Il nitruro di alluminio (AlN) è stato sintetizzato per la prima volta nel 1877, ma la sua potenziale applicazione nella microelettronica non ha stimolato lo sviluppo di materiale commercialmente valido di alta qualità fino alla metà degli anni '80.
AIN è una forma di nitrato di alluminio. Il nitruro di alluminio differisce dal nitrato di alluminio in quanto è un composto azotato con uno stato di ossidazione specifico di -3, mentre il nitrato si riferisce a qualsiasi estere o sale dell'acido nitrico. La struttura cristallina di questo materiale è la wurtzite esagonale.
Sintesi di AIN
AlN è prodotto attraverso la riduzione carbotmica dell'allumina o la nitrurazione diretta dell'alluminio. Ha una densità di 3,33 g/cm3 e, nonostante non si sciolga, si dissocia a temperature superiori a 2500 °C e pressione atmosferica. Senza l'ausilio di additivi che formano liquidi, il materiale è legato in modo covalente e resistente alla sinterizzazione. Tipicamente, ossidi come Y2O3 o CaO consentono la sinterizzazione a temperature comprese tra 1600 e 1900 gradi Celsius.
Le parti in nitruro di alluminio possono essere prodotte con una varietà di metodi, tra cui la pressatura isostatica a freddo, lo stampaggio a iniezione di ceramica, lo stampaggio a iniezione a bassa pressione, la colata su nastro, la lavorazione meccanica di precisione e la pressatura a secco.
Caratteristiche principali
AlN è impermeabile alla maggior parte dei metalli fusi, inclusi alluminio, litio e rame. È impermeabile alla maggior parte dei sali fusi, inclusi cloruri e criolite.
Il nitruro di alluminio possiede un'elevata conduttività termica (170 W/mk, 200 W/mk e 230 W/mk), nonché un'elevata resistività di volume e rigidità dielettrica.
È suscettibile all'idrolisi sotto forma di polvere se esposto all'acqua o all'umidità. Inoltre, gli acidi e gli alcali attaccano il nitruro di alluminio.
Questo materiale è un isolante per l'elettricità. Il drogaggio migliora la conduttività elettrica di un materiale. AIN mostra le proprietà piezoelettriche.
Applicazioni
Microelettronica
La caratteristica più notevole dell'AlN è la sua elevata conduttività termica, seconda solo al berillio tra i materiali ceramici. A temperature inferiori a 200 gradi Celsius, la sua conduttività termica supera quella del rame. Questa combinazione di elevata conducibilità, resistività di volume e rigidità dielettrica ne consente l'uso come substrati e imballaggi per assemblaggi di componenti microelettronici ad alta potenza o densità. La necessità di dissipare il calore generato dalle perdite ohmiche e di mantenere i componenti entro il loro range di temperatura di esercizio è uno dei fattori limitanti che determinano la densità di impaccamento dei componenti elettronici. I substrati AlN forniscono un raffreddamento più efficace rispetto ai substrati ceramici convenzionali e di altro tipo, motivo per cui vengono utilizzati come supporti per chip e dissipatori di calore.
Il nitruro di alluminio trova un'ampia applicazione commerciale nei filtri RF per dispositivi di comunicazione mobile. Uno strato di nitruro di alluminio si trova tra due strati di metallo. Le applicazioni comuni nel settore commerciale includono l'isolamento elettrico e i componenti di gestione del calore in laser, chiplet, pinze, isolanti elettrici, anelli di serraggio in apparecchiature per la lavorazione dei semiconduttori e imballaggi per dispositivi a microonde.
Altre Applicazioni
A causa del costo dell'AlN, le sue applicazioni sono state storicamente limitate ai settori dell'aeronautica militare e dei trasporti. Tuttavia, il materiale è stato ampiamente studiato e utilizzato in una varietà di campi. Le sue proprietà vantaggiose lo rendono adatto a numerose importanti applicazioni industriali.
Le applicazioni industriali di AlN includono compositi refrattari per la manipolazione di metalli fusi aggressivi e sistemi di scambio termico efficienti.
Questo materiale viene utilizzato per costruire crogioli per la crescita di cristalli di arseniuro di gallio ed è utilizzato anche nella produzione di acciaio e semiconduttori.
Altri usi proposti per il nitruro di alluminio includono come sensore chimico per gas tossici. L'utilizzo di nanotubi AIN per produrre nanotubi quasi unidimensionali da utilizzare in questi dispositivi è stato oggetto di ricerca. Negli ultimi due decenni sono stati studiati anche i diodi emettitori di luce che operano nello spettro ultravioletto. È stata valutata l'applicazione dell'AIN a film sottile nei sensori di onde acustiche di superficie.
