Pourquoi les boîtiers en nitrure d'aluminium perdent-ils leur capacité de dissipation thermique après une exposition à l'humidité ?
Après douze ans de travail sur les substrats en nitrure d'aluminium utilisés dans les boîtiers de puissance et RF, un problème récurrent persiste : l'augmentation progressive de la résistance thermique mesurée après que les dispositifs ont été stockés ou utilisés dans des environnements humides. Cette augmentation ne s'explique pas uniquement par la fatigue de la soudure ou le contact avec le dissipateur thermique. Le nitrure d’aluminium réagit avec l’humidité, et les produits de cette réaction peuvent augmenter la résistance thermique aux surfaces libres et aux interfaces, même lorsque la conductivité volumique de la céramique reste élevée.
L'AlN dense est relativement stable ; toutefois, une porosité résiduelle ou des joints de grains non complètement frittés permettent à la vapeur d'eau d'atteindre les surfaces réactives. La réaction produit des hydroxydes d'aluminium et de l'ammoniac ; la couche d'hydroxyde est un mauvais conducteur thermique et peut également nuire à l'adhérence de la métallisation ultérieure. Sur les poudres ou les matériaux de faible densité, la réaction est rapide. Sur des substrats entièrement denses, l’effet est plus lent et localisé, mais reste mesurable après plusieurs semaines d’exposition à une humidité relative supérieure à 60 %. La résistance thermique d’un boîtier étant la somme des résistances de conduction en volume et des résistances d’interface, même une fine couche de réaction de quelques micromètres peut ajouter plusieurs dixièmes de degré par watt sous un flux thermique élevé.
Dans le cadre d'un essai d'exposition contrôlé, des substrats en AlN de 0,5 mm d'épaisseur, présentant une conductivité volumique mesurée de 185 W/m·K, ont été métallisés puis assemblés en modules de puissance. La moitié des modules a été stockée pendant 500 heures à 85 °C et 85 % d’humidité relative ; l’autre moitié a été conservée à la même température dans de l’azote sec. Après exposition, la résistance thermique jonction-boîtier sous une charge de 40 W a augmenté de 0,18 °C/W sur les modules stockés en milieu humide, tandis qu’elle est restée inchangée sur les modules stockés à sec. Les coupes transversales ont révélé une couche superficielle discontinue d’environ 2 à 4 µm d’épaisseur sur les échantillons stockés en milieu humide. Des mesures par flash laser effectuées sur des échantillons témoins non métallisés ont confirmé que la conductivité volumique était inchangée, ce qui a permis d’attribuer l’augmentation de résistance aux produits de réaction en surface. Les modules qui avaient été frittés à une densité plus élevée (porosité ouverte inférieure à 0,2 %) ont présenté une augmentation de résistance environ deux fois moindre sous la même exposition à l’humidité.
Les mesures pratiques consistent donc en la densification et la protection des surfaces. La porosité résiduelle doit être suffisamment faible pour que l’humidité ne puisse pas pénétrer à l’intérieur des grains ; un revêtement protecteur mince et continu ou une métallisation recouvrant entièrement les surfaces libres limite encore davantage la réaction. En ce qui concerne la sensibilité à l’humidité du nitrure d’aluminium lors de l’hydrolyse, les variables de processus pertinentes sont la densité de frittage, la porosité ouverte résiduelle et l’intégrité de tout revêtement appliqué par la suite. La fiabilité des substrats AlN face aux cycles thermiques en conditions humides est confirmée par la mesure de la résistance thermique du boîtier avant et après une exposition accélérée à l’humidité, plutôt que par la seule conductivité volumique. Lorsque la résistance thermique augmente après un stockage ou une exposition sur site dans un air humide, le signe distinctif est une augmentation de la résistance d’interface sans modification de la conductivité volumique. L’obtention d’une densité quasi totale et la protection des surfaces libres, comme le démontre la plus faible augmentation de résistance observée sur les substrats à plus haute densité lors de l’essai à 85 °C / 85 % RH, limitent la dégradation induite par l’humidité et préservent les performances de dissipation thermique du nitrure d’aluminium.