Alumiininitridi (AlN) syntetisoitiin ensimmäisen kerran vuonna 1877, mutta sen mahdollinen käyttö mikroelektroniikassa ei johtanut korkealaatuisen, kaupallisesti kannattavan materiaalin kehittämiseen vasta 1980-luvun puolivälissä.
AIN on alumiininitraattimuoto. Alumiininitridi eroaa alumiininitraatista siinä, että se on typpiyhdiste, jonka spesifinen hapetusaste on -3, kun taas nitraatti viittaa mihin tahansa typpihapon esteriin tai suolaan. Tämän materiaalin kiderakenne on kuusikulmainen wurtsiitti.
AIN:n synteesi
AlN valmistetaan joko alumiinioksidin karbotermisellä pelkistyksellä tai alumiinin suoralla nitridauksella. Sen tiheys on 3,33 g/cm3, ja vaikka se ei sula, se dissosioituu yli 2500 °C:n lämpötiloissa ja ilmanpaineessa. Ilman nestettä muodostavien lisäaineiden apua materiaali on kovalenttisesti sidottu ja kestää sintrausta. Tyypillisesti oksidit, kuten Y2O3 tai CaO, sallivat sintraamisen 1600-1900 celsiusasteen lämpötiloissa.
Alumiininitridistä valmistettuja osia voidaan valmistaa useilla menetelmillä, mukaan lukien kylmä-isostaattinen puristus, keraaminen ruiskupuristus, matalapaineruiskupuristus, nauhavalu, tarkkuuskoneistus ja kuivapuristus.
Avainominaisuudet
AlN läpäisee useimmat sulat metallit, mukaan lukien alumiini, litium ja kupari. Se ei läpäise suurinta osaa sulaista suoloista, mukaan lukien kloridit ja kryoliitti.
Alumiininitridillä on korkea lämmönjohtavuus (170 W/mk, 200 W/mk ja 230 W/mk) sekä suuri tilavuusvastus ja dielektrinen lujuus.
Se on herkkä hydrolyysille jauhemuodossa joutuessaan alttiiksi vedelle tai kosteudelle. Lisäksi hapot ja emäkset hyökkäävät alumiininitridillä.
Tämä materiaali on sähkön eriste. Doping parantaa materiaalin sähkönjohtavuutta. AIN näyttää pietsosähköiset ominaisuudet.
Sovellukset
Mikroelektroniikka
AlN:n merkittävin ominaisuus on sen korkea lämmönjohtavuus, joka on keraamisten materiaalien joukossa toiseksi vain berylliumin jälkeen. Alle 200 celsiusasteen lämpötiloissa sen lämmönjohtavuus ylittää kuparin. Tämä korkean johtavuuden, tilavuusresistanssin ja dielektrisen lujuuden yhdistelmä mahdollistaa sen käytön substraattina ja pakkauksena suuritehoisille tai suuritiheyksisille mikroelektroniikkakomponenttikokoonpanoille. Tarve haihduttaa ohmisen häviöistä syntyvää lämpöä ja pitää komponentit käyttölämpötila-alueellaan on yksi rajoittavista tekijöistä, jotka määräävät elektronisten komponenttien pakkaustiheyden. AlN-substraatit jäähdyttävät tehokkaammin kuin perinteiset ja muut keraamiset alustat, minkä vuoksi niitä käytetään lastujen kantajina ja jäähdytyselementteinä.
Alumiininitridillä on laaja kaupallinen sovellus matkaviestinlaitteiden RF-suodattimissa. Alumiininitridikerros sijaitsee kahden metallikerroksen välissä. Yleisiä sovelluksia kaupallisella alalla ovat sähköeristys- ja lämmönhallintakomponentit lasereissa, siruissa, holkeissa, sähköeristimissä, puolijohdeprosessointilaitteiden puristusrenkaissa ja mikroaaltouunien pakkauksissa.
Muut sovellukset
AlN:n kustannuksella sen sovellukset ovat historiallisesti rajoittuneet sotilasilmailu- ja kuljetusaloihin. Aineistoa on kuitenkin tutkittu ja käytetty laajasti eri aloilla. Sen edulliset ominaisuudet tekevät siitä sopivan useisiin tärkeisiin teollisiin sovelluksiin.
AlN:n teollisiin sovelluksiin kuuluvat tulenkestävät komposiitit aggressiivisten sulien metallien käsittelyyn ja tehokkaat lämmönvaihtojärjestelmät.
Tätä materiaalia käytetään upokkaiden rakentamiseen galliumarsenidikiteiden kasvattamiseksi, ja sitä käytetään myös teräksen ja puolijohteiden valmistuksessa.
Muita alumiininitridin käyttökohteita ovat mm. myrkyllisten kaasujen kemiallinen anturi. AIN-nanoputkien käyttäminen lähes yksiulotteisten nanoputkien tuottamiseen näissä laitteissa on ollut tutkimuksen kohteena. Kahden viime vuosikymmenen aikana on tutkittu myös ultraviolettispektrissä toimivia valodiodeja. Ohutkalvon AIN:n käyttöä pinta-akustisissa aaltoantureissa on arvioitu.
