อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) ถูกสังเคราะห์ขึ้นเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2420 แต่การประยุกต์ใช้ที่มีศักยภาพในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ไม่ได้กระตุ้นการพัฒนาวัสดุคุณภาพสูงและมีศักยภาพในเชิงพาณิชย์จนกระทั่งกลางทศวรรษที่ 1980

AIN เป็นรูปแบบอะลูมิเนียมไนเตรต อะลูมิเนียมไนไตรด์แตกต่างจากอะลูมิเนียมไนเตรตตรงที่เป็นสารประกอบไนโตรเจนที่มีสถานะออกซิเดชันเฉพาะที่ -3 ในขณะที่ไนเตรตหมายถึงเอสเทอร์หรือเกลือของกรดไนตริก โครงสร้างผลึกของวัสดุนี้เป็น wurtzite หกเหลี่ยม

การสังเคราะห์ AIN

AlN ผลิตขึ้นจากการลดคาร์โบเทอร์มอลของอลูมินาหรือไนไตรเดชันโดยตรงของอะลูมิเนียม มีความหนาแน่น 3.33 g/cm3 และแม้จะไม่ละลาย แต่ก็แยกตัวออกที่อุณหภูมิสูงกว่า 2,500 °C และความดันบรรยากาศ หากปราศจากความช่วยเหลือของสารเติมแต่งที่ขึ้นรูปเป็นของเหลว วัสดุจะถูกยึดเกาะด้วยโควาเลนต์และทนทานต่อการเผาผนึก โดยทั่วไปแล้ว ออกไซด์ เช่น Y2O3 หรือ CaO อนุญาตให้เผาที่อุณหภูมิระหว่าง 1600 ถึง 1900 องศาเซลเซียส

ชิ้นส่วนที่ทำจากอะลูมิเนียมไนไตรด์สามารถผลิตได้หลายวิธี รวมถึงการกดแบบเย็นแบบไอโซสแตติก การฉีดขึ้นรูปเซรามิก การฉีดขึ้นรูปด้วยแรงดันต่ำ การหล่อเทป การตัดเฉือนแบบแม่นยำ และการกดแบบแห้ง

คุณสมบัติที่สำคัญ

AlN ไม่อนุญาตให้โลหะหลอมเหลวส่วนใหญ่ รวมทั้งอะลูมิเนียม ลิเธียม และทองแดง ไม่อนุญาตให้เกลือหลอมเหลวส่วนใหญ่รวมถึงคลอไรด์และไครโอไลต์

อะลูมิเนียมไนไตรด์มีค่าการนำความร้อนสูง (170 W/mk, 200 W/mk และ 230 W/mk) ตลอดจนค่าความต้านทานต่อปริมาตรสูงและความเป็นฉนวน

ไวต่อการไฮโดรไลซิสในรูปผงเมื่อสัมผัสกับน้ำหรือความชื้น นอกจากนี้ กรดและด่างยังโจมตีอะลูมิเนียมไนไตรด์

วัสดุนี้เป็นฉนวนไฟฟ้า ยาสลบช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าของวัสดุ AIN แสดงคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริก

แอพพลิเคชั่น

ไมโครอิเล็กทรอนิกส์

คุณลักษณะที่โดดเด่นที่สุดของ AlN คือค่าการนำความร้อนสูง ซึ่งเป็นอันดับสองรองจากเบริลเลียมในบรรดาวัสดุเซรามิก ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 200 องศาเซลเซียส ค่าการนำความร้อนจะสูงกว่าทองแดง การรวมกันของการนำไฟฟ้าสูง ความต้านทานต่อปริมาตร และความเป็นฉนวนช่วยให้สามารถใช้เป็นวัสดุพิมพ์และบรรจุภัณฑ์สำหรับส่วนประกอบไมโครอิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงหรือความหนาแน่นสูง ความจำเป็นในการกระจายความร้อนที่เกิดจากการสูญเสียโอห์มมิกและบำรุงรักษาส่วนประกอบภายในช่วงอุณหภูมิการทำงานเป็นหนึ่งในปัจจัยจำกัดที่กำหนดความหนาแน่นของการบรรจุชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ พื้นผิว AlN ให้การระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากกว่าพื้นผิวเซรามิกทั่วไปและแบบอื่นๆ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงใช้เป็นตัวรองรับชิปและตัวระบายความร้อน

อะลูมิเนียมไนไตรด์พบการใช้งานเชิงพาณิชย์อย่างแพร่หลายในตัวกรอง RF สำหรับอุปกรณ์สื่อสารเคลื่อนที่ ชั้นของอะลูมิเนียมไนไตรด์อยู่ระหว่างโลหะสองชั้น การใช้งานทั่วไปในภาคการค้า ได้แก่ ฉนวนไฟฟ้าและส่วนประกอบการจัดการความร้อนในเลเซอร์ ชิปเล็ต คอลเลต ฉนวนไฟฟ้า แหวนแคลมป์ในอุปกรณ์แปรรูปเซมิคอนดักเตอร์ และบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์ไมโครเวฟ

แอปพลิเคชันอื่นๆ

เนื่องจากค่าใช้จ่ายของ AlN ในอดีตการใช้งานจึงถูกจำกัดไว้เฉพาะในด้านการบินและการขนส่งทางทหาร อย่างไรก็ตาม วัสดุได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางและนำไปใช้ในหลากหลายสาขา คุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่สำคัญหลายประการ

การใช้งานทางอุตสาหกรรมของ AlN รวมถึงวัสดุผสมทนไฟสำหรับการจัดการโลหะที่หลอมเหลวอย่างรุนแรง และระบบแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีประสิทธิภาพ

วัสดุนี้ใช้สร้างถ้วยใส่ตัวอย่างสำหรับการเจริญเติบโตของผลึกแกลเลียมอาร์เซไนด์ และยังใช้ในการผลิตเหล็กและเซมิคอนดักเตอร์

การใช้งานอื่นๆ ที่เสนอสำหรับอะลูมิเนียมไนไตรด์ ได้แก่ เซ็นเซอร์เคมีสำหรับก๊าซพิษ การใช้ท่อนาโน AIN เพื่อผลิตท่อนาโนกึ่งหนึ่งมิติเพื่อใช้ในอุปกรณ์เหล่านี้เป็นเรื่องของการวิจัย ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา มีการตรวจสอบไดโอดเปล่งแสงที่ทำงานในสเปกตรัมรังสีอัลตราไวโอเลตด้วย การประยุกต์ใช้ฟิล์มบาง AIN ในเซ็นเซอร์วัดคลื่นอะคูสติกพื้นผิวได้รับการประเมินแล้ว