Aluminijev nitrid (AlN) je bil prvič sintetiziran leta 1877, vendar njegova potencialna uporaba v mikroelektroniki ni spodbudila razvoja visokokakovostnega, komercialno uspešnega materiala vse do sredine 1980-ih.
AIN je oblika aluminijevega nitrata. Aluminijev nitrid se od aluminijevega nitrata razlikuje po tem, da je dušikova spojina s specifičnim oksidacijskim stanjem -3, medtem ko se nitrat nanaša na kateri koli ester ali sol dušikove kisline. Kristalna struktura tega materiala je heksagonalni wurtzit.
Sinteza AIN
AlN se proizvaja bodisi s karbotermalno redukcijo aluminijevega oksida bodisi z neposrednim nitriranjem aluminija. Ima gostoto 3,33 g/cm3 in kljub temu, da se ne tali, disociira pri temperaturah nad 2500 °C in atmosferskem tlaku. Brez pomoči dodatkov za tvorbo tekočine je material kovalentno vezan in odporen proti sintranju. Običajno oksidi, kot sta Y2O3 ali CaO, omogočajo sintranje pri temperaturah med 1600 in 1900 stopinjami Celzija.
Deli iz aluminijevega nitrida se lahko proizvajajo z različnimi metodami, vključno s hladnim izostatičnim stiskanjem, brizganjem keramike, brizganjem pod nizkim tlakom, litjem s trakom, natančno obdelavo in suhim stiskanjem.
Ključne funkcije
AlN je neprepusten za večino staljenih kovin, vključno z aluminijem, litijem in bakrom. Je neprepustna za večino staljenih soli, vključno s kloridi in kriolitom.
Aluminijev nitrid ima visoko toplotno prevodnost (170 W/mk, 200 W/mk in 230 W/mk) ter visoko prostorninsko upornost in dielektrično trdnost.
V obliki prahu je dovzeten za hidrolizacijo, če je izpostavljen vodi ali vlagi. Poleg tega kisline in alkalije napadajo aluminijev nitrid.
Ta material je izolator za elektriko. Dopiranje poveča električno prevodnost materiala. AIN prikazuje piezoelektrične lastnosti.
Aplikacije
Mikroelektronika
Najbolj izjemna lastnost AlN je njegova visoka toplotna prevodnost, ki je med keramičnimi materiali takoj za berilijem. Pri temperaturah pod 200 stopinj Celzija njegova toplotna prevodnost presega baker. Ta kombinacija visoke prevodnosti, volumske upornosti in dielektrične trdnosti omogoča njegovo uporabo kot substrate in embalažo za sestave mikroelektronskih komponent visoke moči ali visoke gostote. Potreba po odvajanju toplote, ki nastane zaradi ohmskih izgub, in vzdrževanju komponent znotraj njihovega delovnega temperaturnega območja je eden od omejevalnih dejavnikov, ki določajo gostoto pakiranja elektronskih komponent. AlN substrati zagotavljajo učinkovitejše hlajenje kot običajni in drugi keramični substrati, zato se uporabljajo kot nosilci čipov in hladilniki.
Aluminijev nitrid najde široko komercialno uporabo v RF filtrih za mobilne komunikacijske naprave. Plast aluminijevega nitrida se nahaja med dvema slojema kovine. Običajne aplikacije v komercialnem sektorju vključujejo komponente za električno izolacijo in upravljanje toplote v laserjih, čipletih, vpenjalnih kleščah, električnih izolatorjih, objemkah v opremi za obdelavo polprevodnikov in embalaži mikrovalovnih naprav.
Druge aplikacije
Zaradi stroškov AlN so bile njegove aplikacije zgodovinsko omejene na vojaško aeronavtiko in transportna področja. Vendar pa je bil material obširno raziskan in uporabljen na različnih področjih. Zaradi njegovih ugodnih lastnosti je primeren za številne pomembne industrijske aplikacije.
Industrijske aplikacije AlN vključujejo ognjevarne kompozite za ravnanje z agresivnimi staljenimi kovinami in učinkovite sisteme za izmenjavo toplote.
Ta material se uporablja za izdelavo lončkov za rast kristalov galijevega arzenida in se uporablja tudi pri proizvodnji jekla in polprevodnikov.
Druge predlagane uporabe aluminijevega nitrida vključujejo kot kemični senzor za strupene pline. Uporaba nanocevk AIN za proizvodnjo kvazienodimenzionalnih nanocevk za uporabo v teh napravah je bila predmet raziskav. V zadnjih dveh desetletjih so raziskovali tudi svetleče diode, ki delujejo v ultravijoličnem spektru. Ocenjena je bila uporaba tankoslojnega AIN v senzorjih površinskih akustičnih valov.
