů byla skladována po dobu 500 hodin při teplotě 85 °C a relativní vlhkosti 85 %; druhá polovina byla udržována při stejné teplotě v suchém dusíku. Po expozici se tepelný odpor mezi přechodem a pouzdrem při zátěži 40 W zvýšil o 0,18 °C/W u modulů skladovaných ve vlhkém prostředí, zatímco u modulů skladovaných v suchu zůstal nezměněn. Průřezy ukázaly u vzorků skladovaných ve vlhkém prostředí nesouvislou povrchovou vrstvu o tloušťce přibližně 2–4 µm. Měření metodou laserového záblesku na doprovodných nemetalizovaných vzorcích potvrdila, že objemová vodivost zůstala nezměněna, čímž byl přidaný odpor přiřazen povrchovým reakčním produktům. Moduly, které byly slinuty na vyšší hustotu (otevřená pórovitost pod 0,2 %), vykazovaly při stejném vystavení vlhkosti přibližně poloviční nárůst odporu.
Praktickými opatřeními jsou tedy zhutnění a ochrana povrchu. Zbytková pórovitost musí být natolik nízká, aby vlhkost nemohla proniknout do vnitřku zrn; tenká, souvislá ochranná vrstva nebo metalizace, která zcela pokrývá volné povrchy, dále omezuje reakci. Pokud jde o citlivost nitridu hliníku na vlhkost při hydrolýze, jsou relevantními procesními proměnnými hustota slinování, zbytková otevřená pórovitost a neporušenost případné následné vrstvy. Spolehlivost substrátů AlN při teplotních cyklech ve vlhkých podmínkách se potvrzuje měřením tepelného odporu obalu před a po zrychlené expozici vlhkosti, nikoli pouze na základě objemové vodivosti. Pokud po skladování nebo expozici ve vlhkém ovzduší dojde ke zvýšení tepelného odporu, rozhodujícím důkazem je nárůst odporu na rozhraní bez změny objemové vodivosti. Dosažení téměř plné hustoty a ochrana volných povrchů, jak dokládá menší nárůst odporu u substrátů s vyšší hustotou v testu při 85 °C / 85 % RH, omezuje degradaci způsobenou vlhkostí a zachovává schopnost rozvodu tepla nitridu hliníku.