Miksi alumiinitridipakkaukset menettävät lämmönlevitysominaisuutensa kosteuden vaikutuksesta
Kahdentoista vuoden kokemuksen perusteella alumiinitridialustojen käytöstä teho- ja RF-pakkauksissa yksi jatkuva ongelma on mitatun lämpövastuksen asteittainen nousu sen jälkeen, kun komponentteja on säilytetty tai käytetty kosteissa olosuhteissa. Nousua ei voida selittää pelkästään juotosväsymyksellä tai jäähdytyselementin kosketuspinnalla. Alumiinitridi reagoi kosteuden kanssa, ja reaktiotuotteet voivat nostaa lämpörajavastusta vapailla pinnoilla ja rajapinnoilla, vaikka keraamisen materiaalin ominaisjohtavuus pysyisikin korkeana.
Tiheä AlN on suhteellisen vakaa, mutta jäljellä oleva avoin huokoisuus tai puutteellisesti sintratut raerajat mahdollistavat vesihöyryn pääsyn reaktiivisiin pintoihin. Reaktiossa muodostuu alumiinihydroksideja ja ammoniakkia; hydroksidikerros on huono lämmönjohdin ja voi myös heikentää myöhemmän metallisoinnin tarttuvuutta. Jauheella tai matalatiheyksisellä materiaalilla reaktio on nopea. Täysin tiheillä alustoilla vaikutus on hitaampi ja paikallinen, mutta silti mitattavissa vielä viikkojen altistumisen jälkeen yli 60 % suhteellisessa kosteudessa. Koska pakkauksen lämmönvastus on tilavuusjohtavuuden ja rajapintavastusten summa, jopa muutaman mikrometrin paksuinen ohut reaktiokerros voi lisätä useita kymmenesosia astetta wattia kohti suurella lämpövirralla.
Kontrolloidussa altistustestissä 0,5 mm:n paksuiset AlN-substraatit, joiden mitattu tilavuusjohtavuus oli 185 W/m·K, metallisoitiin ja koottiin tehomoduuleiksi. Puolet moduuleista varastoitiin 500 tunnin ajan 85 °C:n lämpötilassa ja 85 % suhteellisessa kosteudessa; toinen puoli pidettiin samassa lämpötilassa kuivassa typessä. Altistuksen jälkeen liitoskohdan ja kotelon välinen lämpövastus 40 W:n kuormituksella nousi 0,18 °C/W kosteassa varastoiduissa moduuleissa, kun taas kuivassa varastoiduissa moduuleissa se pysyi muuttumattomana. Poikkileikkaukset osoittivat, että kosteissa näytteissä oli epäjatkuva, noin 2–4 µm paksu pintakerros. Laser-flash-mittaukset vastaavilla metallisoimattomilla vertailukappaleilla vahvistivat, että massan johtavuus oli säilynyt muuttumattomana, mikä osoitti, että lisääntynyt vastus johtui pintareaktiotuotteista. Moduulit, jotka oli sintrattu suurempaan tiheyteen (avoin huokoisuus alle 0,2 %), osoittivat noin puolet pienemmän vastuksen kasvun samassa kosteusaltistuksessa.
Käytännön kannalta tärkeimmät tekijät ovat siis tiivistyminen ja pinnan suojaus. Jäljelle jäävän huokoisuuden on oltava riittävän alhainen, jotta kosteus ei pääse raekappaleiden sisälle; ohut, yhtenäinen suojapinnoite tai metallointi, joka peittää vapaat pinnat kokonaan, rajoittaa reaktiota entisestään. Alumiinitridin hydrolyysin kosteusherkkyyden kannalta merkittävät prosessimuuttujat ovat sintrausitiheys, jäljelle jäävä avoin huokoisuus sekä mahdollisen jälkipinnoitteen eheys. AlN-substraatin lämpösyklien luotettavuus kosteissa olosuhteissa varmistetaan mittaamalla pakkauksen lämpövastusta ennen ja jälkeen kiihdytetyn kosteusaltistuksen sen sijaan, että mitattaisiin pelkästään tilavuusjohtavuutta. Kun lämpövastus nousee varastoinnin tai kenttäaltistuksen jälkeen kosteassa ilmassa, erottava tekijä on rajapintavastuksen kasvu ilman muutosta tilavuusjohtavuudessa. Lähes täyden tiheyden saavuttaminen ja vapaiden pintojen suojaaminen – kuten osoittaa pienempi vastuksen nousu tiheämmillä substraateilla 85 °C / 85 % RH -kokeessa – rajoittaa kosteuden aiheuttamaa hajoamista ja säilyttää alumiinitridin lämmönlevityskyvyn.