אלומיניום ניטריד (AlN) סונתז לראשונה בשנת 1877, אך היישום הפוטנציאלי שלו במיקרו-אלקטרוניקה לא דחף את הפיתוח של חומר איכותי ובעל קיימא מסחרית עד אמצע שנות ה-80.
AIN הוא צורת חנקתי אלומיניום. אלומיניום ניטריד שונה מחנקת אלומיניום בכך שהוא תרכובת חנקן עם מצב חמצון ספציפי של -3, בעוד שניטראט מתייחס לכל אסטר או מלח של חומצה חנקתית. מבנה הקריסטל של חומר זה הוא וורציט משושה.
סינתזה של AIN
AlN מיוצר באמצעות הפחתת פחמימות פחמימות של אלומינה או ניטרציה ישירה של אלומיניום. יש לו צפיפות של 3.33 גרם/סמ"ק, ולמרות שאינו נמס, הוא מתנתק בטמפרטורות מעל 2500 °C ובלחץ אטמוספרי. ללא סיוע של תוספים יוצרי נוזל, החומר נקשר קוולנטית ועמיד בפני סינטר. בדרך כלל, תחמוצות כגון Y2O3 או CaO מאפשרות סינטר בטמפרטורות שבין 1600 ל-1900 מעלות צלזיוס.
ניתן לייצר חלקים העשויים מאלומיניום ניטריד במגוון שיטות, כולל כבישה איזוסטטית קרה, הזרקה קרמית, הזרקה בלחץ נמוך, יציקת סרט, עיבוד שבבי מדויק וכבישה יבשה.
תכונות עיקריות
AlN אטום לרוב המתכות המותכות, כולל אלומיניום, ליתיום ונחושת. הוא אטום לרוב המלחים המותכים, כולל כלורידים וקריוליט.
אלומיניום ניטריד בעל מוליכות תרמית גבוהה (170 W/mk, 200 W/mk, ו-230 W/mk) כמו גם התנגדות נפח גבוהה וחוזק דיאלקטרי.
הוא רגיש להידרוליזה בצורת אבקה כאשר הוא נחשף למים או ללחות. בנוסף, חומצות ואלקליות תוקפות ניטריד אלומיניום.
חומר זה הוא מבודד לחשמל. סימום משפר את המוליכות החשמלית של חומר. AIN מציג מאפיינים פיזואלקטריים.
יישומים
מיקרואלקטרוניקה
המאפיין המדהים ביותר של AlN הוא המוליכות התרמית הגבוהה שלו, שהיא שנייה רק לבריליום מבין חומרים קרמיים. בטמפרטורות מתחת ל-200 מעלות צלזיוס, המוליכות התרמית שלו עולה על זו של הנחושת. שילוב זה של מוליכות גבוהה, התנגדות נפח וחוזק דיאלקטרי מאפשר שימוש בו כמצעים ואריזה עבור מכלולי רכיבים מיקרואלקטרוניים בעלי הספק גבוה או בצפיפות גבוהה. הצורך לפזר חום שנוצר על ידי הפסדים אוהםים ולשמור על הרכיבים בטווח טמפרטורת הפעולה שלהם הוא אחד הגורמים המגבילים שקובעים את צפיפות האריזה של רכיבים אלקטרוניים. מצעי AlN מספקים קירור יעיל יותר מאשר מצעים קרמיים קונבנציונליים ואחרים, וזו הסיבה שהם משמשים כמנשאי שבבים וגוף קירור.
אלומיניום ניטריד מוצא יישום מסחרי נרחב במסנני RF עבור התקני תקשורת ניידים. שכבת אלומיניום ניטריד ממוקמת בין שתי שכבות של מתכת. יישומים נפוצים במגזר המסחרי כוללים בידוד חשמלי ורכיבי ניהול חום בלייזרים, צ'יפלטים, קולטים, מבודדים חשמליים, טבעות מהדק בציוד לעיבוד מוליכים למחצה ואריזות מכשירי מיקרוגל.
אפליקציות אחרות
בשל ההוצאות של AlN, היישומים שלה הוגבלו באופן היסטורי לתחומי האווירונאוטיקה והתחבורה הצבאיים. עם זאת, החומר נחקר ונעשה בו שימוש נרחב במגוון תחומים. התכונות המועילות שלו הופכות אותו למתאים למספר יישומים תעשייתיים חשובים.
היישומים התעשייתיים של AlN כוללים חומרים מרוכבים עקשן לטיפול במתכות מותכות אגרסיביות ומערכות חילופי חום יעילות.
חומר זה משמש לבניית כור היתוך לצמיחת גבישי גליום ארסניד ומשמש גם לייצור פלדה ומוליכים למחצה.
שימושים אחרים המוצעים עבור ניטריד אלומיניום כוללים כחיישן כימי לגזים רעילים. ניצול ננו-צינורות AIN לייצור ננו-צינורות מעין חד-ממדיים לשימוש במכשירים אלה היה נושא למחקר. בשני העשורים האחרונים נחקרו גם דיודות פולטות אור הפועלות בספקטרום האולטרה סגול. היישום של AIN סרט דק בחיישני גל אקוסטיים על פני השטח הוערך.
