Το νιτρίδιο του αλουμινίου μεταφέρει τη θερμότητα όπως ένα μέταλλο, αλλά εξακολουθεί να εμποδίζει τη διέλευση ρεύματος

Η αλουμίνα αποτελεί το βασικό κεραμικό υπόστρωμα για έναν λόγο. Είναι φθηνή, ανθεκτική και εύκολη στη μεταλλικοποίηση. Είναι, ωστόσο, κακός θερμικός αγωγός. Μια πλακέτα 96% από Al₂O₃ έχει θερμική αγωγιμότητα περίπου 20–30 W/m·K. Το νιτρίδιο του αλουμινίου, όταν κατασκευάζεται σωστά, κυμαίνεται στο εύρος των 170–200 W/m·K, μερικές φορές λίγο πάνω από 200. Θεωρητικά, για έναν τέλειο μονοκρύσταλλο η τιμή πλησιάζει τα 320. Κανείς όμως δεν διαθέτει κάτι τέτοιο στην αγορά. Αυτό που διαθέτουμε είναι ένας πυροσυσσωματωμένος μονωτής που μπορεί να απομακρύνει τη θερμότητα από το τσιπ ενός τροφοδοτικού χωρίς να μετατραπεί σε αγωγό.

Αυτός ο συνδυασμός είναι το κλειδί. Τα μέταλλα αγωγούν τη θερμότητα και το ρεύμα. Τα περισσότερα κεραμικά εμποδίζουν το ρεύμα και παγιδεύουν τη θερμότητα. Το νιτρίδιο του αλουμινίου παρέχει ταυτόχρονα αγωγιμότητα και μόνωση, με συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE) περίπου 4,5 ppm/°C — κοντά σε αυτό του πυριτίου. Η αλουμίνα διαστέλλεται περισσότερο, περίπου 6,5–7,5. Σε μια συσκευή IGBT υψηλής ισχύος ή SiC, αυτή η ασυμφωνία εκδηλώνεται ως κόπωση της συγκόλλησης και αποκόλληση του φύλλου χαλκού. Το BeO είναι ακόμη καλύτερος αγωγός, αλλά εξακολουθούμε να το αποφεύγουμε όποτε είναι δυνατόν. Η τοξικότητα δεν είναι απλώς μια υποσημείωση στο δελτίο τεχνικών χαρακτηριστικών.

Το οξυγόνο είναι η προσμείξη που καταστρέφει την ιστορία της αγωγιμότητας. Το οξυγόνο του πλέγματος δημιουργεί κενά αλουμινίου. Τα φωνόνια διασκορπίζονται. Η σκόνη με οξυγόνο σε ποσοστό μερικών τοις εκατό υποβάλλεται σε πυροσυσσωμάτωση και μετατρέπεται σε κάτι που μοιάζει με AlN και παρουσιάζει τιμή κοντά στα 100 W/m·K. Η σκόνη με χαμηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο, σε συνδυασμό με ένα βοηθητικό υλικό πυροσυσσωμάτωσης που απορροφά το οξυγόνο σε μια φάση στα όρια των κόκκων — συνήθως η υττρία — είναι ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται η ποιότητα άνω των 170. Η πυκνότητα πρέπει να είναι υψηλή. Οι υπολειπόμενοι πόροι αποτελούν ένα ακόμη σημείο σκέδασης. Επομένως, η ένδειξη “υπόστρωμα AlN” σε ένα PO δεν αποτελεί ένδειξη ποιότητας. Ζητήστε πληροφορίες για τη θερμική αγωγιμότητα, όχι μόνο για τη χημική σύνθεση.

Ο χειρισμός της σκόνης είναι το σημείο όπου τα εργαστήρια αντιμετωπίζουν εκπλήξεις. Το λεπτό AlN υδρολύεται. Αν το αφήσετε σε υγρό αέρα, σχηματίζεται μια στρώση υδροξειδίου και αυξάνεται η περιεκτικότητα σε οξυγόνο που μόλις πληρώσατε για να απομακρύνετε. Ξηρή αποθήκευση, σύντομος χρόνος έκθεσης, ενίοτε επιφανειακή επεξεργασία. Αυτό δεν είναι υπερβολική προσοχή. Είναι ο τρόπος με τον οποίο η τιμή k διατηρείται μέχρι τον κλίβανο.

Χρησιμοποιούμε νιτρίδιο αλουμινίου εκεί όπου το θερμικό σύστημα το χρειάζεται πραγματικά: πλακέτες ισχύος DBC και DPC, συσκευασίες RF, υποβάσεις λέιζερ και LED, καθώς και ορισμένα εξαρτήματα επεξεργασίας ημιαγωγών. Αν η μονάδα παραγωγής έχει ισχύ λίγων βατ και ο ψύκτης αποτελεί το σημείο συμφόρησης, η αλουμίνα εξακολουθεί να υπερισχύει από πλευράς τιμής. Αν μεταφέρετε δεκάδες βατ μέσω ενός λεπτού κεραμικού υλικού σε χαλκό, η πτώση θερμοκρασίας στο υπόστρωμα της αλουμίνας δεν είναι πλέον δωρεάν. Το κεραμικό υλικό κοστίζει περισσότερο. Η ανταμοιβή είναι η μονάδα που δεν παρουσιάζει περιορισμό απόδοσης ούτε αποκόλληση.

Η μηχανική κατεργασία και η επιμετάλλωση απαιτούν την ίδια ακρίβεια. Το AlN δεν είναι τόσο ανεκτικό όσο η αλουμίνα 96%. Οι άκρες σπάζουν. Η συγκόλληση χαλκού πρέπει να προσαρμόζεται στη διαστολή. Ένας όμορφος δίσκος 180 W/m·K με κακή διεπαφή δεν είναι παρά ένας ακριβός μονωτής. Καθορίστε από κοινού το k, το πάχος, την επιφάνεια και το σύστημα μετάλλων. Το νιτρίδιο του αλουμινίου είναι μια θερμική διαδρομή που τυχαίνει να είναι κεραμικό. Αν το αντιμετωπίσετε έτσι, θα δικαιολογήσει την υψηλή του τιμή. Αν το αντιμετωπίσετε σαν λευκή αλουμίνα με καλύτερο διαφημιστικό φυλλάδιο, δεν θα το δικαιολογήσει.