Az alumínium-nitridet (AlN) először 1877-ben szintetizálták, de a mikroelektronikában való lehetséges alkalmazása csak az 1980-as évek közepéig ösztönözte a kiváló minőségű, kereskedelmileg életképes anyagok kifejlesztését.

Az AIN egy alumínium-nitrát forma. Az alumínium-nitrid abban különbözik az alumínium-nitráttól, hogy egy nitrogénvegyület, amelynek specifikus oxidációs foka -3, míg a nitrát a salétromsav bármely észterére vagy sójára vonatkozik. Ennek az anyagnak a kristályszerkezete hatszögletű wurtzit.

Az AIN szintézise

Az AlN-t vagy az alumínium-oxid karbotermikus redukciójával vagy az alumínium közvetlen nitridálásával állítják elő. Sűrűsége 3,33 g/cm3, és annak ellenére, hogy nem olvad, 2500 °C feletti hőmérsékleten és légköri nyomáson disszociál. Folyadékképző adalékok segítsége nélkül az anyag kovalensen kötődik és ellenáll a szintereléssel szemben. Az oxidok, például az Y2O3 vagy a CaO általában 1600 és 1900 Celsius fok közötti hőmérsékleten teszik lehetővé a szinterezést.

Az alumínium-nitridből készült alkatrészek számos módszerrel előállíthatók, beleértve a hideg izosztatikus sajtolást, a kerámia fröccsöntést, az alacsony nyomású fröccsöntést, a szalagöntést, a precíziós megmunkálást és a száraz sajtolást.

Főbb jellemzők

Az AlN áthatolhatatlan a legtöbb olvadt fémre, beleértve az alumíniumot, a lítiumot és a rezet. Áthatolhatatlan a legtöbb olvadt sóval szemben, beleértve a kloridokat és a kriolitot is.

Az alumínium-nitrid magas hővezető képességgel (170 W/mk, 200 W/mk és 230 W/mk), valamint nagy térfogati ellenállással és dielektromos szilárdsággal rendelkezik.

Víznek vagy nedvességnek kitéve por alakban érzékeny a hidrolízisre. Ezenkívül savak és lúgok támadják meg az alumínium-nitridet.

Ez az anyag az elektromosság szigetelője. A dopping növeli az anyag elektromos vezetőképességét. Az AIN piezoelektromos tulajdonságokat jelenít meg.

Alkalmazások

Mikroelektronika

Az AlN legfigyelemreméltóbb tulajdonsága a magas hővezető képessége, amely a kerámia anyagok között a második a berillium után. 200 Celsius fok alatti hőmérsékleten hővezető képessége meghaladja a rézét. A nagy vezetőképesség, térfogat-ellenállás és dielektromos szilárdság kombinációja lehetővé teszi a nagy teljesítményű vagy nagy sűrűségű mikroelektronikai alkatrész-összeállítások hordozójaként és csomagolásaként való használatát. Az ohmos veszteségekből származó hő elvezetésének és az alkatrészek működési hőmérsékleti tartományon belüli tartásának szükségessége az egyik korlátozó tényező, amely meghatározza az elektronikus alkatrészek csomagolásának sűrűségét. Az AlN hordozók hatékonyabb hűtést biztosítanak, mint a hagyományos és más kerámia hordozók, ezért forgácshordozóként és hűtőbordákként használják őket.

Az alumínium-nitrid széles körben elterjedt a kereskedelmi forgalomban a mobilkommunikációs eszközök RF szűrőiben. Két fémréteg között egy alumínium-nitrid réteg található. A kereskedelmi szektorban általánosan elterjedt alkalmazások közé tartoznak a lézerek elektromos szigetelése és hőkezelési komponensei, chipletek, hüvelyek, elektromos szigetelők, szorítógyűrűk a félvezető-feldolgozó berendezésekben és a mikrohullámú készülékek csomagolása.

Egyéb alkalmazások

Az AlN költsége miatt alkalmazásai történelmileg a katonai repüléstechnikára és a szállítási területekre korlátozódtak. Az anyagot azonban alaposan tanulmányozták és számos területen felhasználták. Előnyös tulajdonságai miatt számos fontos ipari alkalmazásra alkalmas.

Az AlN ipari alkalmazásai közé tartoznak az agresszív olvadt fémek kezelésére szolgáló tűzálló kompozitok és hatékony hőcserélő rendszerek.

Ezt az anyagot gallium-arzenid kristályok növesztésére szolgáló olvasztótégelyek készítésére használják, valamint acél és félvezetők gyártásában is használják.

Az alumínium-nitrid egyéb javasolt felhasználási területei közé tartozik a mérgező gázok kémiai érzékelője. Kutatások tárgyát képezi az AIN nanocsövek felhasználása kvázi egydimenziós nanocsövek előállítására ezekben az eszközökben. Az elmúlt két évtizedben az ultraibolya spektrumban működő fénykibocsátó diódákat is vizsgálták. A vékonyréteg AIN felületi akusztikus hullámérzékelőkben való alkalmazását értékelték.