Mengapa Kemasan Nitrida Aluminium Kehilangan Kemampuan Penyebaran Panas Setelah Terpapar Kelembapan
Setelah dua belas tahun bekerja dengan substrat nitrida aluminium pada kemasan daya dan RF, salah satu masalah yang terus muncul adalah kenaikan bertahap pada resistansi termal yang terukur setelah perangkat disimpan atau dioperasikan di lingkungan yang lembap. Kenaikan tersebut tidak dapat dijelaskan semata-mata oleh kelelahan solder atau kontak dengan pendingin saja. Aluminium nitrida bereaksi dengan kelembapan, dan produk reaksi tersebut dapat meningkatkan resistansi batas termal pada permukaan bebas dan antarmuka, meskipun konduktivitas inti keramik tetap tinggi.
AlN padat relatif stabil, namun porositas terbuka sisa atau batas butir yang belum sepenuhnya disinter memungkinkan uap air mencapai permukaan reaktif. Reaksi tersebut menghasilkan aluminium hidroksida dan amonia; lapisan hidroksida merupakan konduktor panas yang buruk dan juga dapat mengganggu adhesi metalisasi selanjutnya. Pada bubuk atau bahan dengan kepadatan rendah, reaksi berlangsung cepat. Pada substrat yang sepenuhnya padat, efeknya lebih lambat dan terlokalisasi, namun tetap dapat diukur setelah terpapar selama berminggu-minggu pada kelembaban relatif di atas 60 %. Karena resistansi termal kemasan merupakan jumlah dari konduksi massal dan resistansi antarmuka, bahkan lapisan reaksi tipis beberapa mikrometer dapat menambah beberapa persepuluh derajat per watt di bawah fluks panas yang tinggi.
Dalam uji paparan terkendali, substrat AlN berketebalan 0,5 mm dengan konduktivitas massa terukur sebesar 185 W/m·K dilapisi logam dan dirakit menjadi modul daya. Setengah dari modul tersebut disimpan selama 500 jam pada suhu 85 °C dan kelembaban relatif 85 %; sedangkan setengah lainnya disimpan pada suhu yang sama dalam nitrogen kering. Setelah paparan, resistansi termal sambungan ke casing di bawah beban 40 W naik sebesar 0,18 °C/W pada modul yang disimpan dalam kondisi lembab, sementara tetap tidak berubah pada modul yang disimpan dalam kondisi kering. Penampang melintang menunjukkan lapisan permukaan terputus-putus dengan ketebalan sekitar 2–4 µm pada sampel yang disimpan dalam kondisi lembab. Pengukuran laser-flash pada blanko tak berlapis logam yang menjadi sampel pembanding menegaskan bahwa konduktivitas massal tidak berubah, sehingga resistansi tambahan tersebut dapat dikaitkan dengan produk reaksi permukaan. Modul yang telah disinter hingga kepadatan lebih tinggi (porositas terbuka di bawah 0,2 %) menunjukkan peningkatan resistansi sekitar setengah dari modul lain pada paparan kelembapan yang sama.
Oleh karena itu, langkah-langkah praktis yang dapat dilakukan adalah pemadatan dan perlindungan permukaan. Porositas sisa harus cukup rendah sehingga kelembapan tidak dapat mencapai bagian dalam butiran; lapisan pelindung tipis dan kontinu atau metalisasi yang sepenuhnya menutupi permukaan bebas akan semakin membatasi reaksi tersebut. Untuk sensitivitas kelembapan hidrolisis aluminium nitrida, variabel proses yang relevan adalah kepadatan sintering, porositas terbuka sisa, dan integritas lapisan apa pun yang diaplikasikan setelahnya. Keandalan siklus termal substrat AlN dalam kondisi lembab dikonfirmasi dengan mengukur resistansi termal kemasan sebelum dan sesudah paparan kelembaban yang dipercepat, bukan hanya dengan konduktivitas massal saja. Ketika resistansi termal meningkat setelah penyimpanan atau paparan lapangan di udara lembab, bukti yang membedakannya adalah peningkatan resistansi antarmuka tanpa adanya perubahan pada konduktivitas massal. Mencapai kepadatan yang hampir penuh dan melindungi permukaan bebas, sebagaimana ditunjukkan oleh kenaikan resistansi yang lebih kecil pada substrat dengan kepadatan lebih tinggi dalam uji 85 °C / 85 % RH, membatasi degradasi yang disebabkan oleh kelembaban dan mempertahankan kinerja penyebaran panas aluminium nitrida.