Le nitrure d'aluminium conduit la chaleur comme un métal tout en bloquant le courant

L’alumine est le substrat céramique par défaut pour une bonne raison. Elle est bon marché, résistante et facile à métalliser. C’est également un mauvais conducteur thermique. Une plaquette en Al₂O₃ de type 96% affiche une conductivité thermique d’environ 20 à 30 W/m·K. Le nitrure d’aluminium, lorsqu’il est correctement fabriqué, se situe dans une fourchette de 170 à 200 W/m·K, dépassant parfois légèrement les 200. La valeur théorique pour un monocristal parfait avoisine les 320. Personne ne commercialise ce produit. Ce que nous commercialisons, c’est un isolant fritté capable d’évacuer la chaleur de la puce d’un module de puissance sans devenir conducteur.

C’est justement cette combinaison qui fait toute la différence. Les métaux conduisent la chaleur et le courant. La plupart des céramiques bloquent le courant et retiennent la chaleur. Le nitrure d’aluminium assure à la fois la conduction thermique et l’isolation, avec un CTE d’environ 4,5 ppm/°C — proche de celui du silicium. L’alumine présente un coefficient de dilatation plus élevé, de l’ordre de 6,5 à 7,5. Sur un IGBT haute puissance ou un dispositif SiC, cette incompatibilité se traduit par une fatigue de la soudure et un décollement de la feuille de cuivre. Le BeO est encore meilleur conducteur, mais nous évitons tout de même de l’utiliser lorsque c’est possible. La toxicité n’est pas une simple note de bas de page dans une fiche technique.

L’oxygène est l’impureté qui compromet la conductivité. L’oxygène de réseau crée des lacunes d’aluminium. Les phonons se dispersent. Une poudre contenant quelques pour cent d’oxygène, une fois frittée, donne un matériau qui ressemble à de l’AlN et dont la conductivité thermique avoisine les 100 W/m·K. Pour obtenir une qualité supérieure à 170, il faut utiliser une poudre à faible teneur en oxygène associée à un adjuvant de frittage qui attire l’oxygène vers une phase aux joints de grains — l’yttria est généralement utilisé à cet effet. La densité doit être élevée. Les pores résiduels constituent un autre site de diffusion. Ainsi, la mention “ substrat AlN ” sur un bon de commande ne correspond pas à une qualité. Renseignez-vous sur la conductivité thermique, et pas seulement sur la composition chimique.

C'est au moment de la manipulation des poudres que les ateliers sont pris au dépourvu. L'AlN fin s'hydrolyse. Laissez-le dans un environnement humide et une couche d'hydroxyde se formera à sa surface, ce qui augmentera la teneur en oxygène que vous venez justement de payer pour éliminer. Stockage à sec, temps d'exposition à l'air limité, parfois un traitement de surface. Ce n'est pas de la chicane. C'est ainsi que la valeur k est préservée jusqu'à l'entrée dans le four.

Nous utilisons du nitrure d’aluminium là où la pile thermique en a réellement besoin : cartes d’alimentation DBC et DPC, boîtiers RF, supports de laser et de LED, ainsi que certaines pièces issues de procédés de semi-conducteurs. Si la puce ne dégage que quelques watts et que le dissipateur thermique constitue le goulot d’étranglement, l’alumine reste plus avantageuse en termes de prix. Si vous évacuez des dizaines de watts à travers une fine couche de céramique vers du cuivre, la chute de température sur l’alumine n’est plus gratuite. La céramique coûte plus cher. Le module qui ne subit ni limitation de puissance ni délamination constitue le retour sur investissement.

L'usinage et la métallisation exigent la même rigueur. L'AlN n'est pas aussi facile à traiter que l'alumine 96%. Les arêtes s'ébrèchent. Le collage au cuivre doit s'adapter au coefficient de dilatation. Un magnifique disque de 180 W/m·K doté d'une mauvaise interface n'est rien d'autre qu'un isolant coûteux. Précisez conjointement la conductivité thermique (k), l’épaisseur, la surface et le système métallique. Le nitrure d’aluminium est un conducteur thermique qui se trouve être une céramique. Traitez-le comme tel, et il méritera son prix élevé. Traitez-le comme de l’alumine blanche avec une brochure plus attrayante, et il ne le méritera pas.