Nitrid hliníka (AlN) bol prvýkrát syntetizovaný v roku 1877, ale jeho potenciálne uplatnenie v mikroelektronike nepodporilo vývoj vysokokvalitného, komerčne životaschopného materiálu až do polovice 80. rokov 20. storočia.
AIN je forma dusičnanu hlinitého. Nitrid hlinitý sa líši od dusičnanu hlinitého v tom, že ide o zlúčeninu dusíka so špecifickým oxidačným stavom -3, zatiaľ čo dusičnan sa vzťahuje na akýkoľvek ester alebo soľ kyseliny dusičnej. Kryštálovou štruktúrou tohto materiálu je hexagonálny wurtzit.
Syntéza AIN
AlN sa vyrába buď karbotermickou redukciou oxidu hlinitého alebo priamou nitridáciou hliníka. Má hustotu 3,33 g/cm3 a napriek tomu, že sa neroztopí, disociuje pri teplotách nad 2500 °C a atmosférickom tlaku. Bez pomoci kvapalinotvorných prísad je materiál kovalentne viazaný a odolný voči spekaniu. Typicky oxidy ako Y203 alebo CaO umožňujú spekanie pri teplotách medzi 1600 a 1900 stupňami Celzia.
Časti vyrobené z nitridu hliníka možno vyrábať rôznymi spôsobmi, vrátane izostatického lisovania za studena, keramického vstrekovania, nízkotlakového vstrekovania, odlievania pásky, presného obrábania a lisovania za sucha.
Kľúčové vlastnosti
AlN je nepriepustný pre väčšinu roztavených kovov, vrátane hliníka, lítia a medi. Je nepriepustný pre väčšinu roztavených solí vrátane chloridov a kryolitu.
Nitrid hliníka má vysokú tepelnú vodivosť (170 W/mk, 200 W/mk a 230 W/mk), ako aj vysoký objemový odpor a dielektrickú pevnosť.
Je náchylný na hydrolýzu vo forme prášku, keď je vystavený vode alebo vlhkosti. Okrem toho kyseliny a zásady napádajú nitrid hliníka.
Tento materiál je izolátorom elektriny. Doping zvyšuje elektrickú vodivosť materiálu. AIN zobrazuje piezoelektrické vlastnosti.
Aplikácie
Mikroelektronika
Najpozoruhodnejšou vlastnosťou AlN je jeho vysoká tepelná vodivosť, ktorá je po berýliu na druhom mieste medzi keramickými materiálmi. Pri teplotách pod 200 stupňov Celzia svojou tepelnou vodivosťou prevyšuje meď. Táto kombinácia vysokej vodivosti, objemového odporu a dielektrickej pevnosti umožňuje jeho použitie ako substrátov a obalov pre vysokovýkonné alebo vysokohustotné zostavy mikroelektronických komponentov. Potreba odvádzať teplo generované ohmickými stratami a udržiavať komponenty v rozsahu ich prevádzkových teplôt je jedným z limitujúcich faktorov, ktoré určujú hustotu balenia elektronických komponentov. AlN substráty poskytujú efektívnejšie chladenie ako bežné a iné keramické substráty, a preto sa používajú ako nosiče čipov a chladiče.
Nitrid hliníka nachádza široké komerčné uplatnenie v RF filtroch pre mobilné komunikačné zariadenia. Vrstva nitridu hliníka sa nachádza medzi dvoma vrstvami kovu. Bežné aplikácie v komerčnom sektore zahŕňajú elektrickú izoláciu a komponenty tepelného manažmentu v laseroch, čipy, klieštiny, elektrické izolátory, svorkové krúžky v zariadeniach na spracovanie polovodičov a obaly mikrovlnných zariadení.
Iné aplikácie
Kvôli nákladom na AlN boli jeho aplikácie historicky obmedzené na oblasť vojenského letectva a dopravy. Materiál bol však dôkladne študovaný a využívaný v rôznych oblastiach. Jeho výhodné vlastnosti ho predurčujú pre množstvo dôležitých priemyselných aplikácií.
Priemyselné aplikácie AlN zahŕňajú žiaruvzdorné kompozity na manipuláciu s agresívnymi roztavenými kovmi a efektívne systémy výmeny tepla.
Tento materiál sa používa na konštrukciu téglikov na rast kryštálov arzenidu gália a využíva sa aj pri výrobe ocele a polovodičov.
Ďalšie navrhované použitia nitridu hliníka zahŕňajú ako chemický senzor pre toxické plyny. Využitie nanorúriek AIN na výrobu kvázi jednorozmerných nanorúriek na použitie v týchto zariadeniach bolo predmetom výskumu. V posledných dvoch desaťročiach sa skúmali aj diódy vyžarujúce svetlo, ktoré pracujú v ultrafialovom spektre. Bola hodnotená aplikácia tenkovrstvového AIN v povrchových snímačoch akustických vĺn.
