რატომ კარგავს ალუმინის ნიტრიდის პაკეტები ნესტიან გარემოში ექსპოზიციის შემდეგ სითბოს გაფანტვის უნარს
ალუმინის ნიტრიდის სუბსტრატებთან მუშაობის თორმეტი წლის განმავლობაში, კვების და რადიოსიხშირეული (RF) პაკეტებისთვის, ერთი მუდმივი პრობლემაა გაზომილი თერმული წინააღმდეგობის თანდათანობითი ზრდა მოწყობილობების ნესტიან გარემოში შენახვის ან გამოყენების შემდეგ. ეს ზრდა არ იხსნება მხოლოდ გამომწვარი სიმეტყვევით ან მხოლოდ სითბოს გამტართან კონტაქტით. ალუმინის ნიტრიდი რეაგირებს ნესტთან და რეაქციის პროდუქტებს შეუძლიათ გაზარდონ თერმული საზღვრული წინააღმდეგობა თავისუფალ ზედაპირებსა და ინტერფეისებზე, მაშინაც კი, როდესაც კერამიკის მასიური გამტარობა მაღალი რჩება.
მკვრივი AlN შედარებით სტაბილურია, თუმცა ნარჩენი ღია ფორიანობა ან არასრულად შედუღებული მარცვლოვანი საზღვრები ორთქლს საშუალებას აძლევს, მიაღწიოს რეაქტიულ ზედაპირებს. რეაქციის შედეგად წარმოიქმნება ალუმინის ჰიდროქსიდები და ამიაკი; ჰიდროქსიდის ფენა ცუდი თერმული გამტარია და ასევე შეუძლია დაარღვიოს შემდგომი მეტალოზების მიწებება. ფხვნილზე ან დაბალი სიმკვრივის მასალაზე რეაქცია სწრაფია. სრულად მკვრივ სუბსტრატებზე ეფექტი უფრო ნელი და ლოკალიზებულია, თუმცა მაინც შესაძლებელია მისი გაზომვა 60%-ზე მეტი შეფარდებითი ტენიანობის პირობებში მრავალკვირიანი ზემოქმედების შემდეგ. რადგან შეფუთვის თერმული წინააღმდეგობა მოცულობითი და ინტერფეისური წინააღმდეგობების ჯამია, რამდენიმე მიკრომეტრის სისქის თხელი რეაქციის ფენაც კი მაღალი სითბოშემცველობისას ერთ ვატზე ტემპერატურის რამდენიმე მეათედის მატებას იწვევს.
კონტროლირებადი ექსპოზიციის ტესტირებისას, 0.5 მმ სისქის AlN სუბსტრატები, რომელთა ზოგადი გამტარობა 185 W/m·K-მდე იყო გაზომილი, დაიმეტალურტა და ელექტრომომწოდებელ მოდულებად ააწყვეს. მოდულების ნახევარი 500 საათის განმავლობაში ინახებოდა 85 °C ტემპერატურასა და 85 % ფარდობითი ტენიანობის პირობებში; მეორე ნახევარი კი — იგივე ტემპერატურაზე მშრალ აზოტში. ექსპოზიციის შემდეგ, 40 ვტ დატვირთვის ქვეშ, შეერთებისა და კორპუსის თერმული წინააღმდეგობა გაიზარდა 0.18 °C/W-ით ნესტიან პირობებში შენახულ მოდულებზე, ხოლო მშრალ პირობებში შენახულ მოდულებზე უცვლელი დარჩა. განივი ჭრებიდან ჩანდა, რომ ნესტიან ნიმუშებზე ზედაპირის შეუწყვეტი ფენა იყო, რომლის სისქეც დაახლოებით 2–4 მკმ-ს შეადგენდა. თანმხლებ უმეტალო ნიმუშებზე ლაზერ-ფლეშით გაზომვებმა დაადასტურა, რომ მასიური გამტარობა უცვლელი იყო, რაც დამატებით წინააღმდეგობას მხოლოდ ზედაპირის რეაქციის პროდუქტებით ხსნის. მაღალი სიმკვრივისკენ (0.2 %-ზე ნაკლები ღია ფორიანობა) სინტერებული მოდულები იგივე ნესტიან პირობებში ექსპოზიციისას წინააღმდეგობის დაახლოებით ნახევარი ზრდით ხასიათდებოდა.
ამიტომ, პრაქტიკული მართვის საშუალებებია დანაგვიანება და ზედაპირის დაცვა. ნარჩენი ფორიანობა საკმარისად დაბალი უნდა იყოს, რათა ნესტი ვერ მიაღწიოს მარცვლების შიგნით; თხელი, უწყვეტი დამცავი საფარი ან მეტალიზაცია, რომელიც სრულად ფარავს თავისუფალ ზედაპირებს, დამატებით ზღუდავს რეაქციას. ალუმინის ნიტრიდის ჰიდროლიზის დროს ნესტისადმი მგრძნობელობისთვის, შესაბამისი პროცესის ცვლადებია სინტერირების სიმკვრივე, ნარჩენი ღია ფორიანობა და შემდგომი საფარის მთლიანობა. AlN სუბსტრატის თერმული ციკლირების საიმედოობა ნესტიან პირობებში დასტურდება არა მხოლოდ მასიური გამტარობის მიხედვით, არამედ აჩქარებული ნესტიანი ზემოქმედების წინ და შემდეგ პაკეტის თერმული წინააღმდეგობის გაზომვით. როდესაც თერმული წინააღმდეგობა იზრდება შენახვის ან საველე პირობებში ნესტიან ჰაერში ექსპოზიციის შემდეგ, ამის განმსაზღვრელი მტკიცებულებაა ინტერფეისური წინააღმდეგობის ზრდა მასიური გამტარობის უცვლელობის ფონზე. სრულ სიხშირემდე მიახლოებული სიხშირისა და თავისუფალი ზედაპირების დაცვის მიღწევა, რაც დასტურდება 85 °C / 85 % RH ტესტირებაზე მაღალი სიხშირის მქონე სუბსტრატებზე მდგრადობის უფრო მცირე ზრდით, ზღუდავს ნესტისგან გამოწვეულ დეგრადაციას და ინარჩუნებს ალუმინის ნიტრიდის სითბოს გაფანტვის ეფექტურობას.