Miért veszítik el az alumínium-nitrid csomagok a hőelvezető képességüket, ha nedvességnek vannak kitéve?
Tizenkét évnyi, alumínium-nitrid hordozókkal végzett munka után a teljesítmény- és RF-csomagolások területén egy állandó probléma a mért hőellenállás fokozatos emelkedése, miután az eszközöket nedves környezetben tárolták vagy üzemeltették. Ezt a növekedést nem lehet kizárólag a forrasztási fáradással vagy a hűtőborda érintkezésével magyarázni. Az alumínium-nitrid reagál a nedvességgel, és a reakciótermékek növelhetik a hőátadási határellenállást a szabad felületeken és az érintkezési felületeken, még akkor is, ha a kerámia térfogati vezetőképessége magas marad.
A sűrű AlN viszonylag stabil, azonban a maradék nyitott porozitás vagy a nem teljesen zsugorított szemcsehatárok lehetővé teszik a vízgőz számára, hogy eljusson a reaktív felületekhez. A reakció során alumínium-hidroxidok és ammónia keletkeznek; a hidroxidréteg gyenge hővezető, és ronthatja a későbbi fémbevonat tapadását is. Por vagy alacsony sűrűségű anyag esetén a reakció gyorsan zajlik. Teljesen sűrű hordozók esetében a hatás lassabb és lokalizált, de 60 % feletti relatív páratartalom mellett hetekig tartó kitettség után is mérhető. Mivel a csomag hőellenállása a térfogati hővezetési és a határfelületi ellenállások összege, még egy néhány mikrométeres vékony reakcióréteg is több tized fokot adhat hozzá wattonként nagy hőáramlás mellett.
Egy ellenőrzött expozíciós kísérlet során 0,5 mm vastagságú, 185 W/m·K mért térfogati vezetőképességű AlN hordozókat fémbevonattal láttak el, majd teljesítménymodulokká szerelték össze. A modulok felét 500 órán át 85 °C-on és 85 % relatív páratartalom mellett tárolták; a másik felét ugyanazon a hőmérsékleten száraz nitrogénben tartották. Az expozíciót követően a 40 W-os terhelés mellett mért csatlakozás–ház közötti hőellenállás a nedves környezetben tárolt moduloknál 0,18 °C/W-kal emelkedett, míg a száraz környezetben tárolt moduloknál változatlan maradt. A keresztmetszetek a nedves mintákon körülbelül 2–4 µm vastagságú, folytonosságát vesztett felületi réteget mutattak. A kísérleti, nem fémbevonatú nyersdarabokon végzett lézer-flash mérések megerősítették, hogy a térfogati vezetőképesség változatlan maradt, így a hozzáadódott ellenállás egyértelműen a felületi reakciótermékeknek tulajdonítható. A nagyobb sűrűségre (0,2 % alatti nyitott porozitás) szinterezett moduloknál ugyanazon nedves expozíció mellett körülbelül feleakkora ellenállás-növekedés volt megfigyelhető.
A gyakorlati szempontból tehát a sűrűsítés és a felületvédelem a legfontosabb. A maradék porozitásnak olyan alacsonynak kell lennie, hogy a nedvesség ne juthasson be a szemcsék belsejébe; egy vékony, folytonos védőbevonat vagy fémbevonat, amely teljes mértékben lefedi a szabad felületeket, tovább korlátozza a reakciót. Az alumínium-nitrid hidrolízisének nedvességérzékenysége tekintetében a releváns folyamatváltozók a szinterelési sűrűség, a maradék nyitott porozitás, valamint az esetleges utólagos bevonat integritása. Az AlN hordozó nedves körülmények közötti hőciklus-megbízhatóságát nem csupán a tömeges vezetőképesség mérésével, hanem a gyorsított páratartalom-terhelés előtti és utáni csomag hőellenállásának mérésével is igazolják. Amikor a hőellenállás a nedves levegőben történő tárolás vagy terepi expozíció után emelkedik, a megkülönböztető jel az interfész-ellenállás növekedése a tömeges vezetőképesség változatlansága mellett. A szinte teljes sűrűség elérése és a szabad felületek védelme – amint azt a 85 °C / 85 % relatív páratartalom melletti kísérletben a nagyobb sűrűségű hordozók kisebb ellenállás-növekedése is bizonyítja – korlátozza a nedvesség által okozott minőségromlást, és megőrzi az alumínium-nitrid hőterjesztő teljesítményét.