Το νιτρίδιο του αργιλίου (AlN) συντέθηκε για πρώτη φορά το 1877, αλλά η πιθανή εφαρμογή του στη μικροηλεκτρονική δεν ώθησε την ανάπτυξη υψηλής ποιότητας, εμπορικά βιώσιμου υλικού μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 1980.
Το AIN είναι μια μορφή νιτρικού αλουμινίου. Το νιτρίδιο του αργιλίου διαφέρει από το νιτρικό αλουμίνιο στο ότι είναι μια ένωση αζώτου με ειδική κατάσταση οξείδωσης -3, ενώ το νιτρικό αναφέρεται σε οποιονδήποτε εστέρα ή άλας νιτρικού οξέος. Η κρυσταλλική δομή αυτού του υλικού είναι εξαγωνικός βουρτζίτης.
Σύνθεση του AIN
Το AlN παράγεται είτε μέσω της καρβοθερμικής αναγωγής της αλουμίνας είτε της άμεσης νιτρίδωσης του αλουμινίου. Έχει πυκνότητα 3,33 g/cm3 και, παρόλο που δεν λιώνει, διασπάται σε θερμοκρασίες πάνω από 2500 °C και ατμοσφαιρική πίεση. Χωρίς τη βοήθεια πρόσθετων που σχηματίζουν υγρό, το υλικό είναι ομοιοπολικά συνδεδεμένο και ανθεκτικό στη σύντηξη. Τυπικά, οξείδια όπως το Y2O3 ή το CaO επιτρέπουν τη σύντηξη σε θερμοκρασίες μεταξύ 1600 και 1900 βαθμών Κελσίου.
Τα μέρη από νιτρίδιο αλουμινίου μπορούν να κατασκευαστούν με ποικίλες μεθόδους, όπως ψυχρή ισοστατική συμπίεση, χύτευση κεραμικής έγχυσης, χύτευση με έγχυση χαμηλής πίεσης, χύτευση ταινίας, μηχανική κατεργασία ακριβείας και ξηρή συμπίεση.
Βασικά χαρακτηριστικά
Το AlN είναι αδιαπέραστο από τα περισσότερα λιωμένα μέταλλα, συμπεριλαμβανομένου του αλουμινίου, του λιθίου και του χαλκού. Είναι αδιαπέραστο από τα περισσότερα τετηγμένα άλατα, συμπεριλαμβανομένων των χλωριδίων και του κρυόλιθου.
Το νιτρίδιο αλουμινίου έχει υψηλή θερμική αγωγιμότητα (170 W/mk, 200 W/mk και 230 W/mk) καθώς και υψηλή ειδική αντίσταση όγκου και διηλεκτρική αντοχή.
Είναι ευαίσθητο σε υδρόλυση σε μορφή σκόνης όταν εκτίθεται σε νερό ή υγρασία. Επιπλέον, τα οξέα και τα αλκάλια επιτίθενται στο νιτρίδιο του αργιλίου.
Αυτό το υλικό είναι ένα μονωτικό για την ηλεκτρική ενέργεια. Το ντόπινγκ ενισχύει την ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός υλικού. Το AIN εμφανίζει πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες.
Εφαρμογές
Μικροηλεκτρονική
Το πιο αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό του AlN είναι η υψηλή θερμική του αγωγιμότητα, η οποία είναι δεύτερη μετά το βηρύλλιο μεταξύ των κεραμικών υλικών. Σε θερμοκρασίες κάτω των 200 βαθμών Κελσίου, η θερμική του αγωγιμότητα ξεπερνά αυτή του χαλκού. Αυτός ο συνδυασμός υψηλής αγωγιμότητας, ειδικής αντίστασης όγκου και διηλεκτρικής αντοχής επιτρέπει τη χρήση του ως υποστρώματος και συσκευασίας για συγκροτήματα μικροηλεκτρονικών εξαρτημάτων υψηλής ισχύος ή υψηλής πυκνότητας. Η ανάγκη διάχυσης της θερμότητας που παράγεται από ωμικές απώλειες και διατήρησης των εξαρτημάτων εντός του εύρους θερμοκρασίας λειτουργίας τους είναι ένας από τους περιοριστικούς παράγοντες που καθορίζουν την πυκνότητα συσκευασίας των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Τα υποστρώματα AlN παρέχουν πιο αποτελεσματική ψύξη από τα συμβατικά και άλλα κεραμικά υποστρώματα, γι' αυτό και χρησιμοποιούνται ως φορείς τσιπ και ψύκτες θερμότητας.
Το νιτρίδιο αλουμινίου βρίσκει ευρεία εμπορική εφαρμογή στα φίλτρα ραδιοσυχνοτήτων για φορητές συσκευές επικοινωνίας. Ένα στρώμα νιτριδίου αλουμινίου βρίσκεται ανάμεσα σε δύο στρώματα μετάλλου. Συνήθεις εφαρμογές στον εμπορικό τομέα περιλαμβάνουν εξαρτήματα ηλεκτρικής μόνωσης και διαχείρισης θερμότητας σε λέιζερ, τσιπλετ, κολλέτες, ηλεκτρικούς μονωτές, δακτυλίους σύσφιξης σε εξοπλισμό επεξεργασίας ημιαγωγών και συσκευασία συσκευών μικροκυμάτων.
Άλλες Εφαρμογές
Λόγω της δαπάνης του AlN, οι εφαρμογές του περιορίστηκαν ιστορικά στους τομείς της στρατιωτικής αεροναυπηγικής και των μεταφορών. Ωστόσο, το υλικό έχει μελετηθεί εκτενώς και έχει χρησιμοποιηθεί σε διάφορους τομείς. Οι πλεονεκτικές του ιδιότητες το καθιστούν κατάλληλο για μια σειρά από σημαντικές βιομηχανικές εφαρμογές.
Οι βιομηχανικές εφαρμογές της AlN περιλαμβάνουν πυρίμαχα σύνθετα υλικά για το χειρισμό επιθετικών λιωμένων μετάλλων και αποτελεσματικά συστήματα ανταλλαγής θερμότητας.
Αυτό το υλικό χρησιμοποιείται για την κατασκευή χωνευτηρίων για την ανάπτυξη κρυστάλλων αρσενιούχου γαλλίου και χρησιμοποιείται επίσης στην παραγωγή χάλυβα και ημιαγωγών.
Άλλες προτεινόμενες χρήσεις για το νιτρίδιο του αργιλίου περιλαμβάνουν ως χημικό αισθητήρα για τοξικά αέρια. Η χρήση νανοσωλήνων AIN για την παραγωγή οιονεί μονοδιάστατων νανοσωλήνων για χρήση σε αυτές τις συσκευές ήταν αντικείμενο έρευνας. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, οι δίοδοι εκπομπής φωτός που λειτουργούν στο υπεριώδες φάσμα έχουν επίσης διερευνηθεί. Η εφαρμογή του AIN λεπτής μεμβράνης σε αισθητήρες ακουστικών κυμάτων επιφάνειας έχει αξιολογηθεί.
