Il nitruro di alluminio conduce il calore come un metallo, ma blocca comunque la corrente

L’allumina è il substrato ceramico di riferimento per un motivo ben preciso. È economica, resistente e facile da metallizzare. È però un pessimo conduttore termico. Una scheda in Al₂O₃ 96% ha una conducibilità termica di circa 20–30 W/m·K. Il nitruro di alluminio, se realizzato correttamente, si colloca nell'intervallo 170–200 W/m·K, a volte superando leggermente i 200. Il valore teorico per un monocristallo perfetto è vicino a 320. Nessuno commercializza prodotti con tali caratteristiche. Quello che commercializziamo è un isolante sinterizzato in grado di dissipare il calore del die da un modulo di potenza senza diventare un conduttore.

È proprio questa combinazione a fare la differenza. I metalli conducono il calore e la corrente. La maggior parte delle ceramiche blocca la corrente e trattiene il calore. Il nitruro di alluminio svolge contemporaneamente la funzione di conduzione termica e di isolamento, con un CTE di circa 4,5 ppm/°C — simile a quello del silicio. L’allumina si espande invece in un intervallo compreso tra 6,5 e 7,5. Su un dispositivo IGBT o SiC ad alta potenza, questa incompatibilità si manifesta con l’affaticamento della saldatura e il distacco della lamina di rame. Il BeO conduce ancora meglio, eppure lo evitiamo quando possibile. La tossicità non è una semplice nota a piè di pagina della scheda tecnica.

L’ossigeno è l’impurità che compromette la conduttività. L’ossigeno reticolare crea lacune di alluminio. I fononi si disperdono. Una polvere contenente un paio di punti percentuali di ossigeno, una volta sinterizzata, assume un aspetto simile all’AlN e presenta una conduttività termica più vicina a 100 W/m·K. Una polvere a basso contenuto di ossigeno, unita a un coadiuvante di sinterizzazione che trascina l’ossigeno in una fase ai bordi dei grani — solitamente l’ittrio — è il modo per ottenere un grado superiore a 170. La densità deve essere elevata. I pori residui costituiscono un altro sito di diffusione. Pertanto, la dicitura “substrato di AlN” su un PO non indica un grado specifico. Chiedete informazioni sulla conducibilità termica, non solo sulla composizione chimica.

È proprio nella gestione delle polveri che le officine si trovano di fronte a delle sorprese. L’AlN fine subisce idrolisi. Se lo si lascia esposto all’aria umida, si forma uno strato di idrossido e aumenta il livello di ossigeno che si è appena speso per rimuovere. Stoccaggio a secco, tempi di esposizione ridotti, a volte un trattamento superficiale. Non si tratta di pignoleria. È così che il valore k si mantiene intatto fino alla cottura in forno.

Utilizziamo il nitruro di alluminio proprio dove lo stack termico ne ha effettivamente bisogno: schede di potenza DBC e DPC, pacchetti RF, sottobasamenti per laser e LED, alcuni componenti dei processi dei semiconduttori. Se il die ha una potenza di pochi watt e il dissipatore di calore rappresenta il collo di bottiglia, l’allumina rimane comunque la scelta più conveniente in termini di prezzo. Se si scaricano decine di watt attraverso una ceramica sottile verso il rame, la caduta di tensione sul substrato in allumina non è più gratuita. La ceramica costa di più. Il vantaggio è un modulo che non subisce limitazioni di potenza né delaminazioni.

La lavorazione meccanica e la metallizzazione richiedono la stessa serietà. L’AlN non è un materiale così “facile” come l’allumina 96%. I bordi si scheggiano. Il legame con il rame deve adattarsi al coefficiente di dilatazione. Un bellissimo disco da 180 W/m·K con un’interfaccia scadente è solo un isolante costoso. Specificare insieme k, spessore, superficie e il sistema metallico. Il nitruro di alluminio è un percorso termico che, per caso, è anche una ceramica. Trattatelo in questo modo e ne varrà la pena. Trattatelo come allumina bianca con un opuscolo pubblicitario migliore e non ne varrà la pena.