O nitreto de alumínio (AlN) foi sintetizado pela primeira vez em 1877, mas sua potencial aplicação em microeletrônica não estimulou o desenvolvimento de material comercialmente viável e de alta qualidade até meados da década de 1980.
AIN é uma forma de nitrato de alumínio. O nitreto de alumínio difere do nitrato de alumínio por ser um composto de nitrogênio com um estado de oxidação específico de -3, enquanto o nitrato se refere a qualquer éster ou sal de ácido nítrico. A estrutura cristalina deste material é wurtzita hexagonal.
Síntese de AIN
O AlN é produzido através da redução carbotérmica da alumina ou da nitretação direta do alumínio. Tem densidade de 3,33 g/cm3 e, apesar de não derreter, dissocia-se em temperaturas acima de 2500°C e pressão atmosférica. Sem a ajuda de aditivos formadores de líquidos, o material é ligado covalentemente e resistente à sinterização. Normalmente, óxidos como Y2O3 ou CaO permitem a sinterização em temperaturas entre 1600 e 1900 graus Celsius.
Peças feitas de nitreto de alumínio podem ser fabricadas através de uma variedade de métodos, incluindo prensagem isostática a frio, moldagem por injeção de cerâmica, moldagem por injeção de baixa pressão, fundição de fita, usinagem de precisão e prensagem a seco.
Características principais
AlN é impermeável à maioria dos metais fundidos, incluindo alumínio, lítio e cobre. É impermeável à maioria dos sais fundidos, incluindo cloretos e criolita.
O nitreto de alumínio possui alta condutividade térmica (170 W/mk, 200 W/mk e 230 W/mk), bem como resistividade de alto volume e rigidez dielétrica.
É suscetível à hidrólise na forma de pó quando exposto à água ou umidade. Além disso, ácidos e álcalis atacam o nitreto de alumínio.
Este material é um isolante de eletricidade. A dopagem aumenta a condutividade elétrica de um material. AIN exibe propriedades piezoelétricas.
Formulários
microeletrônica
A característica mais notável do AlN é sua alta condutividade térmica, que perde apenas para o berílio entre os materiais cerâmicos. Em temperaturas abaixo de 200 graus Celsius, sua condutividade térmica supera a do cobre. Essa combinação de alta condutividade, resistividade de volume e resistência dielétrica permite seu uso como substratos e embalagens para montagens de componentes microeletrônicos de alta potência ou alta densidade. A necessidade de dissipar o calor gerado pelas perdas ôhmicas e manter os componentes dentro de sua faixa de temperatura de operação é um dos fatores limitantes que determinam a densidade de empacotamento dos componentes eletrônicos. Os substratos AlN fornecem resfriamento mais eficaz do que os substratos cerâmicos convencionais e outros, e é por isso que eles são usados como portadores de cavacos e dissipadores de calor.
O nitreto de alumínio encontra ampla aplicação comercial em filtros de RF para dispositivos de comunicação móvel. Uma camada de nitreto de alumínio está localizada entre duas camadas de metal. Aplicações comuns no setor comercial incluem isolamento elétrico e componentes de gerenciamento de calor em lasers, chiplets, pinças, isoladores elétricos, anéis de fixação em equipamentos de processamento de semicondutores e embalagens de dispositivos de micro-ondas.
Outras aplicações
Devido ao custo do AlN, suas aplicações têm sido historicamente limitadas à aeronáutica militar e aos campos de transporte. No entanto, o material tem sido extensivamente estudado e utilizado em uma variedade de campos. Suas propriedades vantajosas o tornam adequado para uma série de aplicações industriais importantes.
As aplicações industriais do AlN incluem compostos refratários para manuseio de metais fundidos agressivos e sistemas eficientes de troca de calor.
Este material é usado para construir cadinhos para o crescimento de cristais de arsenieto de gálio e também é utilizado na produção de aço e semicondutores.
Outros usos propostos para nitreto de alumínio incluem como um sensor químico para gases tóxicos. A utilização de nanotubos AIN para produzir nanotubos quase unidimensionais para uso nesses dispositivos tem sido objeto de pesquisa. Nas últimas duas décadas, diodos emissores de luz que operam no espectro ultravioleta também foram investigados. A aplicação de AIN de película fina em sensores de ondas acústicas de superfície foi avaliada.
