Alumiininitridi johtaa lämpöä kuten metalli, mutta estää silti virran kulun

Alumiinioksidi on syystäkin yleisimmin käytetty keraaminen substraatti. Se on edullista, lujaa ja helppo metallisoida. Se on kuitenkin huono lämmönjohtaja. 96%-tyyppisen Al₂O₃-levyn lämmönjohtavuus on noin 20–30 W/m·K. Oikein valmistettu alumiinit nitridi saavuttaa 170–200 W/m·K:n alueen, joskus hieman yli 200. Teoreettinen arvo täydelliselle yksikiteelle on lähellä 320:tä. Kukaan ei kuitenkaan toimita sellaista. Me toimitamme sintrattua eristettä, joka voi johtaa piisirun lämmön pois tehomoduulista muuttumatta johtavaksi.

Juuri tuossa yhdistelmässä piilee tehtävän ydin. Metallit johtavat lämpöä ja sähkövirtaa. Useimmat keraamit estävät sähkövirran kulun ja eristävät lämpöä. Alumiinit nitridi toimii samanaikaisesti lämmönjohtimena ja eristeenä, ja sen lämpölaajenemiskerroin (CTE) on noin 4,5 ppm/°C – lähellä piin arvoa. Alumiinioksidin laajenemiskerroin on puolestaan noin 6,5–7,5. Suuritehoisessa IGBT- tai SiC-komponentissa tämä yhteensopimattomuus ilmenee juotosväsymyksenä ja kuparifolion irtoamisena. BeO johtaa lämpöä vielä paremmin, mutta vältämme sitä silti aina kun mahdollista. Myrkyllisyys ei ole pelkkä tuotetiedotteen alaviite.

Happi on se epäpuhtaus, joka pilaa johtavuuden. Hila-happi aiheuttaa alumiinivajeita. Fononit hajoavat. Jauhe, jossa on muutama prosentti happea, sintrataan aineeksi, joka näyttää AlN:ltä ja jonka lämmönjohtavuus on lähempänä 100 W/m·K. Alhaisen happipitoisuuden omaava jauhe yhdistettynä sintrausapuaineeseen, joka vetää happea raerajavaiheeseen – yleensä käytetään yttriaa – on keino saavuttaa yli 170:n luokitus. Tiheyden on oltava korkea. Jäljelle jääneet huokoset ovat toinen sironta-alue. Siksi PO:ssa mainittu “AlN-substraatti” ei ole luokitus. Kysy lämmönjohtavuutta, älä pelkästään kemiallista koostumusta.

Jauheen käsittely on se osa, joka yllättää työpajat. Hienojakoinen AlN hydrolysoituu. Jos se jätetään kosteaan ilmaan, sen pinnalle muodostuu hydroksidikerros ja hapen pitoisuus nousee – juuri se happi, jonka poistamisesta olet juuri maksanut. Kuiva varastointi, lyhyt avonaisaika, toisinaan pintakäsittely. Se ei ole turhaa vaivannäköä. Se on se tapa, jolla k-arvo säilyy uuniin asti.

Käytämme alumiinitridiä siellä, missä lämpöjohdinrakenteessa sille on todellista tarvetta: DBC- ja DPC-tehokorteissa, RF-pakkauksissa, laser- ja LED-alustissa sekä joissakin puolijohdeprosessin osissa. Jos piisiru tuottaa muutaman watin tehoa ja jäähdytyselementti on pullonkaula, alumiinioksidi on edelleen hintakilpailussa edullisempi vaihtoehto. Jos siirrät kymmeniä watteja ohuen keraamisen levyn kautta kupariin, alumiinioksidin lämpötilapudotus ei ole enää ilmainen. Keraaminen materiaali maksaa enemmän. Moduuli, joka ei ylikuormitu tai delaminoidu, on siinä vastineena.

Koneistus ja metallointi vaativat yhtä suurta huolellisuutta. AlN ei ole yhtä vaivaton materiaali kuin 96%-alumiinioksidi. Reunat lohkeilevat. Kupariliitoksen on vastattava lämpölaajenemista. Kaunis 180 W/m·K -levy, jonka rajapinta on huono, on pelkkä kallis eriste. Määritä k-arvo, paksuus, pinta ja metallijärjestelmä yhdessä. Alumiinitrid on lämmönjohtoreitti, joka sattuu olemaan keraaminen. Kohtele sitä sellaisena, niin se ansaitsee lisähintansa. Kohtele sitä kuin valkoista alumiinioksidia, jolla on parempi esite, niin se ei ansaitse sitä.