Aluminiumnitrid leder varme som et metal og blokerer alligevel strømmen

Aluminiumoxid er ikke uden grund det mest anvendte keramiske substrat. Det er billigt, stærkt og let at metallisere. Det er dog et dårligt varmerør. Et 96% Al₂O₃-kort har en varmeledningsevne på omkring 20–30 W/m·K. Aluminiumnitrid, når det er udført korrekt, ligger i området 170–200 W/m·K, nogle gange lidt over 200. Teoretisk set ligger værdien for en perfekt enkeltkrystal tæt på 320. Det er der ingen, der leverer. Det, vi leverer, er en sintret isolator, der kan lede varmen væk fra en chip i et strømmodul uden selv at blive en leder.

Det er netop den kombination, der er opgaven. Metaller leder varme og strøm. De fleste keramiske materialer blokerer strøm og holder på varmen. Aluminiumnitrid fungerer både som varmeleder og isolator på samme tid, med en CTE på omkring 4,5 ppm/°C – tæt på silicium. Aluminiumoxid udvider sig mere i stil med 6,5–7,5. I en højtydende IGBT- eller SiC-enhed viser denne uoverensstemmelse sig som loddeudmattelse og afskalning af kobberfolien. BeO leder endnu bedre, og alligevel undgår vi det, når vi kan. Toksicitet er ikke blot en fodnote i et datablade.

Ilt er den urenhed, der ødelægger ledningsevnen. Gitterilt skaber tomrum i aluminium. Fononer spredes. Pulver med et par procent ilt sintres til noget, der ligner AlN og måler tættere på 100 W/m·K. Pulver med lavt iltindhold kombineret med et sintringshjælpemiddel, der trækker ilt ind i en korngrænsefase – yttriumoxid er det mest almindelige – er vejen til at opnå en kvalitet på over 170. Tætheden skal være høj. Restporer udgør endnu et spredningssted. Så “AlN-substrat” på en produktoversigt er ikke en kvalitet. Spørg efter varmeledningsevnen, ikke kun kemisk sammensætning.

Det er ved håndtering af pulver, at værkstederne bliver overraskede. Fint AlN hydrolyserer. Lader man det stå i fugtig luft, dannes der en hydroxidhinde, og iltindholdet stiger – netop det ilt, man netop har betalt for at fjerne. Tør opbevaring, kort åbningstid og undertiden en overfladebehandling. Det er ikke kræsenhed. Det er sådan, k-værdien bevares indtil ovnen.

Vi bruger aluminiumnitrid dér, hvor varmeledningsstakken rent faktisk har brug for det: DBC- og DPC-effektkort, RF-pakker, underlag til lasere og LED’er samt visse komponenter til halvlederproduktion. Hvis chippen kun bruger et par watt, og kølepladen udgør flaskehalsen, er aluminiumoxid stadig det billigste valg. Hvis man leder snesevis af watt gennem en tynd keramisk plade og videre til kobber, er temperaturfaldet på aluminiumoxid ikke længere gratis. Keramikken koster mere. Modulet, der hverken bliver overophedet eller delaminerer, er gevinsten.

Bearbejdning og metallisering kræver samme omhyggelighed. AlN er ikke lige så ukompliceret som 96%-aluminiumoxid. Kanterne fliser af. Kobberbinding skal tilpasses udvidelsen. En smuk skive på 180 W/m·K med en dårlig grænseflade er blot en dyr isolator. Angiv k, tykkelse, overflade og metalsystemet samlet. Aluminiumnitrid er en varmebane, der tilfældigvis er et keramisk materiale. Behandl det på den måde, og det fortjener sin høje pris. Behandl det som hvidt aluminiumoxid med en flottere brochure, og det gør det ikke.