Aluminijev nitrid (AlN) prvi je put sintetiziran 1877., ali njegova potencijalna primjena u mikroelektronici nije potaknula razvoj visokokvalitetnog, komercijalno isplativog materijala sve do sredine 1980-ih.
AIN je oblik aluminijevog nitrata. Aluminijev nitrid razlikuje se od aluminijevog nitrata po tome što je dušikov spoj sa specifičnim oksidacijskim stanjem -3, dok se nitrat odnosi na bilo koji ester ili sol dušične kiseline. Kristalna struktura ovog materijala je heksagonalni wurtzit.
Sinteza AIN-a
AlN se proizvodi ili karbotermalnom redukcijom glinice ili izravnom nitracijom aluminija. Ima gustoću od 3,33 g/cm3 i, unatoč tome što se ne topi, disocira na temperaturama iznad 2500 °C i atmosferskom tlaku. Bez pomoći aditiva za stvaranje tekućine, materijal je kovalentno vezan i otporan na sinteriranje. Tipično, oksidi poput Y2O3 ili CaO dopuštaju sinteriranje na temperaturama između 1600 i 1900 stupnjeva Celzijusa.
Dijelovi izrađeni od aluminijeva nitrida mogu se proizvesti raznim metodama, uključujući hladno izostatičko prešanje, keramičko injekcijsko prešanje, niskotlačno injekcijsko prešanje, lijevanje trake, preciznu strojnu obradu i suho prešanje.
Glavne značajke
AlN je nepropusan za većinu rastaljenih metala, uključujući aluminij, litij i bakar. Nepropusno je za većinu rastaljenih soli, uključujući kloride i kriolit.
Aluminijev nitrid posjeduje visoku toplinsku vodljivost (170 W/mk, 200 W/mk i 230 W/mk) kao i visoku volumnu otpornost i dielektričnu čvrstoću.
Podložan je hidrolizi u obliku praha kada je izložen vodi ili vlazi. Osim toga, kiseline i lužine napadaju aluminijev nitrid.
Ovaj materijal je izolator za električnu energiju. Dopiranje povećava električnu vodljivost materijala. AIN prikazuje piezoelektrična svojstva.
Prijave
Mikroelektronika
Najznačajnija karakteristika AlN je njegova visoka toplinska vodljivost, koja je odmah iza berilija među keramičkim materijalima. Na temperaturama nižim od 200 stupnjeva Celzijusa njegova toplinska vodljivost nadmašuje bakar. Ova kombinacija visoke vodljivosti, volumnog otpora i dielektrične čvrstoće omogućuje njegovu upotrebu kao supstrata i pakiranja za sklopove mikroelektroničkih komponenti velike snage ili velike gustoće. Potreba za odvođenjem topline generirane omskim gubicima i održavanjem komponenti unutar njihova radnog temperaturnog raspona jedan je od ograničavajućih čimbenika koji određuju gustoću pakiranja elektroničkih komponenti. AlN podloge pružaju učinkovitije hlađenje od konvencionalnih i drugih keramičkih podloga, zbog čega se koriste kao nosači čipova i hladnjaka.
Aluminijev nitrid nalazi široku komercijalnu primjenu u RF filtrima za mobilne komunikacijske uređaje. Između dva sloja metala nalazi se sloj aluminijevog nitrida. Uobičajene primjene u komercijalnom sektoru uključuju komponente za električnu izolaciju i upravljanje toplinom u laserima, čipletima, steznim čahurama, električnim izolatorima, steznim prstenovima u opremi za obradu poluvodiča i pakiranju mikrovalnih uređaja.
Ostale aplikacije
Zbog troškova AlN-a, njegove su primjene povijesno bile ograničene na vojnu aeronautiku i transportna polja. Međutim, materijal je opsežno proučavan i korišten u raznim područjima. Njegova povoljna svojstva čine ga prikladnim za brojne važne industrijske primjene.
Industrijske primjene AlN-a uključuju vatrostalne kompozite za rukovanje agresivnim rastaljenim metalima i učinkovite sustave za izmjenu topline.
Ovaj se materijal koristi za izradu lonaca za rast kristala galijevog arsenida, a također se koristi u proizvodnji čelika i poluvodiča.
Druge predložene upotrebe za aluminijev nitrid uključuju kao kemijski senzor za otrovne plinove. Korištenje AIN nanocijevi za proizvodnju kvazi-jednodimenzionalnih nanocijevi za korištenje u ovim uređajima bilo je predmet istraživanja. U posljednja dva desetljeća također su istraživane diode koje emitiraju svjetlost koje rade u ultraljubičastom spektru. Procijenjena je primjena tankoslojnog AIN-a u senzorima površinskih akustičnih valova.
