El nitrur d'alumini (AlN) es va sintetitzar per primera vegada el 1877, però la seva aplicació potencial en microelectrònica no va estimular el desenvolupament de material d'alta qualitat i comercialment viable fins a mitjans dels anys vuitanta.
AIN és una forma de nitrat d'alumini. El nitrur d'alumini es diferencia del nitrat d'alumini perquè és un compost nitrogenat amb un estat d'oxidació específic de -3, mentre que el nitrat es refereix a qualsevol èster o sal d'àcid nítric. L'estructura de cristall d'aquest material és wurtzita hexagonal.
Síntesi d'AIN
AlN es produeix mitjançant la reducció carbotèrmica de l'alúmina o la nitruració directa de l'alumini. Té una densitat de 3,33 g/cm3 i, tot i no fondre, es dissocia a temperatures superiors als 2500 °C i a la pressió atmosfèrica. Sense l'ajuda d'additius de formació de líquids, el material s'uneix de manera covalent i és resistent a la sinterització. Normalment, òxids com Y2O3 o CaO permeten la sinterització a temperatures entre 1600 i 1900 graus centígrads.
Les peces fetes de nitrur d'alumini es poden fabricar mitjançant una varietat de mètodes, com ara premsat isostàtic en fred, modelat per injecció de ceràmica, modelat per injecció a baixa pressió, fosa de cinta, mecanitzat de precisió i premsat en sec.
Característiques clau
AlN és impermeable a la majoria de metalls fosos, inclosos l'alumini, el liti i el coure. És impermeable a la majoria de sals foses, inclosos els clorurs i la criolita.
El nitrur d'alumini posseeix una alta conductivitat tèrmica (170 W/mk, 200 W/mk i 230 W/mk), així com una gran resistivitat de volum i rigidesa dielèctrica.
És susceptible a la hidròlisi en forma de pols quan s'exposa a l'aigua o a la humitat. A més, els àcids i els àlcalis ataquen el nitrur d'alumini.
Aquest material és un aïllant de l'electricitat. El dopatge millora la conductivitat elèctrica d'un material. AIN mostra propietats piezoelèctriques.
Aplicacions
Microelectrònica
La característica més destacable d'AlN és la seva alta conductivitat tèrmica, que és la segona només per darrere del beril·li entre els materials ceràmics. A temperatures inferiors als 200 graus centígrads, la seva conductivitat tèrmica supera la del coure. Aquesta combinació d'alta conductivitat, resistivitat de volum i rigidesa dielèctrica permet el seu ús com a substrats i envasos per a conjunts de components microelectrònics d'alta potència o d'alta densitat. La necessitat de dissipar la calor generada per les pèrdues òhmiques i mantenir els components dins del seu rang de temperatura de funcionament és un dels factors limitants que determinen la densitat d'embalatge dels components electrònics. Els substrats d'AlN proporcionen un refredament més eficaç que els substrats ceràmics convencionals i altres, per això s'utilitzen com a portadors d'encenalls i dissipadors de calor.
El nitrur d'alumini troba una àmplia aplicació comercial en filtres de RF per a dispositius de comunicació mòbil. Una capa de nitrur d'alumini es troba entre dues capes de metall. Les aplicacions habituals en el sector comercial inclouen components d'aïllament elèctric i de gestió de calor en làsers, xips, pinces, aïllants elèctrics, anells de pinça en equips de processament de semiconductors i embalatge de dispositius de microones.
Altres aplicacions
A causa de la despesa d'AlN, les seves aplicacions s'han limitat històricament als camps de l'aeronàutica militar i el transport. No obstant això, el material ha estat àmpliament estudiat i utilitzat en una varietat de camps. Les seves propietats avantatjoses el fan adequat per a una sèrie d'aplicacions industrials importants.
Les aplicacions industrials d'AlN inclouen compostos refractaris per a la manipulació de metalls fosos agressius i sistemes eficients d'intercanvi de calor.
Aquest material s'utilitza per construir gresols per al creixement de cristalls d'arsenur de gal·li i també s'utilitza en la producció d'acer i semiconductors.
Altres usos proposats per al nitrur d'alumini inclouen com a sensor químic de gasos tòxics. L'ús de nanotubs AIN per produir nanotubs quasi unidimensionals per utilitzar-los en aquests dispositius ha estat objecte d'investigació. En les últimes dues dècades, també s'han investigat els díodes emissors de llum que operen en l'espectre ultraviolat. S'ha avaluat l'aplicació de AIN de pel·lícula fina en sensors d'ones acústiques superficials.
