Hvorfor aluminiumnitrid-pakker mister deres varmespredningsevne efter udsættelse for fugt
Efter tolv års arbejde med aluminiumnitrid-substrater i effekt- og RF-pakker er et vedvarende problem den gradvise stigning i den målte termiske modstand, efter at komponenterne har været opbevaret eller anvendt i fugtige omgivelser. Stigningen kan ikke alene forklares med loddeudmattelse eller kontakt med kølepladen. Aluminiumnitrid reagerer med fugt, og reaktionsprodukterne kan øge den termiske grænseværdimodstand ved frie overflader og ved grænseflader, selv når keramikens ledningsevne i selve materialet forbliver høj.
Tæt AlN er relativt stabilt, men resterende åben porøsitet eller ufuldstændigt sintrede korngrænser gør det muligt for vanddamp at nå frem til reaktive overflader. Reaktionen danner aluminiumhydroxider og ammoniak; hydroxidlaget er en dårlig varmeleder og kan desuden forringe vedhæftningen ved efterfølgende metallisering. På pulver eller materiale med lav densitet forløber reaktionen hurtigt. På fuldt tætte underlag er effekten langsommere og lokaliseret, men stadig målbar efter flere ugers eksponering ved en relativ luftfugtighed på over 60 %. Da emballagens termiske modstand er summen af bulkledningsmodstand og grænseflademodstand, kan selv et tyndt reaktionslag på få mikrometer tilføje flere tiendedele af en grad pr. watt ved høj varmestrøm.
I et kontrolleret eksponeringsforsøg blev 0,5 mm AlN-substrater med en målt volumenledningsevne på 185 W/m·K metalliseret og samlet til effektmoduler. Halvdelen af modulerne blev opbevaret i 500 timer ved 85 °C og 85 % relativ luftfugtighed; den anden halvdel blev opbevaret ved samme temperatur i tørt nitrogen. Efter eksponeringen steg den termiske modstand mellem krydsfeltet og kabinettet under en belastning på 40 W med 0,18 °C/W på de fugtigt opbevarede moduler, mens den forblev uændret på de tørt opbevarede moduler. Tværsnit viste et diskontinuerligt overfladelag med en tykkelse på ca. 2–4 µm på de fugtige prøver. Laser-flash-målinger på tilhørende umetalliserede prøveemner bekræftede, at bulkledningsevnen var uændret, hvilket isolerede den tilføjede modstand til overfladereaktionsprodukterne. Moduler, der var blevet sintret til en højere tæthed (åben porøsitet under 0,2 %), udviste omtrent halvdelen af modstandsstigningen under den samme fugtige eksponering.
De praktiske foranstaltninger er derfor fortætning og overfladebeskyttelse. Den resterende porøsitet skal være så lav, at fugt ikke kan trænge ind i kornene; et tyndt, sammenhængende beskyttende lag eller metallisering, der fuldstændigt dækker de frie overflader, begrænser reaktionen yderligere. Med hensyn til fugtfølsomheden ved hydrolyse af aluminiumnitrid er de relevante procesvariabler sintringsdensitet, resterende åben porøsitet og integriteten af eventuelle efterfølgende belægninger. AlN-substratets pålidelighed ved termiske cyklusser under fugtige forhold bekræftes ved at måle pakkens termiske modstand før og efter accelereret fugtighedseksponering snarere end alene ved hjælp af bulkledningsevnen. Når den termiske modstand stiger efter opbevaring eller eksponering i fugtig luft, er det afgørende tegn en stigning i grænseflademodstanden uden ændring i bulkledningsevnen. Opnåelse af næsten fuld tæthed og beskyttelse af frie overflader – som demonstreret ved den mindre stigning i modstanden på substraterne med højere tæthed i 85 °C / 85 % RH-forsøget – begrænser fugtinduceret nedbrydning og bevarer aluminiumnitridets varmespredningsevne.