Zašto paketi od aluminijevog nitrida gube sposobnost rasipanja topline nakon izlaganja vlazi
Nakon dvanaest godina rada sa supstratima od aluminijevog nitrida u snagovim i RF paketima, jedan uporan problem je postupno povećanje izmjerene toplinske otpornosti nakon što su uređaji skladišteni ili radili u vlažnim uvjetima. To povećanje nije objašnjeno samo zamorom lemljenja ili kontaktom s hladnjakom. Nitrid aluminija reagira s vlagom, a produkti te reakcije mogu povećati termičku kontaktnu otpornost na slobodnim površinama i na sučelima, čak i kada ostaje visoka volumenska provodnost keramike.
Gusti AlN je relativno stabilan, no preostala otvorena poroznost ili nepotpuno sinterirane međe zrna omogućuju vodenim parama da dosegnu reaktivne površine. Reakcija stvara aluminijeve hidrokside i amonijak; sloj hidroksida je loš toplinski provodnik i može narušiti prianjanje naknadne metalizacije. Na prahu ili materijalu niske gustoće reakcija je brza. Na potpuno gustoj podlozi učinak je sporiji i lokaliziran, no i dalje mjerljiv nakon tjedana izloženosti relativnoj vlažnosti iznad 60 %. Budući da je toplinska otpornost pakiranja zbroj otpora masene provodnosti i sučelja, čak i tanki sloj reaktivnog materijala debljine nekoliko mikrometara može povećati temperaturu za nekoliko desetina stupnjeva po vatu pri velikom toplinskom toku.
U kontroliranom ispitivanju izloženosti, 0,5 mm AlN podloge s izmjerenom volumenskom provodljivošću od 185 W/m·K metalizirane su i sastavljene u snage module. Polovica modula pohranjivana je 500 sati na 85 °C i 85 % relativne vlažnosti; druga polovica držana je na istoj temperaturi u suhom dušiku. Nakon izlaganja, toplinska otpornost spoj-kućište pri opterećenju od 40 W porasla je za 0,18 °C/W na modulima skladištenim u vlažnim uvjetima, dok je ostala nepromijenjena na modulima skladištenim na suhom. Presjeci su pokazali diskontinuirani površinski sloj debljine otprilike 2–4 µm na vlažnim uzorcima. Mjerenja laser-flash metodom na pripadajućim nemetaliziranim uzorcima potvrdila su da se volumenska provodnost nije promijenila, čime se potvrđuje da je povećanje otpora posljedica površinskih produkata reakcije. Moduli koji su sinterirani do veće gustoće (otvorena poroznost ispod 0,2 %) pokazali su otprilike upola manji porast otpora pri istoj izloženosti vlazi.
Praktične kontrole su stoga zbijanje i zaštita površine. Preostala poroznost mora biti dovoljno niska da vlaga ne može dosegnuti unutrašnjost zrna; tanki, kontinuirani zaštitni sloj ili metalizacija koji u potpunosti pokriva slobodne površine dodatno ograničava reakciju. Za osjetljivost na vlagu pri hidrolizi aluminijevog nitrida, relevantne varijable procesa su gustoća sinteriranja, preostala otvorena poroznost i integritet eventualnog naknadnog sloja. Pouzdanost termičkog cikliranja AlN podloge u vlažnim uvjetima potvrđuje se mjerenjem toplinske otpornosti paketa prije i nakon ubrzane izloženosti vlazi, a ne samo vodljivošću u masi. Kada se toplinska otpornost poveća nakon skladištenja ili izloženosti na terenu u vlažnom zraku, odlučujući dokaz je povećanje otpornosti na sučelju bez promjene vodljivosti u masi. Postizanje gotovo pune gustoće i zaštita slobodnih površina, što se dokazuje manjim porastom otpora na podlogama veće gustoće u ispitivanju pri 85 °C / 85 % RH, ograničava degradaciju uzrokovanu vlagom i očuvava performanse raspršivanja topline nitrida aluminija.