Azotek glinu (AlN) został po raz pierwszy zsyntetyzowany w 1877 r., ale jego potencjalne zastosowanie w mikroelektronice nie pobudziło rozwoju wysokiej jakości materiału opłacalnego komercyjnie aż do połowy lat 80.
AIN jest formą azotanu glinu. Azotek glinu różni się od azotanu glinu tym, że jest związkiem azotu o określonym stopniu utlenienia -3, podczas gdy azotan odnosi się do dowolnego estru lub soli kwasu azotowego. Struktura krystaliczna tego materiału to sześciokątny wurcyt.
Synteza AIN
AlN jest wytwarzany poprzez karbotermiczną redukcję tlenku glinu lub bezpośrednie azotowanie aluminium. Ma gęstość 3,33 g/cm3 i mimo że nie topi się, dysocjuje w temperaturach powyżej 2500 °C i pod ciśnieniem atmosferycznym. Bez pomocy dodatków płynotwórczych materiał jest związany kowalencyjnie i odporny na spiekanie. Zwykle tlenki, takie jak Y2O3 lub CaO, umożliwiają spiekanie w temperaturach między 1600 a 1900 stopni Celsjusza.
Części wykonane z azotku glinu można wytwarzać różnymi metodami, w tym prasowaniem izostatycznym na zimno, formowaniem wtryskowym ceramiki, formowaniem wtryskowym pod niskim ciśnieniem, odlewaniem taśmowym, obróbką precyzyjną i prasowaniem na sucho.
Kluczowe cechy
AlN jest nieprzepuszczalny dla większości stopionych metali, w tym aluminium, litu i miedzi. Jest nieprzepuszczalny dla większości stopionych soli, w tym chlorków i kriolitu.
Azotek glinu ma wysoką przewodność cieplną (170 W/mk, 200 W/mk i 230 W/mk), a także dużą rezystywność objętościową i wytrzymałość dielektryczną.
Jest podatny na hydrolizę w postaci proszku pod wpływem wody lub wilgoci. Dodatkowo kwasy i zasady atakują azotek glinu.
Ten materiał jest izolatorem elektryczności. Domieszkowanie zwiększa przewodność elektryczną materiału. AIN wyświetla właściwości piezoelektryczne.
Aplikacje
Mikroelektronika
Najbardziej niezwykłą cechą AlN jest jego wysoka przewodność cieplna, która wśród materiałów ceramicznych ustępuje tylko berylowi. W temperaturach poniżej 200 stopni Celsjusza jego przewodność cieplna przewyższa przewodność miedzi. Ta kombinacja wysokiej przewodności, rezystywności skrośnej i wytrzymałości dielektrycznej umożliwia jego stosowanie jako podłoża i opakowania dla zespołów komponentów mikroelektronicznych o dużej mocy lub dużej gęstości. Konieczność odprowadzania ciepła generowanego przez straty rezystancyjne i utrzymywania elementów w zakresie temperatur pracy jest jednym z ograniczających czynników determinujących gęstość upakowania elementów elektronicznych. Podłoża AlN zapewniają skuteczniejsze chłodzenie niż konwencjonalne i inne podłoża ceramiczne, dlatego są stosowane jako nośniki wiórów i radiatory.
Azotek glinu znajduje szerokie zastosowanie komercyjne w filtrach RF do mobilnych urządzeń komunikacyjnych. Warstwa azotku glinu znajduje się pomiędzy dwiema warstwami metalu. Typowe zastosowania w sektorze komercyjnym obejmują elementy izolacji elektrycznej i zarządzania ciepłem w laserach, chipletach, tulejkach zaciskowych, izolatorach elektrycznych, pierścieniach zaciskowych w sprzęcie do przetwarzania półprzewodników oraz opakowaniach urządzeń mikrofalowych.
Inne aplikacje
Ze względu na koszt AlN jego zastosowania były historycznie ograniczone do lotnictwa wojskowego i dziedzin transportu. Jednak materiał ten był szeroko badany i wykorzystywany w różnych dziedzinach. Jego korzystne właściwości sprawiają, że nadaje się do wielu ważnych zastosowań przemysłowych.
Zastosowania przemysłowe AlN obejmują kompozyty ogniotrwałe do obsługi agresywnych stopionych metali i wydajne systemy wymiany ciepła.
Materiał ten jest używany do budowy tygli do wzrostu kryształów arsenku galu, a także jest wykorzystywany do produkcji stali i półprzewodników.
Inne proponowane zastosowania azotku glinu obejmują jako czujnik chemiczny gazów toksycznych. Wykorzystanie nanorurek AIN do produkcji quasi-jednowymiarowych nanorurek do użytku w tych urządzeniach było przedmiotem badań. W ciągu ostatnich dwóch dekad badano również diody elektroluminescencyjne działające w widmie ultrafioletowym. Oceniono zastosowanie cienkowarstwowego AIN w powierzchniowych czujnikach fal akustycznych.
