Nitrura de aluminiu (AlN) a fost sintetizată pentru prima dată în 1877, dar aplicarea sa potențială în microelectronică nu a stimulat dezvoltarea de materiale de înaltă calitate, viabile comercial până la mijlocul anilor 1980.
AIN este o formă de nitrat de aluminiu. Nitrura de aluminiu diferă de azotatul de aluminiu prin faptul că este un compus de azot cu o stare de oxidare specifică de -3, în timp ce azotatul se referă la orice ester sau sare a acidului azotic. Structura cristalină a acestui material este wurtzită hexagonală.
Sinteza AIN
AlN este produs fie prin reducerea carbotermală a aluminei, fie prin nitrurarea directă a aluminiului. Are o densitate de 3,33 g/cm3 și, în ciuda faptului că nu se topește, se disociază la temperaturi peste 2500 °C și presiunea atmosferică. Fără asistența aditivilor care formează lichid, materialul este lipit covalent și rezistent la sinterizare. De obicei, oxizii precum Y2O3 sau CaO permit sinterizarea la temperaturi cuprinse între 1600 și 1900 de grade Celsius.
Piesele din nitrură de aluminiu pot fi fabricate printr-o varietate de metode, inclusiv presare izostatică la rece, turnare prin injecție ceramică, turnare prin injecție la presiune joasă, turnare cu bandă, prelucrare de precizie și presare uscată.
Caracteristici cheie
AlN este impermeabil la majoritatea metalelor topite, inclusiv aluminiu, litiu și cupru. Este impermeabil la majoritatea sărurilor topite, inclusiv clorurile și criolitul.
Nitrura de aluminiu are o conductivitate termică ridicată (170 W/mk, 200 W/mk și 230 W/mk), precum și o rezistivitate de volum mare și rezistență dielectrică.
Este susceptibil la hidroliză sub formă de pulbere atunci când este expus la apă sau umiditate. În plus, acizii și alcaliile atacă nitrura de aluminiu.
Acest material este un izolator pentru electricitate. Dopajul îmbunătățește conductivitatea electrică a unui material. AIN afișează proprietăți piezoelectrice.
Aplicații
Microelectronica
Cea mai remarcabilă caracteristică a AlN este conductivitatea sa termică ridicată, care este a doua după beriliu printre materialele ceramice. La temperaturi sub 200 de grade Celsius, conductivitatea sa termică o depășește pe cea a cuprului. Această combinație de conductivitate ridicată, rezistivitate de volum și rezistență dielectrică permite utilizarea sa ca substraturi și ambalaje pentru ansambluri de componente microelectronice de mare putere sau de înaltă densitate. Necesitatea de a disipa căldura generată de pierderile ohmice și de a menține componentele în intervalul lor de temperatură de funcționare este unul dintre factorii limitatori care determină densitatea de ambalare a componentelor electronice. Substraturile AlN asigură o răcire mai eficientă decât substraturile convenționale și alte ceramice, motiv pentru care sunt folosite ca purtători de cip și radiatoare.
Nitrura de aluminiu își găsește o aplicație comercială pe scară largă în filtrele RF pentru dispozitivele de comunicații mobile. Un strat de nitrură de aluminiu este situat între două straturi de metal. Aplicațiile obișnuite în sectorul comercial includ izolarea electrică și componentele de gestionare a căldurii în lasere, chiplet-uri, colțuri, izolatori electrici, inele de cleme în echipamentele de procesare a semiconductoarelor și ambalarea dispozitivelor cu microunde.
Alte aplicații
Datorită cheltuielilor cu AlN, aplicațiile sale s-au limitat în mod istoric la domeniile aeronauticii militare și transporturilor. Cu toate acestea, materialul a fost studiat pe larg și utilizat într-o varietate de domenii. Proprietățile sale avantajoase îl fac potrivit pentru o serie de aplicații industriale importante.
Aplicațiile industriale ale AlN includ compozite refractare pentru manipularea metalelor topite agresive și sisteme eficiente de schimb de căldură.
Acest material este folosit pentru a construi creuzete pentru creșterea cristalelor de arseniură de galiu și este, de asemenea, utilizat în producția de oțel și semiconductori.
Alte utilizări propuse pentru nitrura de aluminiu includ ca senzor chimic pentru gaze toxice. Utilizarea nanotuburilor AIN pentru a produce nanotuburi cvasi-unidimensionale pentru utilizarea în aceste dispozitive a făcut obiectul cercetării. În ultimele două decenii, au fost investigate și diodele emițătoare de lumină care funcționează în spectrul ultraviolet. A fost evaluată aplicarea AIN cu peliculă subțire în senzorii de unde acustice de suprafață.
