El nitruro de aluminio (AlN) se sintetizó por primera vez en 1877, pero su aplicación potencial en la microelectrónica no impulsó el desarrollo de material comercialmente viable de alta calidad hasta mediados de la década de 1980.
AIN es una forma de nitrato de aluminio. El nitruro de aluminio se diferencia del nitrato de aluminio en que es un compuesto de nitrógeno con un estado de oxidación específico de -3, mientras que el nitrato se refiere a cualquier éster o sal de ácido nítrico. La estructura cristalina de este material es de wurtzita hexagonal.
Síntesis de AIN
El AlN se produce mediante la reducción carbotérmica de la alúmina o la nitruración directa del aluminio. Tiene una densidad de 3,33 g/cm3 y, a pesar de no fundirse, se disocia a temperaturas superiores a 2500 °C y presión atmosférica. Sin la ayuda de aditivos formadores de líquido, el material se une covalentemente y es resistente a la sinterización. Normalmente, los óxidos como el Y2O3 o el CaO permiten la sinterización a temperaturas entre 1600 y 1900 grados centígrados.
Las piezas hechas de nitruro de aluminio se pueden fabricar a través de una variedad de métodos, incluido el prensado isostático en frío, el moldeado por inyección de cerámica, el moldeado por inyección a baja presión, la colada en cinta, el mecanizado de precisión y el prensado en seco.
Características clave
AlN es impermeable a la mayoría de los metales fundidos, incluidos el aluminio, el litio y el cobre. Es impermeable a la mayoría de las sales fundidas, incluidos los cloruros y la criolita.
El nitruro de aluminio posee una alta conductividad térmica (170 W/mk, 200 W/mk y 230 W/mk), así como una alta resistividad volumétrica y rigidez dieléctrica.
Es susceptible a la hidrólisis en forma de polvo cuando se expone al agua o la humedad. Además, los ácidos y los álcalis atacan al nitruro de aluminio.
Este material es un aislante para la electricidad. El dopaje mejora la conductividad eléctrica de un material. AIN muestra propiedades piezoeléctricas.
Aplicaciones
Microelectrónica
La característica más notable del AlN es su alta conductividad térmica, que es superada solo por el berilio entre los materiales cerámicos. A temperaturas por debajo de los 200 grados centígrados, su conductividad térmica supera a la del cobre. Esta combinación de alta conductividad, resistividad volumétrica y rigidez dieléctrica permite su uso como sustratos y empaques para ensamblajes de componentes microelectrónicos de alta potencia o alta densidad. La necesidad de disipar el calor generado por las pérdidas óhmicas y mantener los componentes dentro de su rango de temperatura de funcionamiento es uno de los factores limitantes que determinan la densidad de empaquetamiento de los componentes electrónicos. Los sustratos de AlN brindan un enfriamiento más efectivo que los sustratos cerámicos convencionales y otros, razón por la cual se utilizan como portadores de chips y disipadores de calor.
El nitruro de aluminio encuentra una amplia aplicación comercial en filtros de RF para dispositivos de comunicación móvil. Una capa de nitruro de aluminio se encuentra entre dos capas de metal. Las aplicaciones comunes en el sector comercial incluyen aislamiento eléctrico y componentes de gestión del calor en láseres, chiplets, pinzas, aisladores eléctricos, anillos de abrazadera en equipos de procesamiento de semiconductores y empaques de dispositivos de microondas.
Otras aplicaciones
Debido al costo de AlN, sus aplicaciones se han limitado históricamente a los campos de la aeronáutica militar y el transporte. Sin embargo, el material ha sido ampliamente estudiado y utilizado en una variedad de campos. Sus ventajosas propiedades lo hacen adecuado para una serie de importantes aplicaciones industriales.
Las aplicaciones industriales de AlN incluyen compuestos refractarios para el manejo de metales fundidos agresivos y sistemas eficientes de intercambio de calor.
Este material se utiliza para construir crisoles para el crecimiento de cristales de arseniuro de galio y también se utiliza en la producción de acero y semiconductores.
Otros usos propuestos para el nitruro de aluminio incluyen como sensor químico para gases tóxicos. La utilización de nanotubos AIN para producir nanotubos casi unidimensionales para su uso en estos dispositivos ha sido objeto de investigación. En las últimas dos décadas, también se han investigado los diodos emisores de luz que operan en el espectro ultravioleta. Se ha evaluado la aplicación de AIN de película delgada en sensores de ondas acústicas de superficie.
