Waarom behuizingen van aluminiumnitride hun warmteverspreidingsvermogen verliezen na blootstelling aan vocht
Na twaalf jaar ervaring met aluminiumnitride-substraten in vermogens- en RF-behuizingen is een hardnekkig probleem de geleidelijke toename van de gemeten thermische weerstand nadat componenten in vochtige omgevingen zijn opgeslagen of gebruikt. Deze toename kan niet uitsluitend worden verklaard door soldeervermoeidheid of het contact met het koellichaam. Aluminiumnitride reageert met vocht, en de reactieproducten kunnen de thermische grensweerstand aan vrije oppervlakken en aan grensvlakken verhogen, zelfs wanneer de geleidbaarheid van het keramiek zelf hoog blijft.
Dicht AlN is relatief stabiel, maar door resterende open porositeit of onvolledig gesinterde korrelgrenzen kan waterdamp de reactieve oppervlakken bereiken. De reactie leidt tot de vorming van aluminiumhydroxiden en ammoniak; de hydroxidelaag is een slechte warmtegeleider en kan bovendien de hechting van latere metallisatie verstoren. Op poeder of materiaal met een lage dichtheid verloopt de reactie snel. Op volledig dichte substraten verloopt het effect langzamer en plaatselijk, maar is het nog steeds meetbaar na wekenlange blootstelling bij een relatieve vochtigheid van meer dan 60 %. Aangezien de thermische weerstand van de verpakking de som is van de bulkgeleidingsweerstand en de grensvlakweerstanden, kan zelfs een dunne reactielaag van enkele micrometers bij een hoge warmteflux enkele tienden van een graad per watt toevoegen.
In een gecontroleerde blootstellingsproef werden AlN-substraten van 0,5 mm met een gemeten bulkgeleidbaarheid van 185 W/m·K gemetalliseerd en tot vermogensmodules samengevoegd. De helft van de modules werd 500 uur opgeslagen bij 85 °C en een relatieve vochtigheid van 85 %; de andere helft werd bij dezelfde temperatuur in droge stikstof bewaard. Na blootstelling steeg de thermische weerstand tussen junctie en behuizing bij een belasting van 40 W met 0,18 °C/W bij de in vochtige omstandigheden opgeslagen modules, terwijl deze bij de in droge omstandigheden opgeslagen modules onveranderd bleef. Dwarsdoorsneden toonden een discontinue oppervlaktelaag van ongeveer 2–4 µm dik op de vochtige monsters. Laser-flash-metingen op bijbehorende, niet-gemetalliseerde blanco’s bevestigden dat de bulkgeleidbaarheid onveranderd was, waardoor de toegevoegde weerstand kon worden toegeschreven aan de reactieproducten aan het oppervlak. Modules die tot een hogere dichtheid waren gesinterd (open porositeit onder 0,2 %) vertoonden bij dezelfde blootstelling aan vocht ongeveer de helft van de weerstandstoename.
De praktische maatregelen zijn daarom verdichting en oppervlaktebescherming. De restporositeit moet zo laag zijn dat vocht het binnenste van de korrels niet kan bereiken; een dunne, doorlopende beschermende coating of metallisatie die de vrije oppervlakken volledig bedekt, beperkt de reactie nog verder. Voor de vochtgevoeligheid bij de hydrolyse van aluminiumnitride zijn de relevante procesvariabelen de sinterdichtheid, de resterende open porositeit en de integriteit van eventuele daaropvolgende coatings. De betrouwbaarheid van AlN-substraten bij thermische cycli onder vochtige omstandigheden wordt bevestigd door de thermische weerstand van de verpakking te meten vóór en na versnelde blootstelling aan vocht, in plaats van uitsluitend op basis van de bulkgeleidbaarheid. Wanneer de thermische weerstand stijgt na opslag of blootstelling in de praktijk aan vochtige lucht, is het onderscheidende bewijs een toename van de grensvlakweerstand zonder verandering in de bulkgeleidbaarheid. Het bereiken van een bijna volledige dichtheid en het beschermen van vrije oppervlakken – zoals aangetoond door de kleinere weerstandsstijging bij de substraten met hogere dichtheid in de 85 °C / 85 % RH-test – beperkt vochtgerelateerde degradatie en behoudt de warmteverspreidingsprestaties van aluminiumnitride.