מדוע מארזי ניטריד אלומיניום מאבדים את יכולת פיזור החום לאחר חשיפה ללחות

מדוע מארזי ניטריד אלומיניום מאבדים את יכולת פיזור החום לאחר חשיפה ללחות

לאחר 12 שנים של עבודה עם מצעי ניטריד אלומיניום באריזות הספק ו-RF, בעיה מתמשכת אחת היא עלייה הדרגתית בהתנגדות התרמית הנמדדת לאחר שהמכשירים אוחסנו או הופעלו בסביבות לחות. העלייה אינה מוסברת רק על ידי עייפות הלחמה או מגע עם גוף הקירור. חנקן-אלומיניום מגיב עם לחות, ותוצרי התגובה עלולים להעלות את ההתנגדות התרמית הגבולית במשטחים החופשיים ובממשקים, גם כאשר המוליכות הכוללת של הקרמיקה נותרת גבוהה.

AlN צפוף הוא יציב יחסית, אך נקבוביות פתוחה שיורית או גבולות גרגרים שלא עברו סינטור מלא מאפשרים לאדי מים להגיע למשטחים התגובתיים. התגובה מייצרת הידרוקסידי אלומיניום ואמוניה; שכבת ההידרוקסיד היא מוליך חום גרוע ועלולה גם לפגוע בהידבקות המתכתית בהמשך. על אבקה או חומר בעל צפיפות נמוכה התגובה מהירה. על מצעים צפופים לחלוטין ההשפעה איטית ומקומית יותר, אך עדיין ניתנת למדידה לאחר שבועות של חשיפה ללחות יחסית של מעל 60 %. מכיוון שהתנגדות תרמית של האריזה היא סכום ההתנגדות להולכה בתפזורת והתנגדות הממשק, אפילו שכבת תגובה דקה של כמה מיקרומטרים יכולה להוסיף כמה עשיריות מעלה לוואט תחת שטף חום גבוה.

בניסוי חשיפה מבוקר, מצעי AlN בעובי 0.5 מ"מ, בעלי מוליכות נפח נמדדת של 185 וואט/מטר·קלווין, עברו תהליך מתכתות והורכבו למודולי הספק. מחצית מהמודולים אוחסנו למשך 500 שעות בטמפרטורה של 85 °C ובלחות יחסית של 85 %; המחצית השנייה הוחזקה באותה טמפרטורה בחנקן יבש. לאחר החשיפה, ההתנגדות התרמית בין הצומת למארז תחת עומס של 40 וואט עלתה ב-0.18 °C/W במודולים שאוחסנו בסביבה לחה, בעוד שבמודולים שאוחסנו בסביבה יבשה היא נותרה ללא שינוי. חתכים רוחביים הראו שכבת פני שטח לא רציפה בעובי של כ-2–4 מיקרומטר בדגימות שאוחסנו בסביבה לחה. מדידות לייזר-פלאש על דוגמאות ריקות לא-מתכתיות מקבילות אישרו כי המוליכות הפנימית נותרה ללא שינוי, מה שמבודד את ההתנגדות הנוספת לתוצרי התגובה השטחית. מודולים שעברו תהליך סינטור לצפיפות גבוהה יותר (נקבוביות פתוחה מתחת ל-0.2 %) הראו עלייה בהתנגדות של כמחצית תחת אותה חשיפה ללחות.

לפיכך, האמצעים המעשיים הם צפיפות והגנה על פני השטח. הנקבוביות השיורית חייבת להיות נמוכה מספיק כדי שהלחות לא תוכל להגיע לחלק הפנימי של הגרגרים; ציפוי מגן דק ורציף או מתכתית המכסים באופן מלא את המשטחים החשופים מגבילים עוד יותר את התגובה. בכל הנוגע לרגישות הלחות בהידרוליזה של ניטריד אלומיניום, המשתנים הרלוונטיים בתהליך הם צפיפות הסינטור, הנקבוביות הפתוחה השיורית, ושלמותו של כל ציפוי עוקב. אמינות מחזורי החום של מצע ה-AlN בתנאים לחים מאומתת על ידי מדידת ההתנגדות התרמית של האריזה לפני ואחרי חשיפה מואצת ללחות, ולא על ידי מוליכות נפחית בלבד. כאשר ההתנגדות התרמית עולה לאחר אחסון או חשיפה בשטח באוויר לח, הראיה המבדילה היא עלייה בהתנגדות הממשק ללא שינוי במוליכות הנפחית. השגת צפיפות כמעט מלאה והגנה על משטחים חופשיים, כפי שהודגם על ידי העלייה הקטנה יותר בהתנגדות על מצעים בעלי צפיפות גבוהה יותר בניסוי ב-85 °C / 85 % RH, מגבילה את ההתדרדרות הנגרמת על ידי לחות ושומרת על ביצועי פיזור החום של ניטריד האלומיניום.