Aluminiumnitrid (AlN) wurde erstmals 1877 synthetisiert, aber seine potenzielle Anwendung in der Mikroelektronik hat die Entwicklung hochwertiger, kommerziell brauchbarer Materialien erst Mitte der 1980er Jahre vorangetrieben.
AIN ist eine Aluminiumnitratform. Aluminiumnitrid unterscheidet sich von Aluminiumnitrat dadurch, dass es eine Stickstoffverbindung mit einer spezifischen Oxidationsstufe von -3 ist, während sich Nitrat auf einen beliebigen Ester oder ein Salz der Salpetersäure bezieht. Die Kristallstruktur dieses Materials ist hexagonaler Wurtzit.
Synthese von AIN
AlN wird entweder durch die carbothermische Reduktion von Aluminiumoxid oder die direkte Nitridierung von Aluminium hergestellt. Es hat eine Dichte von 3,33 g/cm3 und zerfällt bei Temperaturen über 2500 °C und atmosphärischem Druck, obwohl es nicht schmilzt. Ohne Zuhilfenahme von flüssigkeitsbildenden Zusätzen ist das Material kovalent gebunden und sinterbeständig. Typischerweise erlauben Oxide wie Y2O3 oder CaO ein Sintern bei Temperaturen zwischen 1600 und 1900 Grad Celsius.
Teile aus Aluminiumnitrid können mit einer Vielzahl von Verfahren hergestellt werden, darunter kaltisostatisches Pressen, Keramikspritzguss, Niederdruckspritzguss, Bandguss, Präzisionsbearbeitung und Trockenpressen.
Hauptmerkmale
AlN ist undurchlässig für die meisten geschmolzenen Metalle, einschließlich Aluminium, Lithium und Kupfer. Es ist undurchlässig für die meisten geschmolzenen Salze, einschließlich Chloride und Kryolith.
Aluminiumnitrid besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit (170 W/mk, 200 W/mk und 230 W/mk) sowie einen hohen Durchgangswiderstand und eine hohe Durchschlagsfestigkeit.
Es ist in Pulverform anfällig für Hydrolyse, wenn es Wasser oder Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Außerdem greifen Säuren und Laugen Aluminiumnitrid an.
Dieses Material ist ein Isolator für Elektrizität. Dotierung erhöht die elektrische Leitfähigkeit eines Materials. AIN weist piezoelektrische Eigenschaften auf.
Anwendungen
Mikroelektronik
Die bemerkenswerteste Eigenschaft von AlN ist seine hohe Wärmeleitfähigkeit, die unter den keramischen Materialien nur von Beryllium übertroffen wird. Bei Temperaturen unter 200 Grad Celsius übertrifft seine Wärmeleitfähigkeit die von Kupfer. Diese Kombination aus hoher Leitfähigkeit, spezifischem Durchgangswiderstand und Durchschlagsfestigkeit ermöglicht seine Verwendung als Substrate und Gehäuse für mikroelektronische Hochleistungs- oder hochdichte Komponentenanordnungen. Die Notwendigkeit, durch ohmsche Verluste erzeugte Wärme abzuleiten und die Komponenten innerhalb ihres Betriebstemperaturbereichs zu halten, ist einer der begrenzenden Faktoren, die die Packungsdichte elektronischer Komponenten bestimmen. AlN-Substrate bieten eine effektivere Kühlung als herkömmliche und andere Keramiksubstrate, weshalb sie als Chipträger und Kühlkörper verwendet werden.
Aluminiumnitrid findet weitverbreitete kommerzielle Anwendung in HF-Filtern für mobile Kommunikationsgeräte. Zwischen zwei Metallschichten befindet sich eine Schicht aus Aluminiumnitrid. Übliche Anwendungen im gewerblichen Bereich umfassen elektrische Isolations- und Wärmemanagementkomponenten in Lasern, Chiplets, Spannzangen, elektrischen Isolatoren, Klemmringen in Halbleiterverarbeitungsgeräten und Mikrowellengeräteverpackungen.
Andere Anwendungen
Aufgrund der Kosten von AlN waren seine Anwendungen in der Vergangenheit auf die Bereiche militärische Luftfahrt und Transport beschränkt. Das Material wurde jedoch ausgiebig untersucht und in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt. Aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften eignet es sich für eine Reihe wichtiger industrieller Anwendungen.
Zu den industriellen Anwendungen von AlN gehören feuerfeste Verbundwerkstoffe für den Umgang mit aggressiven geschmolzenen Metallen und effiziente Wärmeaustauschsysteme.
Dieses Material wird zum Bau von Tiegeln für die Züchtung von Galliumarsenid-Kristallen verwendet und wird auch bei der Herstellung von Stahl und Halbleitern verwendet.
Andere vorgeschlagene Verwendungen für Aluminiumnitrid beinhalten als chemischer Sensor für toxische Gase. Die Verwendung von AIN-Nanoröhren zur Herstellung von quasi-eindimensionalen Nanoröhren zur Verwendung in diesen Vorrichtungen war Gegenstand der Forschung. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden auch Leuchtdioden untersucht, die im ultravioletten Spektrum arbeiten. Die Anwendung von Dünnfilm-AIN in Oberflächenwellensensoren wurde evaluiert.
