O nitruro de aluminio (AlN) sintetizouse por primeira vez en 1877, pero a súa potencial aplicación na microelectrónica non estimulou o desenvolvemento de material comercialmente viable de alta calidade ata mediados dos anos 80.
AIN é unha forma de nitrato de aluminio. O nitruro de aluminio difire do nitrato de aluminio en que é un composto de nitróxeno cun estado de oxidación específico de -3, mentres que o nitrato refírese a calquera éster ou sal do ácido nítrico. A estrutura cristalina deste material é wurtzita hexagonal.
Síntese de AIN
O AlN prodúcese mediante a redución carbotérmica da alúmina ou a nitruración directa do aluminio. Ten unha densidade de 3,33 g/cm3 e, a pesar de non derreterse, disociase a temperaturas superiores a 2500 °C e á presión atmosférica. Sen a axuda de aditivos formadores de líquidos, o material está unido covalentemente e é resistente á sinterización. Normalmente, óxidos como Y2O3 ou CaO permiten a sinterización a temperaturas entre 1600 e 1900 graos centígrados.
As pezas feitas de nitruro de aluminio pódense fabricar mediante unha variedade de métodos, incluíndo prensado isostático en frío, moldaxe por inxección de cerámica, moldaxe por inxección a baixa presión, fundición de cinta, mecanizado de precisión e prensado en seco.
Características clave
O AlN é impermeable á maioría dos metais fundidos, incluído o aluminio, o litio e o cobre. É impermeable á maioría dos sales fundidos, incluídos os cloruros e a criolita.
O nitruro de aluminio posúe unha alta condutividade térmica (170 W/mk, 200 W/mk e 230 W/mk) así como unha alta resistividade de volume e forza dieléctrica.
É susceptible á hidrólise en forma de po cando se expón á auga ou á humidade. Ademais, os ácidos e os álcalis atacan o nitruro de aluminio.
Este material é un illante da electricidade. A dopaxe mellora a condutividade eléctrica dun material. AIN mostra propiedades piezoeléctricas.
Aplicacións
Microelectrónica
A característica máis notable do AlN é a súa alta condutividade térmica, que é a segunda só despois do berilio entre os materiais cerámicos. A temperaturas inferiores aos 200 graos centígrados, a súa condutividade térmica supera a do cobre. Esta combinación de alta condutividade, resistividade de volume e forza dieléctrica permite o seu uso como substratos e envases para conxuntos de compoñentes microelectrónicos de alta potencia ou de alta densidade. A necesidade de disipar a calor xerada polas perdas óhmicas e manter os compoñentes dentro do seu rango de temperatura de funcionamento é un dos factores limitantes que determinan a densidade de embalaxe dos compoñentes electrónicos. Os substratos de AlN proporcionan un arrefriamento máis eficaz que os substratos cerámicos convencionais e outros, polo que úsanse como portadores de chips e disipadores de calor.
O nitruro de aluminio atopa unha ampla aplicación comercial nos filtros de RF para dispositivos de comunicación móbil. Unha capa de nitruro de aluminio está situada entre dúas capas de metal. As aplicacións comúns no sector comercial inclúen compoñentes de illamento eléctrico e de xestión de calor en láseres, chiplets, pinzas, illantes eléctricos, aneis de suxeición en equipos de procesamento de semicondutores e envases de dispositivos de microondas.
Outras aplicacións
Debido ao gasto de AlN, as súas aplicacións limitáronse historicamente aos campos da aeronáutica militar e do transporte. Non obstante, o material foi moi estudado e utilizado nunha variedade de campos. As súas vantaxes propiedades fan que sexa apto para unha serie de importantes aplicacións industriais.
As aplicacións industriais de AlN inclúen compostos refractarios para manexar metais fundidos agresivos e sistemas eficientes de intercambio de calor.
Este material úsase para construír crisols para o crecemento de cristais de arseniuro de galio e tamén se utiliza na produción de aceiro e semicondutores.
Outros usos propostos para o nitruro de aluminio inclúen como sensor químico de gases tóxicos. A utilización de nanotubos AIN para producir nanotubos case unidimensionales para o seu uso nestes dispositivos foi obxecto de investigación. Nas últimas dúas décadas tamén se investigaron os díodos emisores de luz que operan no espectro ultravioleta. Valorouse a aplicación de AIN de película fina en sensores de ondas acústicas de superficie.
