नमी के संपर्क में आने के बाद एल्यूमीनियम नाइट्राइड पैकेज अपनी ऊष्मा-वितरण क्षमता क्यों खो देते हैं
पावर और आरएफ पैकेजों में एल्यूमिनियम नाइट्राइड सब्सट्रेट्स के साथ बारह वर्षों तक काम करने के बाद, एक लगातार समस्या यह है कि उपकरणों को आर्द्र वातावरण में संग्रहीत या संचालित करने के बाद मापी गई थर्मल प्रतिरोध में धीरे-धीरे वृद्धि होती है। इस वृद्धि की व्याख्या केवल सोल्डर थकान या हीट-सिंक संपर्क से नहीं की जा सकती। एल्यूमिनियम नाइट्राइड नमी के साथ प्रतिक्रिया करता है, और प्रतिक्रिया उत्पादों से मुक्त सतहों और इंटरफेस पर थर्मल बाउंड्री प्रतिरोध बढ़ सकता है, भले ही सिरेमिक की समग्र चालकता उच्च बनी रहे।.
घना AlN अपेक्षाकृत स्थिर होता है, फिर भी अवशिष्ट खुली छिद्रता या अपूर्ण रूप से सिन्टरित दानेदार सीमाएँ जलवाष्प को प्रतिक्रियाशील सतहों तक पहुँचने देती हैं। यह प्रतिक्रिया एल्यूमीनियम हाइड्रॉक्साइड और अमोनिया उत्पन्न करती है; हाइड्रॉक्साइड परत एक खराब ऊष्मा चालक होती है और यह बाद की धातुकरण चिपकन को भी बाधित कर सकती है। पाउडर या कम-घनत्व वाले पदार्थ पर यह प्रतिक्रिया तीव्र होती है। पूर्ण रूप से सघन सब्सट्रेट्स पर प्रभाव धीमा और स्थानीय होता है, फिर भी 60% से अधिक सापेक्ष आर्द्रता पर हफ्तों के संपर्क के बाद भी इसे मापा जा सकता है। चूंकि पैकेज का तापीय प्रतिरोध थोक चालकता और इंटरफेस प्रतिरोधों के योग के बराबर होता है, इसलिए कुछ माइक्रोमीटर की पतली प्रतिक्रिया परत भी उच्च ऊष्मा प्रवाह के तहत प्रति वाट कई दशमलव डिग्री जोड़ सकती है।.
एक नियंत्रित एक्सपोजर परीक्षण में, 0.5 मिमी AlN सब्सट्रेट्स जिन्हें 185 W/m·K की मापी गई बल्क चालकता के साथ मेटल किया गया था, को पावर मॉड्यूल में असेंबल किया गया। आधे मॉड्यूलों को 85 °C और 85 % सापेक्ष आर्द्रता पर 500 घंटे के लिए संग्रहित किया गया; शेष आधे मॉड्यूलों को उसी तापमान पर शुष्क नाइट्रोजन में रखा गया। प्रदर्शन के बाद, 40 W के लोड के तहत जंक्शन-से-केस तापीय प्रतिरोध आर्द्रता में संग्रहीत मॉड्यूलों पर 0.18 °C/W बढ़ गया, जबकि सूखे में संग्रहीत मॉड्यूलों पर यह अपरिवर्तित रहा। क्रॉस-सेक्शन ने आर्द्र नमूनों पर लगभग 2–4 µm मोटी एक असतत सतही परत दिखाई। साथ में रखे बिना धातुकरण वाले नमूनों पर लेज़र-फ्लैश मापों ने पुष्टि की कि कुल चालकता अपरिवर्तित थी, जिससे यह स्पष्ट हुआ कि अतिरिक्त प्रतिरोध केवल सतह प्रतिक्रिया उत्पादों के कारण था। उच्च घनत्व (0.2 % से कम खुली छिद्रता) तक सिंटर किए गए मॉड्यूल ने उसी आर्द्रता के संपर्क में आने पर लगभग आधी प्रतिरोध वृद्धि दिखाई।.
व्यावहारिक नियंत्रण इसलिए संघनन और सतह संरक्षण हैं। अवशिष्ट छिद्रता इतनी कम होनी चाहिए कि नमी दाने के आंतरिक भाग तक न पहुँच सके; एक पतली, निरंतर सुरक्षात्मक परत या धातुकरण जो मुक्त सतहों को पूरी तरह से ढकता हो, प्रतिक्रिया को और सीमित करता है। एल्यूमिनियम नाइट्राइड के हाइड्रोलाइसिस में नमी संवेदनशीलता के लिए, प्रासंगिक प्रक्रिया चर हैं सिन्टरिंग घनत्व, अवशिष्ट खुली छिद्रता, और किसी भी बाद की परत की अखंडता। नमीयुक्त परिस्थितियों में AlN सब्सट्रेट की थर्मल साइक्लिंग विश्वसनीयता की पुष्टि केवल थोक चालकता के आधार पर नहीं, बल्कि त्वरित नमी संपर्क से पहले और बाद में पैकेज थर्मल प्रतिरोध को मापकर की जाती है। जब नमीयुक्त हवा में भंडारण या क्षेत्र संपर्क के बाद थर्मल प्रतिरोध बढ़ता है, तो इसका विशिष्ट प्रमाण थोक चालकता में बिना परिवर्तन के इंटरफ़ेस प्रतिरोध में वृद्धि है। लगभग-पूर्ण घनत्व प्राप्त करना और मुक्त सतहों की रक्षा करना, जैसा कि 85 °C / 85 % RH परीक्षण में उच्च-घनत्व सब्सट्रेट्स पर प्रतिरोध में कम वृद्धि से प्रदर्शित होता है, नमी-प्रेरित क्षरण को सीमित करता है और एल्यूमीनियम नाइट्राइड के ताप-वितरण प्रदर्शन को संरक्षित रखता है।.