El nitruro de aluminio es un tipo de material cerámico con excelentes propiedades integrales. Fue sintetizado artificialmente por primera vez en 1877, pero no tiene aplicación práctica en los siguientes 100 años, y solo se usa como fijador de nitrógeno para fertilizantes.
El nitruro de aluminio es un compuesto covalente con un pequeño coeficiente de autodifusión y un alto punto de fusión, por lo que es difícil de sinterizar.
Con la profundización de la investigación, el proceso de producción de nitruro de aluminio está madurando y su ámbito de aplicación también se está expandiendo.
Desde principios del siglo XXI, con el rápido desarrollo de la tecnología microelectrónica, las máquinas electrónicas completas y los componentes electrónicos se están desarrollando en la dirección de la miniaturización, el peso ligero, la integración, la alta confiabilidad y la salida de alta potencia, y dispositivos cada vez más complejos, mayor se imponen requisitos a la disipación de calor de sustratos y materiales de embalaje, lo que promueve aún más el desarrollo de la industria del nitruro de aluminio.
Propiedades del nitruro de aluminio
Estructura
El nitruro de aluminio (AlN) es un compuesto de enlace covalente con una estructura de wurtzita hexagonal con parámetros de red a=3.114 yc=4.986.
El nitruro de aluminio puro es de color blanco azulado, generalmente gris o blanquecino, y es un material semiconductor típico de banda prohibida ancha de tercera generación.
Rendimiento
El nitruro de aluminio (AlN) tiene las características de alta resistencia, resistividad de alto volumen, voltaje de resistencia de aislamiento alto, coeficiente de expansión térmica y buena combinación con el silicio.
En el campo de los sustratos electrónicos cerámicos y los materiales de embalaje, su rendimiento es mucho mejor que el de la alúmina.
Datos técnicos
Conductividad térmica W/(m·K): 320 (valor teórico)
Coeficiente de expansión térmica 10^-5／℃: 4.5
Propiedades de aislamiento: Resistencia a temperatura ambiente 10^14 Ω·cm / Intensidad de campo disruptivo 11,7 x 10^6 V/cm
Constante dieléctrica: 8.8
Brecha de banda: 6.2eV
Propiedades mecánicas a temperatura ambiente: Dureza 12GPa, módulo elástico 314GPa / Resistencia a la flexión 300~400 MPa
Propiedades mecánicas a alta temperatura: 20 % más bajas a 1300 ℃ (en comparación con las propiedades a temperatura ambiente)
Otros: No tóxico, resistencia a la corrosión a alta temperatura, temperatura de descomposición a presión normal 2000~2450℃
En comparación con varios otros materiales cerámicos, las cerámicas de nitruro de aluminio tienen excelentes propiedades integrales, son muy adecuadas para sustratos semiconductores y materiales de embalaje estructural, y tienen un gran potencial de aplicación en la industria electrónica.
Mecanismos de Conducción Térmica
La propiedad más notable del nitruro de aluminio es su alta conductividad térmica.
El principal mecanismo de conducción térmica del nitruro de aluminio: Transferencia de calor a través de celosía o vibración de celosía, es decir, por medio de ondas de celosía u ondas de calor.
Teóricamente, la conductividad térmica del AlN puede alcanzar los 320 W/(m·K), pero la conductividad térmica del producto real es inferior a 200 W/(m·K) debido a las impurezas y los defectos del AlN. Esto se debe a que los elementos estructurales en el cristal no pueden distribuirse de manera completamente uniforme, y siempre hay diferentes regiones dispersas y densas, por lo que los fonones portadores siempre se verán perturbados y dispersos durante el proceso de propagación.
Aplicaciones del Nitruro de Aluminio
Electrónica de Alta Potencia
El nitruro de aluminio tiene alta resistividad, alta conductividad térmica (8-10 veces la del Al2O3) y un bajo coeficiente de expansión similar al del silicio. Es un material ideal para dispositivos electrónicos de alta temperatura y alta potencia.
Sustrato de embalaje electrónico
Los materiales de sustrato cerámico comúnmente utilizados incluyen óxido de berilio, óxido de aluminio, nitruro de aluminio, etc. Entre ellos, la conductividad térmica del sustrato cerámico de óxido de aluminio es baja y el coeficiente de expansión térmica no coincide con el del silicio; Aunque el óxido de berilio tiene excelentes propiedades, su polvo es altamente tóxico.
Entre los materiales cerámicos existentes que se pueden usar como materiales de sustrato, las cerámicas de nitruro de silicio tienen la mayor resistencia a la flexión y buena resistencia al desgaste, y son los materiales cerámicos con las mejores propiedades mecánicas integrales, mientras que su coeficiente de expansión térmica es el más bajo. Las cerámicas de nitruro de aluminio tienen una alta conductividad térmica, buena resistencia al choque térmico y siguen teniendo buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas.
Desde el punto de vista del rendimiento, el nitruro de aluminio y el nitruro de silicio son actualmente los materiales más adecuados para sustratos de empaques electrónicos, pero su desventaja es el alto costo.
Material luminiscente
El ancho máximo de la brecha de banda directa del nitruro de aluminio es de 6,2 eV, que tiene una mayor eficiencia de conversión fotoeléctrica que los semiconductores de brecha de banda indirecta. Como importante material emisor de luz azul y ultravioleta, el AlN se utiliza en diodos emisores de luz ultravioleta/ultravioleta profundo, diodos láser ultravioleta y detectores ultravioleta.
Además, AlN puede formar una solución sólida continua con nitruros del grupo III como GaN e InN, y sus aleaciones ternarias o cuaternarias pueden lograr una sintonización continua de su banda prohibida desde la banda visible hasta la banda ultravioleta profunda, lo que lo convierte en un importante alto material luminiscente de alto rendimiento.
Sustrato
Los cristales de AlN son sustratos ideales para materiales epitaxiales de GaN, AlGaN y AlN.
En comparación con los sustratos de zafiro o SiC, AlN tiene una mejor coincidencia térmica y compatibilidad química con GaN, y menos tensión entre el sustrato y la capa epitaxial.
Por lo tanto, cuando el cristal de AlN se utiliza como sustrato epitaxial de GaN, la densidad de defectos en el dispositivo se puede reducir considerablemente, el rendimiento del dispositivo se puede mejorar y tiene una buena perspectiva de aplicación en la producción de alta temperatura, alta- frecuencia y dispositivos electrónicos de alta potencia.
Además, el uso de cristal de AlN como sustrato de material epitaxial de AlGaN con una composición alta en alúmina (Al) también puede reducir de manera efectiva la densidad de defectos en la capa epitaxial de nitruro y mejorar en gran medida el rendimiento y la vida útil del dispositivo semiconductor de nitruro.
Cerámicas y Refractarios
El nitruro de aluminio se puede utilizar como cerámica estructural.
Las cerámicas de nitruro de aluminio tienen buenas propiedades mecánicas, mayor resistencia a la flexión que las cerámicas de Al2O3 y BeO, alta dureza y resistencia a la corrosión a altas temperaturas. Por lo tanto, las cerámicas de AlN se pueden utilizar para fabricar piezas resistentes a la corrosión a altas temperaturas, como crisoles y platos de evaporación de Al.
Las cerámicas puras de AlN son cristales incoloros y transparentes con excelentes propiedades ópticas, que se pueden utilizar para fabricar ventanas infrarrojas de alta temperatura para equipos de dispositivos ópticos electrónicos y revestimientos resistentes al calor para carenados.
Materiales compuestos
El material compuesto de resina epoxi/AlN se utiliza como material de embalaje y necesita una buena conductividad térmica y disipación del calor. Como material polimérico con buenas propiedades químicas y estabilidad mecánica, la resina epoxi es fácil de curar y tiene una contracción baja, pero su conductividad térmica no es alta. Agregar nanopartículas de AlN con excelente conductividad térmica a la resina epoxi puede mejorar de manera efectiva la conductividad térmica y la resistencia de los compuestos.
Advanced Ceramics Supplier 