Γιατί οι συσκευασίες από νιτρίδιο αλουμινίου χάνουν την ικανότητα διάχυσης της θερμότητας μετά από έκθεση σε υγρασία
Μετά από δώδεκα χρόνια εργασίας με υποστρώματα νιτριδίου αλουμινίου σε συσκευασίες ισχύος και ραδιοσυχνοτήτων, ένα επίμονο πρόβλημα αποτελεί η σταδιακή αύξηση της μετρούμενης θερμικής αντίστασης μετά την αποθήκευση ή τη λειτουργία των συσκευών σε υγρά περιβάλλοντα. Η αύξηση αυτή δεν εξηγείται μόνο από την κόπωση της συγκόλλησης ή την επαφή με τον ψύκτη. Το νιτρίδιο του αλουμινίου αντιδρά με την υγρασία, και τα προϊόντα της αντίδρασης μπορούν να αυξήσουν τη θερμική αντίσταση στα όρια στις ελεύθερες επιφάνειες και στις διεπαφές, ακόμη και όταν η αγωγιμότητα του κεραμικού στον όγκο παραμένει υψηλή.
Το πυκνό AlN είναι σχετικά σταθερό, ωστόσο η υπολειμματική ανοιχτή πορώδης δομή ή τα ατελώς πυροσυσσωματωμένα όρια κόκκων επιτρέπουν στον υδρατμό να φτάσει στις αντιδραστικές επιφάνειες. Η αντίδραση παράγει υδροξείδια αλουμινίου και αμμωνία· το στρώμα υδροξειδίου είναι κακός θερμικός αγωγός και μπορεί επίσης να διαταράξει την πρόσφυση της μεταγενέστερης μεταλλικοποίησης. Σε σκόνη ή υλικό χαμηλής πυκνότητας η αντίδραση είναι ταχεία. Σε πλήρως πυκνά υποστρώματα, το φαινόμενο είναι πιο αργό και εντοπισμένο, αλλά εξακολουθεί να είναι μετρήσιμο μετά από εβδομάδες έκθεσης σε σχετική υγρασία άνω του 60 %. Επειδή η θερμική αντίσταση της συσκευασίας είναι το άθροισμα της αντίστασης αγωγής του όγκου και των αντιστάσεων διεπαφής, ακόμη και ένα λεπτό στρώμα αντίδρασης λίγων μικρομέτρων μπορεί να προσθέσει αρκετά δέκατα του βαθμού ανά βατ υπό υψηλή ροή θερμότητας.
Σε μια δοκιμή ελεγχόμενης έκθεσης, υποστρώματα AlN πάχους 0,5 mm με μετρημένη αγωγιμότητα όγκου 185 W/m·K υποβλήθηκαν σε μεταλλικοποίηση και συναρμολογήθηκαν σε μονάδες ισχύος. Τα μισά από τα δομοστοιχεία αποθηκεύτηκαν για 500 ώρες στους 85 °C και σχετική υγρασία 85 %· τα υπόλοιπα μισά διατηρήθηκαν στην ίδια θερμοκρασία σε ξηρό άζωτο. Μετά την έκθεση, η θερμική αντίσταση μεταξύ της σύνδεσης και του περιβλήματος υπό φορτίο 40 W αυξήθηκε κατά 0,18 °C/W στις μονάδες που αποθηκεύτηκαν σε υγρό περιβάλλον, ενώ παρέμεινε αμετάβλητη στις μονάδες που αποθηκεύτηκαν σε ξηρό περιβάλλον. Οι διατομές έδειξαν ένα ασυνεχές επιφανειακό στρώμα πάχους περίπου 2–4 µm στα δείγματα που αποθηκεύτηκαν σε υγρό περιβάλλον. Οι μετρήσεις με λέιζερ-φλας σε αντίστοιχα μη μεταλλωμένα δείγματα επιβεβαίωσαν ότι η αγωγιμότητα του εσωτερικού υλικού παρέμεινε αμετάβλητη, απομονώνοντας την πρόσθετη αντίσταση στα προϊόντα της επιφανειακής αντίδρασης. Τα δομοστοιχεία που είχαν υποστεί πυροσυσσωμάτωση σε υψηλότερη πυκνότητα (ανοιχτό πορώδες κάτω από 0,2 %) παρουσίασαν περίπου τη μισή αύξηση της αντίστασης υπό την ίδια έκθεση σε υγρασία.
Οι πρακτικοί έλεγχοι είναι, επομένως, η πυκνότητα και η προστασία της επιφάνειας. Το υπολειμματικό πορώδες πρέπει να είναι αρκετά χαμηλό ώστε η υγρασία να μην μπορεί να φτάσει στο εσωτερικό των κόκκων· μια λεπτή, συνεχής προστατευτική επίστρωση ή επιμετάλλωση που καλύπτει πλήρως τις ελεύθερες επιφάνειες περιορίζει περαιτέρω την αντίδραση. Όσον αφορά την ευαισθησία του νιτριδίου του αλουμινίου στην υδρόλυση λόγω υγρασίας, οι σχετικές μεταβλητές της διαδικασίας είναι η πυκνότητα πυροσυσσωμάτωσης, το υπολειμματικό ανοιχτό πορώδες και η ακεραιότητα οποιασδήποτε μεταγενέστερης επίστρωσης. Η αξιοπιστία των θερμικών κύκλων του υποστρώματος AlN σε υγρές συνθήκες επιβεβαιώνεται με τη μέτρηση της θερμικής αντίστασης της συσκευασίας πριν και μετά την επιταχυνόμενη έκθεση σε υγρασία και όχι μόνο με βάση την ογκομετρική αγωγιμότητα. Όταν η θερμική αντίσταση αυξάνεται μετά από αποθήκευση ή έκθεση στο περιβάλλον σε υγρό αέρα, το διακριτικό στοιχείο είναι η αύξηση της αντίστασης στη διεπαφή χωρίς αλλαγή στην ογκομετρική αγωγιμότητα. Η επίτευξη σχεδόν πλήρους πυκνότητας και η προστασία των ελεύθερων επιφανειών, όπως αποδεικνύεται από τη μικρότερη αύξηση της αντίστασης στα υποστρώματα υψηλότερης πυκνότητας στη δοκιμή 85 °C / 85 % RH, περιορίζει την υποβάθμιση που προκαλείται από την υγρασία και διατηρεί την απόδοση διάχυσης θερμότητας του νιτριδίου του αλουμινίου.