O nitreto de alumínio é um tipo de material cerâmico com excelentes propriedades abrangentes. Foi sintetizado artificialmente pela primeira vez em 1877, mas não tem aplicação prática nos 100 anos seguintes, sendo usado apenas como fixador de nitrogênio para fertilizantes.
O nitreto de alumínio é um composto covalente com um pequeno coeficiente de autodifusão e um alto ponto de fusão, por isso é difícil de sinterizar.
Com o aprofundamento das pesquisas, o processo de produção do nitreto de alumínio está amadurecendo, e seu escopo de aplicação também está se expandindo.
Desde o início do século 21, com o rápido desenvolvimento da tecnologia microeletrônica, máquinas completas eletrônicas e componentes eletrônicos estão se desenvolvendo na direção da miniaturização, peso leve, integração, alta confiabilidade e alta potência, e dispositivos cada vez mais complexos, maior requisitos são colocados na dissipação de calor de substratos e materiais de embalagem, o que promove ainda mais o desenvolvimento da indústria de nitreto de alumínio.
Propriedades de nitreto de alumínio
Estrutura
O nitreto de alumínio (AlN) é um composto de ligação covalente com estrutura hexagonal wurtzita com parâmetros de rede a=3,114 ec=4,986.
O nitreto de alumínio puro é azul-branco, geralmente cinza ou esbranquiçado, e é um material semicondutor típico de banda larga de terceira geração.
Desempenho
O nitreto de alumínio (AlN) tem as características de alta resistência, alta resistividade de volume, alta tensão de resistência de isolamento, coeficiente de expansão térmica e boa correspondência com silício.
No campo de substratos eletrônicos cerâmicos e materiais de embalagem, seu desempenho é muito melhor que o da alumina.
Dados técnicos
Condutividade térmica W/(m·K): 320 (valor teórico)
Coeficiente de expansão térmica 10^-5／℃: 4,5
Propriedades de isolamento: Resistência à temperatura ambiente 10^14 Ω·cm / Intensidade do campo de ruptura 11,7 x 10^6 V/cm
Constante Dielétrica: 8,8
Gap de banda: 6,2eV
Propriedades mecânicas à temperatura ambiente: Dureza 12GPa, módulo elástico 314GPa / resistência à flexão 300~400 MPa
Propriedades mecânicas de alta temperatura: 20% menor a 1300 ℃ (em comparação com as propriedades à temperatura ambiente)
Outros: Não tóxico, resistência à corrosão de alta temperatura, temperatura de decomposição de pressão normal 2000 ~ 2450 ℃
Em comparação com vários outros materiais cerâmicos, as cerâmicas de nitreto de alumínio têm excelentes propriedades abrangentes, são muito adequadas para substratos semicondutores e materiais de embalagem estrutural e têm grande potencial de aplicação na indústria eletrônica.
Mecanismos de Condução Térmica
A propriedade mais notável do nitreto de alumínio é sua alta condutividade térmica.
O principal mecanismo de condução térmica do nitreto de alumínio: transferência de calor através de treliça ou vibração de treliça, ou seja, por meio de ondas treliçadas ou ondas de calor.
Teoricamente, a condutividade térmica do AlN pode chegar a 320 W/(m·K), mas a condutividade térmica do produto real é inferior a 200 W/(m·K) devido a impurezas e defeitos no AlN. Isso ocorre porque os elementos estruturais no cristal não podem ser completamente distribuídos uniformemente, e sempre existem regiões diferentes esparsas e densas, de modo que os fônons portadores sempre serão perturbados e dispersos durante o processo de propagação.
Aplicações de nitreto de alumínio
Eletrônica de alta potência
O nitreto de alumínio tem alta resistividade, alta condutividade térmica (8-10 vezes a do Al2O3) e um baixo coeficiente de expansão semelhante ao do silício. É um material ideal para dispositivos eletrônicos de alta temperatura e alta potência.
Substrato de Embalagem Eletrônica
Os materiais de substrato cerâmico comumente usados incluem óxido de berílio, óxido de alumínio, nitreto de alumínio, etc. Entre eles, a condutividade térmica do substrato cerâmico de óxido de alumínio é baixa e o coeficiente de expansão térmica não corresponde ao do silício; Embora o óxido de berílio tenha excelentes propriedades, seu pó é altamente tóxico.
Entre os materiais cerâmicos existentes que podem ser usados como materiais de substrato, as cerâmicas de nitreto de silício têm a maior resistência à flexão e boa resistência ao desgaste, e são os materiais cerâmicos com as melhores propriedades mecânicas abrangentes, enquanto seu coeficiente de expansão térmica é o menor. As cerâmicas de nitreto de alumínio possuem alta condutividade térmica, boa resistência ao choque térmico e ainda possuem boas propriedades mecânicas em altas temperaturas.
Do ponto de vista do desempenho, o nitreto de alumínio e o nitreto de silício são atualmente os materiais mais adequados para substratos de embalagens eletrônicas, mas sua desvantagem é o alto custo.
Material luminescente
A largura máxima do band gap direto do nitreto de alumínio é de 6,2 eV, que tem maior eficiência de conversão fotoelétrica do que os semicondutores band gap indiretos. Como um importante material emissor de luz azul e ultravioleta, o AlN é usado em diodos emissores de luz ultravioleta/ultravioleta profunda, diodos laser ultravioleta e detectores ultravioleta.
Além disso, o AlN pode formar uma solução sólida contínua com nitretos do grupo III, como GaN e InN, e suas ligas ternárias ou quaternárias podem atingir sintonizabilidade contínua de seu gap da banda visível para a banda ultravioleta profunda, tornando-se um importante material luminescente de desempenho.
Substrato
Os cristais de AlN são substratos ideais para materiais epitaxiais de GaN, AlGaN e AlN.
Comparado com substratos de safira ou SiC, o AlN tem melhor correspondência térmica e compatibilidade química com GaN e menos tensão entre o substrato e a camada epitaxial.
Portanto, quando o cristal AlN é usado como substrato epitaxial de GaN, a densidade de defeitos no dispositivo pode ser bastante reduzida, o desempenho do dispositivo pode ser melhorado e tem uma boa perspectiva de aplicação na produção de alta temperatura, alta temperatura. frequência e dispositivos eletrônicos de alta potência.
Além disso, o uso de cristal AlN como substrato de material epitaxial AlGaN com composição de alta alumina (Al) também pode reduzir efetivamente a densidade de defeitos na camada epitaxial de nitreto e melhorar muito o desempenho e a vida útil do dispositivo semicondutor de nitreto.
Cerâmica e Refratários
O nitreto de alumínio pode ser usado como cerâmica estrutural.
As cerâmicas de nitreto de alumínio têm boas propriedades mecânicas, maior resistência à flexão do que as cerâmicas Al2O3 e BeO, alta dureza e resistência à corrosão em altas temperaturas. Portanto, a cerâmica AlN pode ser usada para fazer peças resistentes à corrosão de alta temperatura, como cadinhos e pratos de evaporação de Al.
As cerâmicas AlN puras são cristais incolores e transparentes com excelentes propriedades ópticas, que podem ser usados para fabricar janelas infravermelhas de alta temperatura para equipamentos de dispositivos ópticos eletrônicos e revestimentos resistentes ao calor para carenagens.
Materiais Compósitos
O material composto de resina epóxi/AlN é usado como material de embalagem e precisa de boa condutividade térmica e dissipação de calor. Por ser um material polimérico com boas propriedades químicas e estabilidade mecânica, a resina epóxi é de fácil cura e baixa retração, mas sua condutividade térmica não é alta. A adição de nanopartículas de AlN com excelente condutividade térmica na resina epóxi pode efetivamente melhorar a condutividade térmica e a resistência dos compósitos.
Advanced Ceramics Supplier 