Le nitrure d’aluminium est une sorte de matériau céramique avec d’excellentes propriétés complètes. Il a été synthétisé artificiellement pour la première fois en 1877, mais il n’a aucune application pratique au cours des 100 années suivantes et il n’est utilisé que comme fixateur d’azote pour les engrais.
Le nitrure d’aluminium est un composé covalent avec un faible coefficient d’autodiffusion et un point de fusion élevé, il est donc difficile à fritter.
Avec l’approfondissement de la recherche, le processus de production de nitrure d’aluminium devient mature et son champ d’application s’étend également.
Depuis le début du 21e siècle, avec le développement rapide de la technologie microélectronique, les machines électroniques complètes et les composants électroniques se développent dans le sens de la miniaturisation, de la légèreté, de l’intégration, de la haute fiabilité et de la puissance de sortie élevée, et des dispositifs de plus en plus complexes, plus élevés des exigences sont imposées à la dissipation thermique des substrats et des matériaux d’emballage, ce qui favorise davantage le développement de l’industrie du nitrure d’aluminium.
Propriétés du nitrure d’aluminium
Structure
Le nitrure d’aluminium (AlN) est un composé à liaison covalente avec une structure hexagonale de wurtzite avec des paramètres de réseau a = 3,114 et c = 4,986.
Le nitrure d’aluminium pur est bleu-blanc, généralement gris ou blanc cassé, et est un matériau semi-conducteur à large bande interdite de troisième génération typique.
Performances
Le nitrure d’aluminium (AlN) a les caractéristiques d’une résistance élevée, d’une résistivité volumique élevée, d’une tension de tenue d’isolation élevée, d’un coefficient de dilatation thermique et d’une bonne correspondance avec le silicium.
Dans le domaine des substrats électroniques en céramique et des matériaux d’emballage, ses performances sont bien meilleures que celles de l’alumine.
Données techniques
Conductivité thermique W/(m·K) : 320 (valeur théorique)
Coefficient de dilatation thermique 10^-5／℃ : 4,5
Propriétés d’isolation : Résistance à la température ambiante 10^14 Ω·cm / Intensité du champ de claquage 11,7 x 10^6 V/cm
Constante diélectrique : 8,8
Bande interdite : 6,2 eV
Propriétés mécaniques à température ambiante : Dureté 12GPa, module d’élasticité 314GPa / Résistance à la flexion 300~400 MPa
Propriétés mécaniques à haute température : 20 % inférieures à 1 300 ℃ (par rapport aux propriétés à température ambiante)
Autres : non toxique, résistance à la corrosion à haute température, température de décomposition sous pression normale 2000 ~ 2450 ℃
Par rapport à plusieurs autres matériaux céramiques, les céramiques de nitrure d’aluminium ont d’excellentes propriétés globales, sont très appropriées pour les substrats semi-conducteurs et les matériaux d’emballage structuraux, et ont un grand potentiel d’application dans l’industrie électronique.
Mécanismes de conduction thermique
La propriété la plus remarquable du nitrure d’aluminium est sa conductivité thermique élevée.
Le principal mécanisme de conduction thermique du nitrure d’aluminium : transfert de chaleur par vibration de réseau ou de réseau, c’est-à-dire au moyen d’ondes de réseau ou de vagues de chaleur.
Théoriquement, la conductivité thermique de l’AlN peut atteindre 320 W/(m·K), mais la conductivité thermique du produit réel est inférieure à 200 W/(m·K) en raison des impuretés et des défauts de l’AlN. En effet, les éléments structurels du cristal ne peuvent pas être répartis de manière complètement uniforme et il existe toujours des régions différentes clairsemées et denses, de sorte que les phonons porteurs seront toujours perturbés et dispersés pendant le processus de propagation.
Applications du nitrure d’aluminium
Electronique Haute Puissance
Le nitrure d’aluminium a une résistivité élevée, une conductivité thermique élevée (8 à 10 fois celle de Al2O3) et un faible coefficient de dilatation similaire à celui du silicium. C’est un matériau idéal pour les appareils électroniques à haute température et haute puissance.
Substrat d’emballage électronique
Les matériaux de substrat en céramique couramment utilisés comprennent l’oxyde de béryllium, l’oxyde d’aluminium, le nitrure d’aluminium, etc. Parmi eux, la conductivité thermique du substrat en céramique d’oxyde d’aluminium est faible et le coefficient de dilatation thermique ne correspond pas à celui du silicium ; Bien que l’oxyde de béryllium ait d’excellentes propriétés, sa poudre est hautement toxique.
Parmi les matériaux céramiques existants pouvant être utilisés comme matériaux de substrat, les céramiques de nitrure de silicium ont la résistance à la flexion la plus élevée et une bonne résistance à l’usure, et sont les matériaux céramiques avec les meilleures propriétés mécaniques complètes, tandis que leur coefficient de dilatation thermique est le plus petit. Les céramiques de nitrure d’aluminium ont une conductivité thermique élevée, une bonne résistance aux chocs thermiques et ont toujours de bonnes propriétés mécaniques à des températures élevées.
Du point de vue des performances, le nitrure d’aluminium et le nitrure de silicium sont actuellement les matériaux les plus adaptés pour les substrats de conditionnement électronique, mais leur inconvénient est le coût élevé.
Matériau luminescent
La largeur maximale de la bande interdite directe du nitrure d’aluminium est de 6,2 eV, ce qui a une efficacité de conversion photoélectrique supérieure à celle des semi-conducteurs à bande interdite indirecte. En tant que matériau important émettant de la lumière bleue et ultraviolette, l’AIN est utilisé dans les diodes électroluminescentes ultraviolettes/ultraviolettes profondes, les diodes laser ultraviolettes et les détecteurs ultraviolets.
De plus, AlN peut former une solution solide continue avec des nitrures du groupe III tels que GaN et InN, et ses alliages ternaires ou quaternaires peuvent atteindre une accordabilité continue de sa bande interdite de la bande visible à la bande ultraviolette profonde, ce qui en fait un important haut- matériau luminescent performant.
Substrat
Les cristaux d’AlN sont des substrats idéaux pour les matériaux épitaxiaux GaN, AlGaN et AIN.
Comparé aux substrats en saphir ou en SiC, l’AlN présente une meilleure adaptation thermique et une meilleure compatibilité chimique avec le GaN, et moins de contraintes entre le substrat et la couche épitaxiale.
Par conséquent, lorsque le cristal AlN est utilisé comme substrat épitaxial GaN, la densité de défauts dans le dispositif peut être considérablement réduite, les performances du dispositif peuvent être améliorées et il a une bonne perspective d’application dans la production de haute température, haute- fréquence et appareils électroniques de grande puissance.
De plus, l’utilisation du cristal AIN comme substrat de matériau épitaxial AlGaN avec une composition élevée en alumine (Al) peut également réduire efficacement la densité de défauts dans la couche épitaxiale de nitrure et améliorer considérablement les performances et la durée de vie du dispositif semi-conducteur de nitrure.
Céramiques et Réfractaires
Le nitrure d’aluminium peut être utilisé comme céramique structurale.
Les céramiques de nitrure d’aluminium ont de bonnes propriétés mécaniques, une résistance à la flexion plus élevée que les céramiques Al2O3 et BeO, une dureté élevée et une résistance à la corrosion à haute température. Par conséquent, la céramique AlN peut être utilisée pour fabriquer des pièces résistantes à la corrosion à haute température telles que des creusets et des plats d’évaporation Al.
Les céramiques AlN pures sont des cristaux incolores et transparents dotés d’excellentes propriétés optiques, qui peuvent être utilisées pour fabriquer des fenêtres infrarouges à haute température pour les équipements de dispositifs optiques électroniques et des revêtements résistants à la chaleur pour les carénages.
Matériaux composites
Le matériau composite résine époxy/AlN est utilisé comme matériau d’emballage et nécessite une bonne conductivité thermique et une bonne dissipation thermique. En tant que matériau polymère doté de bonnes propriétés chimiques et d’une bonne stabilité mécanique, la résine époxy est facile à durcir et présente un faible retrait, mais sa conductivité thermique n’est pas élevée. L’ajout de nanoparticules d’AlN avec une excellente conductivité thermique dans la résine époxy peut améliorer efficacement la conductivité thermique et la résistance des composites.
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