Warum Aluminiumnitrid-Gehäuse nach Einwirkung von Feuchtigkeit ihre Wärmeableitfähigkeit verlieren
Nach zwölf Jahren Erfahrung mit Aluminiumnitrid-Substraten in Leistungs- und HF-Gehäusen stellt ein anhaltendes Problem den allmählichen Anstieg des gemessenen thermischen Widerstands dar, nachdem die Bauelemente in feuchten Umgebungen gelagert oder betrieben wurden. Dieser Anstieg lässt sich nicht allein durch Lötmittelermüdung oder den Kontakt zum Kühlkörper erklären. Aluminiumnitrid reagiert mit Feuchtigkeit, und die Reaktionsprodukte können den thermischen Grenzflächenwiderstand an freien Oberflächen und an Grenzflächen erhöhen, selbst wenn die Volumeleitfähigkeit der Keramik hoch bleibt.
Dichtes AlN ist relativ stabil, doch verbleibende offene Porosität oder unvollständig gesinterte Korngrenzen ermöglichen es Wasserdampf, reaktive Oberflächen zu erreichen. Bei der Reaktion entstehen Aluminiumhydroxide und Ammoniak; die Hydroxidschicht ist ein schlechter Wärmeleiter und kann zudem die Haftung einer nachfolgenden Metallisierung beeinträchtigen. Auf Pulver oder Materialien mit geringer Dichte verläuft die Reaktion schnell. Auf vollständig dichten Substraten verläuft der Prozess langsamer und lokal begrenzt, ist jedoch auch nach wochenlanger Einwirkung einer relativen Luftfeuchtigkeit von über 60 % noch messbar. Da sich der thermische Widerstand einer Baugruppe aus der Summe der Volumeleitungs- und Grenzflächenwiderstände ergibt, kann bereits eine dünne Reaktionsschicht von wenigen Mikrometern bei hohem Wärmefluss zu einem Anstieg von mehreren Zehntel Grad pro Watt führen.
In einem kontrollierten Belastungsversuch wurden 0,5 mm dicke AlN-Substrate mit einer gemessenen Volumeleitfähigkeit von 185 W/m·K metallisiert und zu Leistungsmodulen zusammengebaut. Die Hälfte der Module wurde 500 Stunden lang bei 85 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85 % gelagert; die andere Hälfte wurde bei derselben Temperatur in trockenem Stickstoff aufbewahrt. Nach der Lagerung stieg der thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse unter einer Last von 40 W bei den feucht gelagerten Modulen um 0,18 °C/W an, während er bei den trocken gelagerten Modulen unverändert blieb. Querschnitte zeigten bei den feucht gelagerten Proben eine diskontinuierliche Oberflächenschicht mit einer Dicke von etwa 2–4 µm. Laser-Flash-Messungen an entsprechenden, nicht metallisierten Rohlingen bestätigten, dass die Volumeleitfähigkeit unverändert blieb, wodurch der zusätzliche Widerstand auf die Oberflächenreaktionsprodukte zurückgeführt werden konnte. Module, die auf eine höhere Dichte gesintert worden waren (offene Porosität unter 0,2 %), wiesen bei gleicher Feuchtebelastung etwa die Hälfte des Widerstandsanstiegs auf.
Die praktischen Maßnahmen sind daher Verdichtung und Oberflächenschutz. Die Restporosität muss so gering sein, dass Feuchtigkeit nicht ins Korninnere gelangen kann; eine dünne, durchgehende Schutzschicht oder Metallisierung, die freie Oberflächen vollständig bedeckt, schränkt die Reaktion zusätzlich ein. Für die Feuchtigkeitsempfindlichkeit bei der Hydrolyse von Aluminiumnitrid sind die relevanten Prozessvariablen die Sinterdichte, die verbleibende offene Porosität und die Unversehrtheit einer eventuell nachträglich aufgebrachten Beschichtung. Die Zuverlässigkeit von AlN-Substraten bei Temperaturwechselbeanspruchung unter feuchten Bedingungen wird durch die Messung des thermischen Widerstands der Baugruppe vor und nach einer beschleunigten Feuchtigkeitsbelastung bestätigt und nicht allein durch die Volumeleitfähigkeit. Steigt der thermische Widerstand nach der Lagerung oder dem Einsatz in feuchter Luft an, ist das entscheidende Anzeichen ein Anstieg des Grenzflächenwiderstands bei unveränderter Volumeleitfähigkeit. Das Erreichen einer nahezu vollen Dichte und der Schutz freier Oberflächen – wie durch den geringeren Widerstandsanstieg bei den Substraten mit höherer Dichte im 85 °C / 85 % RH-Test gezeigt – begrenzt die feuchtigkeitsbedingte Verschlechterung und bewahrt die Wärmeverteilungsleistung von Aluminiumnitrid.