Нітрид алюмінію (AlN) був вперше синтезований у 1877 році, але його потенційне застосування в мікроелектроніці не стимулювало розробку високоякісного, комерційно життєздатного матеріалу до середини 1980-х років.
AIN є формою нітрату алюмінію. Нітрид алюмінію відрізняється від нітрату алюмінію тим, що він є сполукою азоту зі ступенем специфічного окислення -3, тоді як нітрат відноситься до будь-якого ефіру або солі азотної кислоти. Кристалічна структура цього матеріалу — гексагональний вюрцит.
Синтез AIN
AlN виробляється шляхом карботермічного відновлення глинозему або прямого азотування алюмінію. Він має щільність 3,33 г/см3 і, незважаючи на те, що не плавиться, дисоціює при температурах вище 2500 °C і атмосферному тиску. Без допомоги рідиноутворюючих добавок матеріал має ковалентний зв’язок і стійкий до спікання. Як правило, такі оксиди, як Y2O3 або CaO, допускають спікання при температурах від 1600 до 1900 градусів Цельсія.
Деталі з нітриду алюмінію можна виготовляти за допомогою різних методів, включаючи холодне ізостатичне пресування, керамічне лиття під тиском, лиття під низьким тиском, стрічкове лиття, точну механічну обробку та сухе пресування.
Ключові особливості
AlN непроникний для більшості розплавлених металів, включаючи алюміній, літій і мідь. Він непроникний для більшості розплавлених солей, включаючи хлориди та кріоліт.
Нітрид алюмінію має високу теплопровідність (170 Вт/мк, 200 Вт/мк і 230 Вт/мк), а також високі питомий об'ємний опір і діелектричну міцність.
Він чутливий до гідролізу у формі порошку під впливом води або вологості. Крім того, кислоти та луги атакують нітрид алюмінію.
Цей матеріал є ізолятором для електрики. Допування підвищує електропровідність матеріалу. AIN демонструє п'єзоелектричні властивості.
Додатки
мікроелектроніка
Найбільш чудовою характеристикою AlN є його висока теплопровідність, яка поступається лише берилію серед керамічних матеріалів. При температурі нижче 200 градусів за Цельсієм її теплопровідність перевершує теплопровідність міді. Це поєднання високої провідності, питомого об’ємного опору та діелектричної міцності дозволяє використовувати його як підкладку та упаковку для вузлів мікроелектронних компонентів високої потужності або високої щільності. Необхідність розсіювати тепло, що утворюється внаслідок омічних втрат, і підтримувати компоненти в діапазоні робочих температур є одним із обмежуючих факторів, що визначають щільність упаковки електронних компонентів. Підкладки AlN забезпечують більш ефективне охолодження, ніж звичайні та інші керамічні підкладки, тому їх використовують як носії мікросхем і радіатори.
Нітрид алюмінію знаходить широке комерційне застосування в радіочастотних фільтрах для пристроїв мобільного зв'язку. Між двома шарами металу розташований шар нітриду алюмінію. Загальні застосування в комерційному секторі включають електричну ізоляцію та компоненти керування теплом у лазерах, чіплетах, цангах, електричних ізоляторах, затискних кільцях у обладнанні для обробки напівпровідників та упаковці мікрохвильових пристроїв.
Інші додатки
Через витрати на AlN його застосування історично обмежувалося військовою аеронавтикою та транспортом. Однак цей матеріал був широко вивчений і використаний у різних галузях. Його переваги роблять його придатним для ряду важливих промислових застосувань.
Промислове застосування AlN включає вогнетривкі композити для роботи з агресивними розплавленими металами та ефективні системи теплообміну.
Цей матеріал використовується для виготовлення тиглів для вирощування кристалів арсеніду галію, а також використовується у виробництві сталі та напівпровідників.
Інші пропоновані варіанти використання нітриду алюмінію включають як хімічний датчик для токсичних газів. Використання нанотрубок AIN для виробництва квазіодновимірних нанотрубок для використання в цих пристроях було предметом дослідження. Протягом останніх двох десятиліть також досліджувалися світловипромінювальні діоди, які працюють в ультрафіолетовому спектрі. Оцінено застосування тонкоплівкового AIN в датчиках поверхневих акустичних хвиль.
