Aluminiumnitrid (AlN) syntetiserades första gången 1877, men dess potentiella tillämpning inom mikroelektronik stimulerade inte utvecklingen av högkvalitativt, kommersiellt gångbart material förrän i mitten av 1980-talet.
AIN är en aluminiumnitratform. Aluminiumnitrid skiljer sig från aluminiumnitrat genom att det är en kväveförening med ett specifikt oxidationstillstånd på -3, medan nitrat avser alla ester eller salt av salpetersyra. Detta materials kristallstruktur är hexagonal wurtzite.
Syntes av AIN
AlN produceras antingen genom karbotermisk reduktion av aluminiumoxid eller direkt nitridering av aluminium. Den har en densitet på 3,33 g/cm3 och, trots att den inte smälter, dissocierar den vid temperaturer över 2500 °C och atmosfärstryck. Utan hjälp av vätskebildande tillsatser är materialet kovalent bundet och resistent mot sintring. Typiskt tillåter oxider som Y2O3 eller CaO sintring vid temperaturer mellan 1600 och 1900 grader Celsius.
Delar gjorda av aluminiumnitrid kan tillverkas med en mängd olika metoder, inklusive kall isostatisk pressning, keramisk formsprutning, lågtrycksformsprutning, tejpgjutning, precisionsbearbetning och torrpressning.
Nyckelfunktioner
AlN är ogenomtränglig för de flesta smälta metaller, inklusive aluminium, litium och koppar. Det är ogenomträngligt för majoriteten av smälta salter, inklusive klorider och kryolit.
Aluminiumnitrid har hög värmeledningsförmåga (170 W/mk, 200 W/mk och 230 W/mk) samt hög volymresistivitet och dielektrisk hållfasthet.
Det är känsligt för hydrolys i pulverform när det utsätts för vatten eller fukt. Dessutom angriper syror och alkalier aluminiumnitrid.
Detta material är en isolator för el. Doping förbättrar den elektriska ledningsförmågan hos ett material. AIN visar piezoelektriska egenskaper.
Ansökningar
Mikroelektronik
Den mest anmärkningsvärda egenskapen hos AlN är dess höga värmeledningsförmåga, som är näst efter beryllium bland keramiska material. Vid temperaturer under 200 grader Celsius överträffar dess värmeledningsförmåga koppars. Denna kombination av hög konduktivitet, volymresistivitet och dielektrisk hållfasthet möjliggör dess användning som substrat och förpackning för mikroelektroniska komponenter med hög effekt eller hög densitet. Behovet av att avleda värme som genereras av ohmska förluster och hålla komponenterna inom deras driftstemperaturområde är en av de begränsande faktorerna som bestämmer tätheten av packning av elektroniska komponenter. AlN-substrat ger effektivare kylning än konventionella och andra keramiska substrat, varför de används som spånbärare och kylflänsar.
Aluminiumnitrid finner en utbredd kommersiell tillämpning i RF-filter för mobila kommunikationsenheter. Ett lager av aluminiumnitrid ligger mellan två lager av metall. Vanliga applikationer inom den kommersiella sektorn inkluderar elektrisk isolering och värmehanteringskomponenter i lasrar, chiplets, spännhylsor, elektriska isolatorer, klämringar i halvledarbearbetningsutrustning och mikrovågsenhetsförpackningar.
Andra applikationer
På grund av AlNs kostnader har dess tillämpningar historiskt sett varit begränsade till militära flyg- och transportområden. Materialet har dock studerats och använts i stor omfattning inom en mängd olika områden. Dess fördelaktiga egenskaper gör den lämplig för ett antal viktiga industriella tillämpningar.
AlNs industriella tillämpningar inkluderar eldfasta kompositer för hantering av aggressiva smälta metaller och effektiva värmeväxlingssystem.
Detta material används för att konstruera deglar för tillväxt av galliumarsenidkristaller och används även vid tillverkning av stål och halvledare.
Andra föreslagna användningsområden för aluminiumnitrid inkluderar som en kemisk sensor för giftiga gaser. Att använda AIN-nanorör för att producera kvasi-endimensionella nanorör för användning i dessa enheter har varit föremål för forskning. Under de senaste två decennierna har lysdioder som verkar i det ultravioletta spektrumet också undersökts. Tillämpningen av tunnfilms-AIN i akustiska ytvågssensorer har utvärderats.
