Nitrid hliníku (AlN) byl poprvé syntetizován v roce 1877, ale jeho potenciální aplikace v mikroelektronice neurychlila vývoj vysoce kvalitního, komerčně životaschopného materiálu až do poloviny 80. let 20. století.
AIN je forma dusičnanu hlinitého. Nitrid hlinitý se liší od dusičnanu hlinitého v tom, že jde o sloučeninu dusíku se specifickým oxidačním stavem -3, zatímco dusičnan označuje jakýkoli ester nebo sůl kyseliny dusičné. Krystalová struktura tohoto materiálu je šestihranný wurtzit.
Syntéza AIN
AlN se vyrábí buď karbotermální redukcí oxidu hlinitého nebo přímou nitridací hliníku. Má hustotu 3,33 g/cm3 a přestože netaje, disociuje při teplotách nad 2500 °C a atmosférickém tlaku. Bez pomoci kapalinotvorných přísad je materiál kovalentně vázaný a odolný vůči slinování. Typicky oxidy jako Y2O3 nebo CaO umožňují slinování při teplotách mezi 1600 a 1900 stupni Celsia.
Díly vyrobené z nitridu hliníku lze vyrábět různými způsoby, včetně izostatického lisování za studena, keramického vstřikování, nízkotlakého vstřikování, páskového lití, přesného obrábění a lisování za sucha.
Klíčové vlastnosti
AlN je nepropustný pro většinu roztavených kovů, včetně hliníku, lithia a mědi. Je nepropustný pro většinu roztavených solí, včetně chloridů a kryolitu.
Nitrid hliníku má vysokou tepelnou vodivost (170 W/mk, 200 W/mk a 230 W/mk), stejně jako vysoký objemový odpor a dielektrickou pevnost.
Při vystavení vodě nebo vlhkosti je náchylný k hydrolýze v práškové formě. Navíc kyseliny a zásady napadají nitrid hliníku.
Tento materiál je izolátorem elektřiny. Doping zvyšuje elektrickou vodivost materiálu. AIN zobrazuje piezoelektrické vlastnosti.
Aplikace
Mikroelektronika
Nejpozoruhodnější vlastností AlN je jeho vysoká tepelná vodivost, která je mezi keramickými materiály na druhém místě po beryliu. Při teplotách pod 200 stupňů Celsia jeho tepelná vodivost překonává měď. Tato kombinace vysoké vodivosti, objemového odporu a dielektrické pevnosti umožňuje jeho použití jako substráty a obaly pro vysoce výkonné nebo vysokohustotní sestavy mikroelektronických součástek. Potřeba odvádět teplo generované ohmickými ztrátami a udržovat součástky v rozsahu jejich provozních teplot je jedním z limitujících faktorů, které určují hustotu balení elektronických součástek. AlN substráty poskytují účinnější chlazení než konvenční a jiné keramické substráty, a proto se používají jako nosiče čipů a chladiče.
Nitrid hliníku nachází široké komerční uplatnění v RF filtrech pro mobilní komunikační zařízení. Vrstva nitridu hliníku je umístěna mezi dvěma vrstvami kovu. Mezi běžné aplikace v komerčním sektoru patří elektrická izolace a komponenty tepelného managementu v laserech, čipy, kleštiny, elektrické izolátory, upínací kroužky v zařízeních pro zpracování polovodičů a balení mikrovlnných zařízení.
Další aplikace
Vzhledem k nákladnosti AlN byly jeho aplikace historicky omezeny na oblast vojenského letectví a dopravy. Materiál byl však rozsáhle studován a využíván v různých oblastech. Díky svým výhodným vlastnostem je vhodný pro řadu důležitých průmyslových aplikací.
Průmyslové aplikace AlN zahrnují žáruvzdorné kompozity pro manipulaci s agresivními roztavenými kovy a účinné systémy výměny tepla.
Tento materiál se používá ke konstrukci kelímků pro růst krystalů arsenidu galia a používá se také při výrobě oceli a polovodičů.
Jiná navrhovaná použití nitridu hliníku zahrnují jako chemický senzor pro toxické plyny. Využití nanotrubic AIN k výrobě kvazijednorozměrných nanotrubic pro použití v těchto zařízeních bylo předmětem výzkumu. V posledních dvou desetiletích byly také zkoumány světelné diody, které pracují v ultrafialovém spektru. Byla hodnocena aplikace tenkovrstvého AIN v povrchových snímačích akustických vln.
