Aluminiumnitride (AlN) werd voor het eerst gesynthetiseerd in 1877, maar de mogelijke toepassing ervan in de micro-elektronica leidde pas halverwege de jaren tachtig tot de ontwikkeling van hoogwaardig, commercieel levensvatbaar materiaal.
AIN is een vorm van aluminiumnitraat. Aluminiumnitride verschilt van aluminiumnitraat doordat het een stikstofverbinding is met een specifieke oxidatietoestand van -3, terwijl nitraat verwijst naar elke ester of zout van salpeterzuur. De kristalstructuur van dit materiaal is hexagonaal wurtziet.
Synthese van AIN
AlN wordt geproduceerd door ofwel de carbothermische reductie van aluminiumoxide of de directe nitridatie van aluminium. Het heeft een dichtheid van 3,33 g/cm3 en ondanks dat het niet smelt, dissocieert het bij temperaturen boven 2500 °C en atmosferische druk. Zonder de hulp van vloeistofvormende additieven is het materiaal covalent gebonden en bestand tegen sinteren. Normaal gesproken maken oxiden zoals Y2O3 of CaO sinteren mogelijk bij temperaturen tussen 1600 en 1900 graden Celsius.
Onderdelen gemaakt van aluminiumnitride kunnen op verschillende manieren worden vervaardigd, waaronder koud isostatisch persen, keramisch spuitgieten, spuitgieten onder lage druk, tape-gieten, precisiebewerking en droogpersen.
Belangrijkste kenmerken
AlN is ongevoelig voor de meeste gesmolten metalen, waaronder aluminium, lithium en koper. Het is ongevoelig voor de meeste gesmolten zouten, waaronder chloriden en kryoliet.
Aluminiumnitride heeft een hoge thermische geleidbaarheid (170 W/mk, 200 W/mk en 230 W/mk), evenals een hoge volumeweerstand en diëlektrische sterkte.
Het is gevoelig voor hydrolyse in poedervorm bij blootstelling aan water of vochtigheid. Bovendien tasten zuren en basen aluminiumnitride aan.
Dit materiaal is een isolator voor elektriciteit. Doping verbetert de elektrische geleidbaarheid van een materiaal. AIN geeft piëzo-elektrische eigenschappen weer.
toepassingen
Micro-elektronica
Het meest opmerkelijke kenmerk van AlN is de hoge thermische geleidbaarheid, die op de tweede plaats komt na beryllium onder keramische materialen. Bij temperaturen onder de 200 graden Celsius overtreft de thermische geleidbaarheid die van koper. Deze combinatie van hoge geleidbaarheid, volumeweerstand en diëlektrische sterkte maakt het gebruik ervan mogelijk als substraten en verpakking voor micro-elektronische componentassemblages met hoog vermogen of hoge dichtheid. De noodzaak om door ohmse verliezen gegenereerde warmte af te voeren en de componenten binnen hun bedrijfstemperatuurbereik te houden, is een van de beperkende factoren die de dichtheid van de verpakking van elektronische componenten bepalen. AlN-substraten zorgen voor een effectievere koeling dan conventionele en andere keramische substraten, daarom worden ze gebruikt als chipdragers en koellichamen.
Aluminiumnitride vindt een wijdverbreide commerciële toepassing in RF-filters voor mobiele communicatieapparatuur. Tussen twee lagen metaal zit een laag aluminiumnitride. Veelvoorkomende toepassingen in de commerciële sector zijn onder meer componenten voor elektrische isolatie en warmtebeheersing in lasers, chiplets, spantangen, elektrische isolatoren, klemringen in halfgeleiderverwerkingsapparatuur en verpakkingen voor microgolfapparaten.
Andere applicaties
Vanwege de kosten van AlN zijn de toepassingen ervan historisch gezien beperkt tot de militaire luchtvaart en transport. Het materiaal is echter uitgebreid bestudeerd en gebruikt op verschillende gebieden. Door zijn gunstige eigenschappen is het geschikt voor een aantal belangrijke industriële toepassingen.
De industriële toepassingen van AlN omvatten vuurvaste composieten voor het hanteren van agressieve gesmolten metalen en efficiënte warmtewisselingssystemen.
Dit materiaal wordt gebruikt om smeltkroezen te maken voor de groei van galliumarsenidekristallen en wordt ook gebruikt bij de productie van staal en halfgeleiders.
Andere voorgestelde toepassingen voor aluminiumnitride zijn onder meer als chemische sensor voor giftige gassen. Het gebruik van AIN-nanobuisjes om quasi-eendimensionale nanobuisjes te produceren voor gebruik in deze apparaten is onderwerp van onderzoek geweest. In de afgelopen twee decennia zijn ook lichtgevende diodes onderzocht die in het ultraviolette spectrum werken. De toepassing van dunnefilm-AIN in akoestische oppervlaktegolfsensoren is geëvalueerd.
