Le nitrure d'aluminium (AlN) a été synthétisé pour la première fois en 1877, mais son application potentielle en microélectronique n'a pas stimulé le développement d'un matériau de haute qualité et commercialement viable jusqu'au milieu des années 1980.
L'AIN est une forme de nitrate d'aluminium. Le nitrure d'aluminium diffère du nitrate d'aluminium en ce qu'il s'agit d'un composé azoté avec un état d'oxydation spécifique de -3, tandis que le nitrate fait référence à tout ester ou sel d'acide nitrique. La structure cristalline de ce matériau est la wurtzite hexagonale.
Synthèse de l'AIN
L'AIN est produit soit par réduction carbothermique de l'alumine, soit par nitruration directe de l'aluminium. Il a une densité de 3,33 g/cm3 et, bien qu'il ne fonde pas, se dissocie à des températures supérieures à 2 500 °C et à la pression atmosphérique. Sans l'aide d'additifs de formation de liquide, le matériau est lié de manière covalente et résistant au frittage. Typiquement, des oxydes tels que Y2O3 ou CaO permettent un frittage à des températures comprises entre 1600 et 1900 degrés Celsius.
Les pièces en nitrure d'aluminium peuvent être fabriquées par diverses méthodes, notamment le pressage isostatique à froid, le moulage par injection de céramique, le moulage par injection à basse pression, le moulage en bande, l'usinage de précision et le pressage à sec.
Principales caractéristiques
L'AlN est imperméable à la plupart des métaux en fusion, y compris l'aluminium, le lithium et le cuivre. Il est imperméable à la majorité des sels fondus, y compris les chlorures et la cryolithe.
Le nitrure d'aluminium possède une conductivité thermique élevée (170 W/mk, 200 W/mk et 230 W/mk) ainsi qu'une résistivité volumique et une rigidité diélectrique élevées.
Il est sensible à l'hydrolyse sous forme de poudre lorsqu'il est exposé à l'eau ou à l'humidité. De plus, les acides et les alcalis attaquent le nitrure d'aluminium.
Ce matériau est un isolant pour l'électricité. Le dopage améliore la conductivité électrique d'un matériau. AIN affiche des propriétés piézoélectriques.
Applications
Microélectronique
La caractéristique la plus remarquable de l'AlN est sa conductivité thermique élevée, qui est la deuxième après le béryllium parmi les matériaux céramiques. À des températures inférieures à 200 degrés Celsius, sa conductivité thermique dépasse celle du cuivre. Cette combinaison de conductivité élevée, de résistivité volumique et de rigidité diélectrique permet son utilisation en tant que substrats et boîtiers pour des assemblages de composants microélectroniques haute puissance ou haute densité. La nécessité de dissiper la chaleur générée par les pertes ohmiques et de maintenir les composants dans leur plage de température de fonctionnement est l'un des facteurs limitants qui déterminent la densité d'emballage des composants électroniques. Les substrats AIN offrent un refroidissement plus efficace que les substrats céramiques conventionnels et autres, c'est pourquoi ils sont utilisés comme supports de puces et dissipateurs thermiques.
Le nitrure d'aluminium trouve une application commerciale répandue dans les filtres RF pour les appareils de communication mobiles. Une couche de nitrure d'aluminium est située entre deux couches de métal. Les applications courantes dans le secteur commercial incluent les composants d'isolation électrique et de gestion de la chaleur dans les lasers, les puces, les pinces, les isolateurs électriques, les bagues de serrage dans les équipements de traitement des semi-conducteurs et les emballages de dispositifs à micro-ondes.
Autres applications
Du fait du coût de l'AlN, ses applications ont été historiquement limitées aux domaines de l'aéronautique militaire et des transports. Cependant, le matériau a été largement étudié et utilisé dans une variété de domaines. Ses propriétés avantageuses le rendent approprié pour un certain nombre d'applications industrielles importantes.
Les applications industrielles d'AlN comprennent des composites réfractaires pour la manipulation de métaux en fusion agressifs et des systèmes d'échange de chaleur efficaces.
Ce matériau est utilisé pour construire des creusets pour la croissance de cristaux d'arséniure de gallium et est également utilisé dans la production d'acier et de semi-conducteurs.
D'autres utilisations proposées pour le nitrure d'aluminium incluent comme capteur chimique pour les gaz toxiques. L'utilisation de nanotubes AIN pour produire des nanotubes quasi unidimensionnels destinés à être utilisés dans ces dispositifs a fait l'objet de recherches. Au cours des deux dernières décennies, les diodes électroluminescentes qui fonctionnent dans le spectre ultraviolet ont également été étudiées. L'application de l'AIN à couches minces dans les capteurs à ondes acoustiques de surface a été évaluée.
