Aluminiumnitride geleidt warmte als een metaal en blokkeert toch de stroom
Aluminiumoxide is niet voor niets het standaard keramische substraat. Het is goedkoop, sterk en gemakkelijk te metalliseren. Het is echter een slechte warmtegeleider. Een 96% Al₂O₃-plaat heeft een warmtegeleidingscoëfficiënt van ongeveer 20–30 W/m·K. Aluminiumnitride, mits goed vervaardigd, komt uit op een waarde tussen 170 en 200 W/m·K, soms iets boven de 200. De theoretische waarde voor een perfect monokristal ligt dicht bij 320. Niemand levert dat. Wat wij leveren is een gesinterde isolator die de warmte van de chip uit een vermogensmodule kan afvoeren zonder zelf een geleider te worden.
Die combinatie is precies wat we zoeken. Metalen geleiden warmte en stroom. De meeste keramische materialen blokkeren stroom en houden warmte vast. Aluminiumnitride zorgt tegelijkertijd voor warmtegeleiding en isolatie, met een CTE van ongeveer 4,5 ppm/°C — vergelijkbaar met silicium. Aluminiumoxide zet meer uit, namelijk zo’n 6,5–7,5. Bij een krachtige IGBT of een SiC-component uit zich die mismatch in soldeervermoeidheid en loslatende koperfolie. BeO geleidt zelfs nog beter, maar toch vermijden we het waar mogelijk. Toxiciteit is geen voetnoot in een datasheet.
Zuurstof is de onzuiverheid die de geleidbaarheid tenietdoet. Roosterzuurstof zorgt voor aluminiumvacatures. Fononen verstrooien. Poeder met een paar procent zuurstof sintert tot iets dat op AlN lijkt en een waarde heeft die dichter bij 100 W/m·K ligt. Poeder met een laag zuurstofgehalte in combinatie met een sinterhulpstof die zuurstof naar een korrelgrensfase trekt — meestal yttriumoxide — is de manier om de kwaliteit van meer dan 170 te bereiken. De dichtheid moet hoog zijn. Een resterende porie is een andere verstrooiingsplaats. Dus “AlN-substraat” op een PO is geen kwaliteitsaanduiding. Vraag naar de thermische geleidbaarheid, niet alleen naar de chemische samenstelling.
Bij het omgaan met poeder worden werkplaatsen vaak verrast. Fijn AlN hydrolyseert. Laat het in vochtige lucht staan en er vormt zich een laagje hydroxide, waardoor het zuurstofgehalte stijgt – juist dat zuurstofgehalte dat je zojuist hebt laten verwijderen. Droge opslag, korte blootstellingstijd, soms een oppervlaktebehandeling. Dat is geen gedoe. Zo blijft de k-waarde behouden tot aan de oven.
We gebruiken aluminiumnitride precies daar waar de thermische stack het daadwerkelijk nodig heeft: DBC- en DPC-voedingskaarten, RF-pakketten, submounts voor lasers en leds, en bepaalde onderdelen voor halfgeleiderprocessen. Als de chip slechts enkele watts verbruikt en het koellichaam de bottleneck vormt, is aluminiumoxide nog steeds voordeliger. Als je tientallen watt via een dunne keramische laag naar koper afvoert, is het temperatuurverschil op het substraat bij aluminiumoxide niet langer gratis. De keramiek kost dan meer. Het voordeel is dat de module niet afremt of delamineert.
Verspaning en metallisatie vereisen dezelfde nauwkeurigheid. AlN is niet zo ‘makkelijk’ als 96%-aluminiumoxide. De randen brokkelen af. De koperverbinding moet zijn afgestemd op de uitzettingscoëfficiënt. Een prachtige schijf van 180 W/m·K met een slechte interface is gewoon een dure isolator. Specificeer k, dikte, oppervlak en het metaalsysteem in één keer. Aluminiumnitride is een warmtegeleider die toevallig een keramiek is. Behandel het op die manier en het verdient de meerprijs. Behandel het als wit aluminiumoxide met een mooiere brochure en dat is niet het geval.