Nitrida Aluminium Menghantarkan Panas Seperti Logam, Namun Tetap Menghambat Arus Listrik

Alumina menjadi substrat keramik standar bukan tanpa alasan. Bahan ini murah, kuat, dan mudah dilapisi logam. Namun, alumina bukanlah konduktor panas yang baik. Papan 96% Al₂O₃ memiliki nilai konduktivitas termal sekitar 20–30 W/m·K. Nitrida aluminium, jika diproses dengan benar, memiliki nilai di kisaran 170–200 W/m·K, terkadang sedikit di atas 200. Nilai teoritis untuk kristal tunggal yang sempurna mendekati 320. Tidak ada yang memproduksi produk dengan nilai tersebut. Yang kami produksi adalah isolator sinter yang dapat mengalirkan panas dari modul daya tanpa menjadi konduktor.

Kombinasi itulah kuncinya. Logam menghantarkan panas dan arus listrik. Sebagian besar keramik menghalangi arus listrik dan menahan panas. Nitrida aluminium mampu menghantarkan panas sekaligus berfungsi sebagai isolator, dengan CTE sekitar 4,5 ppm/°C — mendekati silikon. Alumina mengalami pemuaian sekitar 6,5–7,5. Pada perangkat IGBT atau SiC berdaya tinggi, ketidaksesuaian tersebut muncul sebagai kelelahan solder dan terkelupasnya foil tembaga. BeO memiliki konduktivitas yang lebih baik lagi, namun kami tetap menghindarinya jika memungkinkan. Toksisitas bukanlah sekadar catatan kaki pada lembar data.

Oksigen adalah pengotor yang merusak nilai konduktivitas. Oksigen kisi menciptakan kekosongan pada aluminium. Fonon-fonon tersebar. Bubuk yang mengandung beberapa persen oksigen akan menyinter menjadi sesuatu yang tampak seperti AlN dan memiliki nilai konduktivitas mendekati 100 W/m·K. Bubuk dengan kandungan oksigen rendah ditambah bahan pembantu sintering yang menarik oksigen ke dalam fase batas butir — yttria adalah yang paling umum — adalah cara untuk mendapatkan tingkat konduktivitas di atas 170. Kepadatan harus tinggi. Poros sisa merupakan situs hamburan lainnya. Jadi, “substrat AlN” pada PO bukanlah suatu tingkat. Tanyakan tentang konduktivitas termal, bukan hanya komposisi kimianya.

Penanganan bubuk adalah hal yang sering mengejutkan para pengrajin. AlN halus dapat mengalami hidrolisis. Biarkan bubuk tersebut terpapar udara lembap, dan akan terbentuk lapisan hidroksida serta meningkatkan kadar oksigen yang baru saja Anda upayakan untuk hilangkan. Penyimpanan kering, waktu paparan yang singkat, dan terkadang perlakuan permukaan. Itu bukanlah hal yang rewel. Itulah cara agar nilai k tetap terjaga hingga masuk ke dalam tungku.

Kami menggunakan nitrida aluminium di bagian-bagian di mana tumpukan termal benar-benar membutuhkannya: papan daya DBC dan DPC, kemasan RF, submount laser dan LED, serta beberapa komponen proses semikonduktor. Jika daya chip hanya beberapa watt dan pendingin menjadi titik leher botol, alumina tetap lebih unggul dari segi harga. Jika Anda mengalirkan puluhan watt melalui keramik tipis ke tembaga, penurunan suhu pada substrat alumina tidak lagi gratis. Biaya keramiknya lebih mahal. Modul yang tidak mengalami penurunan kinerja atau delaminasi adalah keuntungannya.

Pemesinan dan metalisasi membutuhkan tingkat ketelitian yang sama. AlN tidak sesederhana alumina 96%. Tepinya mudah terkelupas. Pengikatan tembaga harus sesuai dengan koefisien muai termalnya. Sebuah cakram indah dengan konduktivitas termal 180 W/m·K namun memiliki antarmuka yang buruk hanyalah isolator yang mahal. Tentukan nilai k, ketebalan, permukaan, dan sistem logamnya secara bersamaan. Aluminium nitrida adalah jalur panas yang kebetulan berbentuk keramik. Perlakukanlah demikian, dan ia layak mendapatkan harga premium. Perlakukanlah seperti alumina putih dengan brosur yang lebih menarik, dan ia tidak akan layak mendapatkannya.