窒化アルミニウム (AlN) は 1877 年に初めて合成されましたが、1980 年代半ばまで、マイクロエレクトロニクスへの潜在的な用途が高品質で商業的に実行可能な材料の開発に拍車をかけることはありませんでした。

AIN は硝酸アルミニウムの形態です。窒化アルミニウムは、特定の酸化状態が-3の窒素化合物であるという点で硝酸アルミニウムとは異なりますが、硝酸塩は硝酸のエステルまたは塩を指します。この材料の結晶構造は六方晶ウルツ鉱です。

AINの合成

AlN は、アルミナの炭素熱還元またはアルミニウムの直接窒化によって生成されます。密度は 3.33 g/cm3 で、融解はしませんが、2500 °C を超える温度と大気圧で解離します。液体形成添加剤の助けがなければ、材料は共有結合し、焼結に耐性があります。通常、Y2O3 や CaO などの酸化物は、摂氏 1600 ～ 1900 度の温度で焼結できます。

窒化アルミニウム製の部品は、冷間静水圧プレス、セラミック射出成形、低圧射出成形、テープ鋳造、精密機械加工、乾式プレスなど、さまざまな方法で製造できます。

主な機能

AlN は、アルミニウム、リチウム、銅などのほとんどの溶融金属に対して不浸透性です。塩化物や氷晶石を含む大部分の溶融塩を透過しません。

窒化アルミニウムは、高い熱伝導率 (170 W/mk、200 W/mk、および 230 W/mk) と、高い体積抵抗率および絶縁耐力を備えています。

水や湿気にさらされると、粉末状で加水分解を受けやすくなります。さらに、酸とアルカリは窒化アルミニウムを攻撃します。

この材料は電気の絶縁体です。ドーピングは、材料の電気伝導率を高めます。 AIN は圧電特性を示します。

アプリケーション

マイクロエレクトロニクス

AlNの最大の特徴はセラミックス材料ではベリリウムに次ぐ高い熱伝導率です。摂氏 200 度以下の温度では、その熱伝導率は銅の熱伝導率を上回ります。この高い導電性、体積抵抗率、および絶縁耐力の組み合わせにより、高出力または高密度のマイクロエレクトロニクス コンポーネント アセンブリの基板およびパッケージングとしての使用が可能になります。オーム損失によって発生した熱を放散し、コンポーネントを動作温度範囲内に維持する必要性は、電子コンポーネントの実装密度を決定する制限要因の 1 つです。 AlN 基板は、従来のセラミック基板や他のセラミック基板より効果的な冷却を提供するため、チップ キャリアやヒートシンクとして使用されます。

窒化アルミニウムは、モバイル通信デバイスの RF フィルターとして広く商業的に利用されています。窒化アルミニウムの層は、金属の 2 つの層の間に配置されます。商業部門での一般的な用途には、レーザー、チップレット、コレット、電気絶縁体、半導体処理装置のクランプ リング、およびマイクロ波デバイス パッケージの電気絶縁および熱管理コンポーネントが含まれます。

その他のアプリケーション

AlN は費用がかかるため、その用途は歴史的に軍事航空および輸送分野に限定されていました。しかし、この材料は広く研究され、さまざまな分野で利用されています。その有利な特性により、多くの重要な産業用途に適しています。

AlN の産業用途には、攻撃的な溶融金属を処理するための耐火複合材や効率的な熱交換システムが含まれます。

この材料は、ガリウム砒素結晶の成長用るつぼを構成するために使用され、鉄鋼および半導体の製造にも利用されます。

窒化アルミニウムの他の提案された用途には、有毒ガスの化学センサーとしての使用が含まれます。 ＡｌＮナノチューブを利用して、これらのデバイスで使用するための準一次元ナノチューブを生成することが研究の対象となっている。過去 20 年間、紫外スペクトルで動作する発光ダイオードも研究されてきました。表面弾性波センサーにおける薄膜 AIN の応用が評価されています。