Kial aluminia nitrida pakaĵoj perdas varmodisvastigan kapablon post humida eksponiĝo
Post dek du jaroj da laboro kun aluminia nitrida substratoj en potencaj kaj RF-pakaĵoj, unu persistanta problemo estas la graduala pliiĝo de la mezurita termika rezisto post kiam la aparatoj estis stokitaj aŭ funkciigitaj en humidaj medioj. La pliiĝo ne estas klarigita per lodo-laceco aŭ per varmodissipa kontaktado sole. Aluminia nitrido reagas kun humido, kaj la reakciaj produktoj povas plialtigi la termikan baran reziston ĉe liberaj surfacoj kaj ĉe interfacoj, eĉ kiam la volumena konduktiveco de la ceramiko restas alta.
Densa AlN estas relative stabila, tamen resta malfermita poreco aŭ neplene sinteritaj grajnlimigoj permesas al akvovaporo atingi reaktivajn surfacojn. La reago produktas aluminiajn hidroksidojn kaj amoniakon; la hidroksida tavolo estas malbona termika konduktanto kaj ankaŭ povas malhelpi la adheron de posta metalizado. Sur pulvoro aŭ malalt-denseca materialo la reago estas rapida. Sur plene densaj substratoj la efiko estas pli malrapida kaj loka, tamen ankoraŭ mezurebla post semajnoj da eksponiĝo super 60 % relativa humideco. Ĉar la termika rezisto de la pakaĵo estas la sumo de la rezistoj de la maso kaj de la interfacoj, eĉ maldika reaga tavolo de kelkaj mikrometroj povas aldoni plurajn dekonojn de grado po vato sub alta varmofluo.
En kontrolita ekspozicia testo, 0,5 mm AlN-substratoj kun mezurita volumena konduktiveco de 185 W/m·K estis metalizitaj kaj muntitaj en potencajn modulojn. Duono de la moduloj estis stokitaj dum 500 horoj ĉe 85 °C kaj 85 % relativa humideco; la alia duono estis tenata ĉe la sama temperaturo en seka nitrogeno. Post la ekspono, la termika rezisto de la junturo al la kazo sub ŝarĝo de 40 W pliiĝis je 0,18 °C/W ĉe la modulkomponantoj stokitaj en humida medio, dum ĝi restis senŝanĝa ĉe tiuj stokitaj en seka nitrogeno. Transsekcoj montris diskontinuan surfacan tavolon, proksimume 2–4 µm dikan, sur la humidaj specimenoj. Laser-fulmaj mezuroj sur akompanaj nemetalizitaj specimenoj konfirmis, ke la masiva konduktiveco restis senŝanĝa, izolante la aldonitan reziston al la surfacaj reagaĵoj. Moduloj, kiuj estis sinteritaj al pli alta denseco (malferma poreco sub 0,2 %), montris proksimume duonon de la rezista pliiĝo sub la sama humida ekspono.
La praktikaj kontroloj estas tial densigo kaj surfaca protektado. Restanta poreco devas esti sufiĉe malalta, por ke humideco ne povu atingi la internon de la grajnoj; maldika, kontinua protekta tegaĵo aŭ metalizado, kiu plene kovras liberajn surfacojn, plue limigas la reagon. Por la humideca sentiveco de aluminia nitrido dum hidrolizo, la rilataj procezaj variabloj estas sinteriga denseco, restanta malfermita poreco, kaj la integreco de ajna posta tegaĵo. La fidindeco de termika ciklado de AlN-substratoj en humidaj kondiĉoj estas konfirmita per mezurado de la termika rezisto de la pakaĵo antaŭ kaj post akcelita humideca ekspono, anstataŭ nur per la volumena konduktiveco. Kiam la termika rezisto plialtiĝas post stokado aŭ kamp-ekspono en humida aero, la distingiga pruvo estas pliiĝo de interfaca rezisto sen ŝanĝo en la volumena konduktiveco. Atingi preskaŭ plenan densecon kaj protekti liberajn surfacojn, kiel demonstras la pli malgranda pliiĝo de rezisto ĉe la pli densaj substratoj en la provo je 85 °C / 85 % UR, limigas malsekeco-induktitan degeneron kaj konservas la varmodisvastigan efikecon de aluminia nitrido.