Miks kaotavad alumiiniumnitriidist korpused niiskusele kokkupuutumise järel soojuse hajutamise võime?
Pärast kaheteistkümne aasta pikkust tööd alumiiniumnitriidist alusplaatidega võimsus- ja RF-pakettides on üks püsiv probleem mõõdetud soojustakistuse järkjärguline suurenemine pärast seadmete ladustamist või kasutamist niiskes keskkonnas. Seda suurenemist ei saa seletada üksnes jootmise väsimusega ega jahutusradiaatori kontaktiga. Alumiiniumnitriid reageerib niiskusega ning reaktsioonisaadused võivad suurendada soojuspiirkonna takistust vabadel pindadel ja liidestel isegi siis, kui keraamika mahujuhtivus jääb kõrgeks.
Tihe AlN on suhteliselt stabiilne, kuid järelejäänud avatud poorsus või ebatäielikult paagutatud tera piirid võimaldavad veeaurul jõuda reaktiivsetele pindadele. Reaktsiooni tulemusena tekivad alumiiniumhüdroksiidid ja ammoniaak; hüdroksiidikihi soojusjuhtivus on halb ning see võib häirida ka järgneva metalliseerimise haardumist. Pulbril või madala tihedusega materjalil kulgeb reaktsioon kiiresti. Täielikult tihedatel alusmaterjalidel on see protsess aeglasem ja piiratud, kuid siiski mõõdetav isegi pärast nädalaid kestnud kokkupuudet üle 60 % suhtelise niiskusega. Kuna pakendi soojustakistus on mahu soojusjuhtivuse ja liidestakistuste summa, võib isegi mõne mikromeetri paksune reaktsioonikiht suurendada soojusvoo korral soojustakistust mitme kümnendkraadi võrra vati kohta.
Kontrollitud kokkupuute katses metalliseeriti 0,5 mm paksused AlN-substraatid, mille mõõdetud mahujuhtivus oli 185 W/m·K, ning need monteeriti võimsusmoodulitesse. Pool moodulitest hoiti 500 tundi temperatuuril 85 °C ja suhtelise niiskuse juures 85 %; teine pool hoiti samal temperatuuril kuivas lämmastikus. Pärast kokkupuudet tõusis 40 W koormuse juures ülemineku-korpuse soojustakistus niiskes keskkonnas hoitud moodulitel 0,18 °C/W võrra, samas kui kuivas keskkonnas hoitud moodulitel jäi see muutumatuks. Ristlõiked näitasid niisketes proovides umbes 2–4 µm paksust katkendlikku pinnakihti. Laser-flash-mõõtmised metallimata tühimudelitel kinnitasid, et materjali juhtivus oli muutumatu, mis võimaldas eristada lisandunud takistust pinnareaktsiooni saadustest. Moodulid, mis olid paagutatud suurema tiheduseni (avatud poorsus alla 0,2 %), näitasid sama niiskusele eksponeerimise korral ligikaudu poole väiksemat takistuse suurenemist.
Seetõttu on praktilised meetmed tiheduse suurendamine ja pinna kaitse. Jääkpoorsus peab olema piisavalt madal, et niiskus ei pääseks terade sisemusse; õhuke, katkematu kaitsekiht või metalliseerimine, mis katab vabad pinnad täielikult, piirab reaktsiooni veelgi. Alumiiniumnitriidi hüdrolüüsi niiskustundlikkuse puhul on asjakohased protsessimuutujad paagutustihedus, jääkpoorsus ja mis tahes järgneva kattekihi terviklikkus. AlN-substraadi termotsüklite töökindlus niisketes tingimustes kinnitatakse, mõõtes pakendi soojustakistust enne ja pärast kiirendatud niiskusele eksponeerimist, mitte ainult mahujuhivuse põhjal. Kui soojustakistus tõuseb pärast ladustamist või kasutamist niiskes õhus, on eristavaks tunnuseks liidese takistuse suurenemine, ilma et mahujuhivus muutuks. Peaaegu täieliku tiheduse saavutamine ja vabade pindade kaitsmine – mida näitab väiksem takistuse tõus suurema tihedusega substraatidel 85 °C / 85 % RH katses – piirab niiskusest tingitud lagunemist ja säilitab alumiiniumnitriidi soojuse levitamise võime.