Нитрид алюминия (AlN) был впервые синтезирован в 1877 году, но его потенциальное применение в микроэлектронике не стимулировало разработку высококачественного коммерчески жизнеспособного материала до середины 1980-х годов.
AIN представляет собой форму нитрата алюминия. Нитрид алюминия отличается от нитрата алюминия тем, что представляет собой соединение азота с определенной степенью окисления -3, а нитрат относится к любому сложному эфиру или соли азотной кислоты. Кристаллическая структура этого материала представляет собой гексагональный вюрцит.
Синтез AIN
AlN получают либо карботермическим восстановлением глинозема, либо прямым азотированием алюминия. Он имеет плотность 3,33 г/см3 и, несмотря на то, что не плавится, диссоциирует при температуре выше 2500 °С и атмосферном давлении. Без помощи образующих жидкость добавок материал ковалентно связан и устойчив к спеканию. Обычно такие оксиды, как Y2O3 или CaO, допускают спекание при температуре от 1600 до 1900 градусов Цельсия.
Детали из нитрида алюминия могут изготавливаться различными способами, включая холодное изостатическое прессование, керамическое литье под давлением, литье под низким давлением, ленточное литье, прецизионную механическую обработку и сухое прессование.
Ключевая особенность
AlN непроницаем для большинства расплавленных металлов, включая алюминий, литий и медь. Он непроницаем для большинства расплавленных солей, включая хлориды и криолит.
Нитрид алюминия обладает высокой теплопроводностью (170 Вт/мк, 200 Вт/мк и 230 Вт/мк), а также высоким объемным сопротивлением и диэлектрической прочностью.
Он подвержен гидролизу в виде порошка при воздействии воды или влажности. Кроме того, кислоты и щелочи разрушают нитрид алюминия.
Этот материал является изолятором для электричества. Легирование увеличивает электропроводность материала. AIN проявляет пьезоэлектрические свойства.
Приложения
Микроэлектроника
Наиболее примечательной характеристикой AlN является его высокая теплопроводность, уступающая только бериллию среди керамических материалов. При температуре ниже 200 градусов Цельсия его теплопроводность превосходит медь. Такое сочетание высокой проводимости, объемного удельного сопротивления и диэлектрической прочности позволяет использовать его в качестве подложек и корпусов для мощных микроэлектронных компонентов высокой плотности. Необходимость рассеивать тепло, выделяемое омическими потерями, и поддерживать компоненты в пределах диапазона их рабочих температур является одним из ограничивающих факторов, определяющих плотность упаковки электронных компонентов. Подложки AlN обеспечивают более эффективное охлаждение, чем обычные и другие керамические подложки, поэтому они используются в качестве держателей чипов и радиаторов.
Нитрид алюминия находит широкое коммерческое применение в радиочастотных фильтрах для мобильных устройств связи. Слой нитрида алюминия расположен между двумя слоями металла. Общие области применения в коммерческом секторе включают компоненты электроизоляции и управления теплом в лазерах, микросхемах, цангах, электрических изоляторах, зажимных кольцах в оборудовании для обработки полупроводников и корпусах микроволновых устройств.
Другие приложения
Из-за дороговизны AlN его применение исторически ограничивалось военной авиацией и транспортом. Тем не менее, материал был широко изучен и использован в различных областях. Его полезные свойства делают его пригодным для ряда важных промышленных применений.
Промышленное применение AlN включает огнеупорные композиты для работы с агрессивными расплавленными металлами и эффективные системы теплообмена.
Этот материал используется для изготовления тиглей для выращивания кристаллов арсенида галлия, а также используется в производстве стали и полупроводников.
Другие предлагаемые варианты использования нитрида алюминия включают химический датчик токсичных газов. Использование нанотрубок AIN для производства квазиодномерных нанотрубок для использования в этих устройствах было предметом исследования. В последние два десятилетия также были исследованы светоизлучающие диоды, работающие в ультрафиолетовом спектре. Проведена оценка применения тонкопленочных АИН в датчиках поверхностных акустических волн.
