Perché i contenitori in nitruro di alluminio perdono la capacità di dissipazione del calore dopo l'esposizione all'umidità
Dopo dodici anni di lavoro con substrati in nitruro di alluminio nei pacchetti di potenza e RF, un problema ricorrente è il graduale aumento della resistenza termica misurata dopo che i dispositivi sono stati conservati o utilizzati in ambienti umidi. Tale aumento non è spiegabile esclusivamente con la fatica della saldatura o con il contatto con il dissipatore di calore. Il nitruro di alluminio reagisce con l’umidità e i prodotti di questa reazione possono aumentare la resistenza termica di confine sulle superfici libere e alle interfacce, anche quando la conduttività volumetrica della ceramica rimane elevata.
L’AlN denso è relativamente stabile, tuttavia la porosità residua o i bordi di grano non completamente sinterizzati consentono al vapore acqueo di raggiungere le superfici reattive. La reazione produce idrossidi di alluminio e ammoniaca; lo strato di idrossido è un cattivo conduttore termico e può inoltre compromettere l’adesione della metallizzazione successiva. Su polveri o materiali a bassa densità la reazione è rapida. Su substrati completamente densi l’effetto è più lento e localizzato, ma comunque misurabile dopo settimane di esposizione a un’umidità relativa superiore al 60 %. Poiché la resistenza termica del contenitore è data dalla somma delle resistenze di conduzione volumetrica e di interfaccia, anche uno strato di reazione sottile di pochi micrometri può aggiungere diversi decimi di grado per watt in presenza di un elevato flusso termico.
In una prova di esposizione controllata, substrati in AlN da 0,5 mm con una conduttività volumetrica misurata di 185 W/m·K sono stati metallizzati e assemblati in moduli di potenza. Metà dei moduli è stata conservata per 500 ore a 85 °C e 85 % di umidità relativa; l’altra metà è stata mantenuta alla stessa temperatura in azoto secco. Dopo l’esposizione, la resistenza termica giunzione-involucro sotto un carico di 40 W è aumentata di 0,18 °C/W sui moduli conservati in ambiente umido, mentre è rimasta invariata su quelli conservati in ambiente secco. Le sezioni trasversali hanno mostrato uno strato superficiale discontinuo dello spessore di circa 2–4 µm sui campioni conservati in ambiente umido. Le misurazioni con laser flash su campioni di controllo non metallizzati hanno confermato che la conduttività del materiale non era alterata, attribuendo l’aumento di resistenza ai prodotti di reazione superficiale. I moduli sinterizzati a una densità maggiore (porosità aperta inferiore a 0,2 %) hanno mostrato un aumento di resistenza pari a circa la metà rispetto a quelli sottoposti alla stessa esposizione all’umidità.
Le misure pratiche consistono quindi nella densificazione e nella protezione delle superfici. La porosità residua deve essere sufficientemente bassa da impedire all’umidità di raggiungere l’interno dei grani; un rivestimento protettivo sottile e continuo o una metallizzazione che copra interamente le superfici libere limita ulteriormente la reazione. Per quanto riguarda la sensibilità all’umidità da idrolisi del nitruro di alluminio, le variabili di processo rilevanti sono la densità di sinterizzazione, la porosità aperta residua e l’integrità di eventuali rivestimenti successivi. L’affidabilità dei cicli termici dei substrati in AlN in condizioni di umidità viene confermata misurando la resistenza termica del pacchetto prima e dopo l’esposizione accelerata all’umidità, piuttosto che solo in base alla conduttività volumetrica. Quando la resistenza termica aumenta dopo lo stoccaggio o l’esposizione sul campo in aria umida, l’evidenza distintiva è un aumento della resistenza interfacciale senza alcuna variazione della conduttività volumetrica. Il raggiungimento di una densità quasi completa e la protezione delle superfici libere, come dimostrato dal minore aumento di resistenza sui substrati a maggiore densità nella prova a 85 °C / 85 % RH, limitano il degrado indotto dall’umidità e preservano le prestazioni di diffusione del calore del nitruro di alluminio.