Az alumínium-nitrid úgy vezeti a hőt, mint egy fém, mégis gátolja az áramot
Az alumínium-oxid nem véletlenül az alapértelmezett kerámia hordozóanyag. Olcsó, erős és könnyen fémbevonható. Ugyanakkor gyenge hővezető. Egy 96% Al₂O₃ lemez hővezető képessége körülbelül 20–30 W/m·K. Az alumínium-nitrid, megfelelő kivitelezés esetén, a 170–200 W/m·K tartományba esik, néha kicsit meghaladja a 200-at is. Elméletileg egy tökéletes egykristály hővezető képessége közel 320. Ilyet azonban senki sem forgalmaz. Mi egy szinterezett szigetelőt forgalmazunk, amely képes elvezetni a teljesítménymodulból a chip hőjét anélkül, hogy vezetővé válna.
Ez a kombináció jelenti a feladatot. A fémek vezetik a hőt és az áramot. A legtöbb kerámia gátolja az áramot és visszatartja a hőt. Az alumínium-nitrid egyszerre biztosítja a hővezetést és a szigetelést, hőtágulási együtthatója (CTE) körülbelül 4,5 ppm/°C – ami közel áll a szilíciuméhoz. Az alumínium-oxid hőtágulása inkább 6,5–7,5 körül mozog. Egy nagy teljesítményű IGBT- vagy SiC-eszközön ez az eltérés forrasztási fáradásként és a rézfólia leválásaként jelentkezik. A BeO még jobb vezetőképességgel rendelkezik, mégis kerüljük, ha tehetjük. A toxicitás nem csupán egy lábjegyzet a műszaki adatlapon.
Az oxigén az a szennyezőanyag, amely tönkreteszi a vezetőképességet. A rácsban lévő oxigén alumínium-ürhelyeket hoz létre. A fononok szétszóródnak. A néhány százalék oxigént tartalmazó por szinterezés után olyan anyagot eredményez, amely AlN-hez hasonlít, és hővezető képessége közelebb áll a 100 W/m·K-hoz. Alacsony oxigéntartalmú por és egy olyan zsugorító adalék, amely az oxigént a szemcsehatár-fázisba vonzza – általában ittrium-oxidot használnak –, így érhető el a 170 feletti minőségi osztály. A sűrűségnek magasnak kell lennie. A maradék pórusok szintén szóródási helyek. Tehát a PO-n szereplő “AlN hordozó” nem minőségi osztályt jelöl. A kémiai összetétel helyett a hővezető képességet kérdezze meg.
A porkezelés az a terület, ahol a műhelyek gyakran meglepődnek. A finom AlN hidrolizálódik. Ha nedves levegőn hagyják, hidroxidréteg képződik a felületén, és emiatt megnő az oxigénszint, amit épp az előbb fizettek ki, hogy eltávolítsanak. Száraz tárolás, rövid nyitvatartási idő, esetenként felületkezelés. Ez nem szőrszálhasogatás. Ez az, ami biztosítja, hogy a k-érték a kemencéig megmaradjon.
Az alumínium-nitridet ott használjuk, ahol a hővezető rendszernek valóban szüksége van rá: DBC- és DPC-tápfázisok, RF-csomagok, lézer- és LED-aljzatok, valamint egyes félvezető-gyártási alkatrészek esetében. Ha a chip teljesítménye néhány watt, és a hűtőborda jelenti a szűk keresztmetszetet, akkor az alumínium-oxid továbbra is kedvezőbb áron kapható. Ha több tíz wattot vezetünk át egy vékony kerámián keresztül rézbe, az alumínium-oxid hővezető rétegén történő hőátadás már nem jár plusz költséggel. A kerámia drágább. A modul, amely nem fojtja le a teljesítményt és nem rétegeződik szét, hozza meg a megtérülést.
A megmunkálás és a fémbevonat ugyanolyan alaposságot igényel. Az AlN nem olyan „könnyű eset”, mint a 96% alumínium-oxid. Az élek lehasadnak. A rézbevonatnak igazodnia kell a táguláshoz. Egy gyönyörű, 180 W/m·K-es lemez rossz illesztéssel csupán egy drága szigetelő. A k-értéket, a vastagságot, a felületet és a fémrendszert együtt kell megadni. Az alumínium-nitrid egy hővezető út, amely történetesen kerámia. Ha így kezeljük, megéri a magasabb árat. Ha úgy kezeljük, mint egy fehér alumínium-oxidot, csak jobb prospektussal, akkor nem fogja megérni.