Алуминиевият нитрид (AlN) е синтезиран за първи път през 1877 г., но потенциалното му приложение в микроелектрониката не стимулира развитието на висококачествен, търговски жизнеспособен материал до средата на 80-те години.
AIN е форма на алуминиев нитрат. Алуминиевият нитрид се различава от алуминиевия нитрат по това, че е азотно съединение със специфична степен на окисление -3, докато нитратът се отнася до всеки естер или сол на азотна киселина. Кристалната структура на този материал е хексагонален вюрцит.
Синтез на AIN
AlN се произвежда или чрез карботермична редукция на алуминий, или чрез директно нитриране на алуминий. Той има плътност от 3,33 g/cm3 и въпреки че не се топи, дисоциира при температури над 2500 °C и атмосферно налягане. Без помощта на течнообразуващи добавки, материалът е ковалентно свързан и устойчив на синтероване. Обикновено оксиди като Y2O3 или CaO позволяват синтероване при температури между 1600 и 1900 градуса по Целзий.
Частите, изработени от алуминиев нитрид, могат да бъдат произведени чрез различни методи, включително студено изостатично пресоване, леене под налягане на керамика, леене под ниско налягане, леене на лента, прецизна машинна обработка и сухо пресоване.
Основни функции
AlN е непроницаем за повечето разтопени метали, включително алуминий, литий и мед. Той е непроницаем за повечето разтопени соли, включително хлориди и криолит.
Алуминиевият нитрид притежава висока топлопроводимост (170 W/mk, 200 W/mk и 230 W/mk), както и високо обемно съпротивление и диелектрична якост.
Той е податлив на хидролиза под формата на прах, когато е изложен на вода или влага. Освен това киселините и основите атакуват алуминиевия нитрид.
Този материал е изолатор за електричество. Допингът подобрява електрическата проводимост на материала. AIN показва пиезоелектрични свойства.
Приложения
Микроелектроника
Най-забележителната характеристика на AlN е неговата висока топлопроводимост, която е на второ място след берилия сред керамичните материали. При температури под 200 градуса по Целзий неговата топлопроводимост превъзхожда тази на медта. Тази комбинация от висока проводимост, обемно съпротивление и диелектрична якост позволява използването му като субстрати и опаковки за сглобки на микроелектронни компоненти с висока мощност или висока плътност. Необходимостта от разсейване на топлината, генерирана от омични загуби, и поддържане на компонентите в техния работен температурен диапазон е един от ограничаващите фактори, които определят плътността на опаковане на електронните компоненти. AlN субстратите осигуряват по-ефективно охлаждане от конвенционалните и други керамични субстрати, поради което се използват като носители на чипове и радиатори.
Алуминиевият нитрид намира широко търговско приложение в RF филтри за мобилни комуникационни устройства. Слой от алуминиев нитрид е разположен между два слоя метал. Обичайните приложения в търговския сектор включват компоненти за електрическа изолация и управление на топлината в лазери, чиплети, цанги, електрически изолатори, затягащи пръстени в оборудване за обработка на полупроводници и опаковки на микровълнови устройства.
Други приложения
Поради разходите за AlN, неговите приложения исторически са били ограничени до военната аеронавтика и транспортните полета. Въпреки това, материалът е широко проучен и използван в различни области. Неговите благоприятни свойства го правят подходящ за редица важни индустриални приложения.
Индустриалните приложения на AlN включват огнеупорни композити за работа с агресивни разтопени метали и ефективни системи за топлообмен.
Този материал се използва за конструиране на тигели за растеж на кристали от галиев арсенид и също така се използва в производството на стомана и полупроводници.
Други предложени приложения за алуминиев нитрид включват като химически сензор за токсични газове. Използването на AIN нанотръби за производство на квазиедномерни нанотръби за използване в тези устройства е обект на изследване. През последните две десетилетия са изследвани и диоди, излъчващи светлина, които работят в ултравиолетовия спектър. Оценено е приложението на тънкослоен AIN в сензори за повърхностни акустични вълни.
