ניטריד אלומיניום וניטריד אלומיניום

ניטריד אלומיניום (AlN) הוא חומר אידיאלי לשימוש ביישומים תרמיים. עם מוליכות תרמית גבוהה, תכונות בידוד ומקדם התפשטות תרמית נמוך, AlN הוא חומר אטרקטיבי המהווה חלופה בטוחה לתחמוצת בריליום ביישומים בתעשיית המוליכים למחצה, וקל לעיבוד.

AlN ניתן לעיבוד במצב ירוק, ביסקוויט או במצב של סינטור מלא. עם זאת, חומר בסינטור מלא דורש זמן ומיומנות נוספים על מנת לעמוד בסבילות מחמירות.

מוליכות תרמית גבוהה

המוליכות התרמית המעולה של ניטריד אלומיניום הופכת אותו לחומר מצוין לפיזור חום במכשירים אלקטרוניים. מכשירים אלקטרוניים מודרניים מייצרים כמויות גדולות של חום שחייבות להתפזר במהירות; תכונות הבידוד של ניטריד אלומיניום מסייעות למנוע התחממות יתר, מה שמגביר את האמינות לאורך זמן ומאריך את חיי הרכיבים.

ל-AlN צפיפות של 3.26 g/cm3, וכן מוליכות תרמית גבוהה במיוחד של 170 W/(m-K), יותר מחמש פעמים גבוהה מזו של אלומינה, וקרובה לזו של בריליה מבחינת מוליכות תרמית. למרבה הצער, מוליכות תרמית של AlN עלולה לרדת עקב זיהומים של חמצן הקיימים באבקות ההתחלה במהלך תהליכי sintering.

כדי לשפר את המוליכות התרמית, האבקה מעורבבת עם חומרים מסייעים להתכה כמו CaO ו-Y2O3. לאחר מכן, החלקיקים נטחנים לגודל חלקיקים עדין במיוחד באמצעות טחנה בעלת ביצועים גבוהים, מה שמאפשר יצירת מבנים קרמיים צפופים יותר. כך נוצרים מבנים קרמיים צפופים בעלי תכונות בידוד תרמי מצוינות.

הבידוד התרמי והחשמלי המעולה של ניטריד אלומיניום הופך אותו לחומר מצוין ליישומים MEMS, כולל מסננים בתדר גבוה, מפיקי אנרגיה ומתמרים קולי. בנוסף, הפער הרחב בין הפסים, התאימות לטכנולוגיית CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) ותכונותיו הפיזואלקטריות המעולות הופכות חומר זה למתאים למכשירים MEMS רבים, כגון מסננים בתדר גבוה, מפיקי אנרגיה ומתמרים קולי. בנוסף, תכונותיו המכניות מאפשרות לעצב אותו בקלות.

בידוד חשמלי גבוה

ניטריד אלומיניום הוא חומר קרמי לא רעיל בעל מוליכות תרמית מעולה, בידוד חשמלי ותכונות התפשטות נמוכות – מושלם עבור מצעים לפיזור חום במעגלים משולבים בקנה מידה גדול ויישומים באריזה. בנוסף, חומר לא רעיל זה עמיד בפני שחיקה פלזמית וקורוזיה כימית וניתן בקלות למתכת, לציפוי, להלחמה או להלחמה למקומו – בנוסף, קשרי Al-N שלו מספקים עמידות יוצאת דופן בפני קורוזיה, חמצון ועמידות בפני עייפות.

לחרסית יש מוליכות תרמית וצפיפות גבוהות יותר מאשר לאלומינה ולבריליה, תוך שהיא מתהדרת במקדם התפשטות נמוך יותר מזה של אלומינה ליישומים בטמפרטורות גבוהות יותר ועמידות בפני שחיקת פלזמה גבוהה יותר מרוב המתכות.

ניטריד אלומיניום בולט כאופציה אטרקטיבית ביישומים אלקטרוניים בשל התפשטותו התרמית הנמוכה ותכונות הבידוד החשמלי המעולות שלו, מה שהופך אותו לחלופה לברליום במקרים מסוימים. צפיפותו הנמוכה ותכונותיו החשמליות הופכות את ניטריד האלומיניום לחומר מתאים במיוחד לרכיבים הדורשים סבילות נמוכה, כגון רכיבי תדר רדיו.

ניטריד אלומיניום (AlN) הוא חומר אטרקטיבי ליישומים של מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS), כגון מסננים בתדר גבוה ומקורות אנרגיה, הודות לפער אנרגיה רחב ותכונות פיזואלקטריות התואמות לטכנולוגיית CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). בנוסף, AlN ניתן לעיבוד בקלות הודות לנקודת ההתכה הנמוכה שלו. עם זאת, שיעורי ההתכווצות שלו לאחר sintering עלולים להקשות על שמירת סבילות נמוכות עם חומר זה.

חוזק מכני גבוה

ניטריד אלומיניום מתאפיין בחוזק מכני יוצא דופן, מה שהופך אותו לחומר מצוין לייצור מצעים קרמיים למוליכים למחצה. כחומר קרמי מהחזקים ביותר הנמצאים כיום בשימוש – עם חוזק כיפוף גבוה יותר מזה של קרביד סיליקון ושל תחמוצת אלומיניום – ובזכות תכונות המוליכות התרמית המעולות שלו, הוא מציע גם תכונות בידוד חשמלי מצוינות.

השילוב הייחודי של תכונות ניטריד האלומיניום הופך אותו לאידיאלי ליישומים בתחום האנרגיה והמיקרואלקטרוניקה, ולעתים קרובות הוא משמש כחלופה לתחמוצת בריליום באלקטרוניקה בשל הסיכונים הבריאותיים הכרוכים בטיפול ב-BeO. בנוסף, לניטריד האלומיניום מקדם התפשטות תרמית נמוך בהרבה בהשוואה לאלומינה ולתחמוצת בריליום, מה שהופך אותו למתאים ליישומים הדורשים פעולה בטמפרטורה נמוכה.

התקדמות אחרונה בטכנולוגיית מוליכים למחצה הספק יצרה צורך גובר בחומרים חלופיים המסוגלים לפזר חום ביעילות. חומרים מסורתיים למצע קרמי, כולל תחמוצת אלומיניום (Al2O3) וניטריד סיליקון (Si3N4), הוכחו כלא מספיקים בהקשר זה, ולכן AlGalN התגלה כמועמד פוטנציאלי בשל מוליכותו התרמית המעולה.

למרבה הצער, המעבר מאלומינה ל-AlGalN דורש עיבוד נרחב באטמוספירת חנקן עם זמני אספקה ארוכים עבור חלק מהיצרנים. כדי להתגבר על מכשול זה, חברות מסוימות פיתחו מוצרי AlN הניתנים לעיבוד, המיוצרים כבליטות שניתן לעבד ללא שימוש בכלי יהלום, והם חסכוניים יותר מ-AlN טהור. מוצרים אלה הניתנים לעיבוד ניתן להשיג גם ממספר ספקים, מה שמקצר עוד יותר את זמני האספקה.

עמידות גבוהה בפני חמצון

ניטריד אלומיניום (AlN) הוא ניטריד אלומיניום מוצק בעל מוליכות תרמית גבוהה ותכונות בידוד חשמלי מצוינות. בנוסף, עמידותו של AlN בפני חמצון, שחיקה וקורוזיה מגנה עליו מפני נזקים הנגרמים מהתכת אלומיניום ומקורוזיה של ארסניד גליום; יתר על כן, הוא אינו רעיל.

פלסטיק אטמוספרי הוא חומר אידיאלי ליישומים בסביבות קשות, שכן הוא עמיד בטמפרטורות גבוהות ובשחיקה כימית, מה שהופך אותו לחומר המושלם לעמידה ברעידות ולחץ, תוך שמירה על מוליכות חשמלית ועמידות בפני קרינת UV. בנוסף, הוא עמיד גם במתח גבוה, וחוזקו המכני הופך אותו למתאים לעמידה ברעידות ולחץ. לבסוף, המוליכות החשמלית ועמידותו בפני קרינת UV הופכות פלסטיק זה לחומר מצוין.

חומר זה ניתן לעיבוד באמצעות כלי עיבוד סטנדרטיים, ומציע חוזק מכני ועיבודיות מצוינים. בנוסף, צפיפותו הנמוכה הופכת אותו למתאים לרכיבים קלים ולתתי-מערכות בתחום התעופה והחלל, תוך שהוא עמיד יותר מ-FR-4 אלומיניום כללי או מעגלים מודפסים יצוקים מנחושת.

אליפסומטר ספקטרוסקופי בזווית משתנה של Woollam (לינקולן, נברסקה, ארה"ב) שימש לאפיון דגימות S1 ו-S4 AlN/Si בעוביים שונים של סרט באמצעות בדיקת XPS, כאשר אנרגיית הקשר של שיא הפוטואלקטרון N 1s נמדדה כ-396 2eV, התואמת היטב את נתוני הניסוי.

חומר האלומיניום ניטריד Shapal Hi M Soft של Tokuyama מציע יכולת עיבוד מעולה וחוזק מכני, מיוצר בתהליך ייחודי המוסיף בורון ניטריד להגברת הקשיות – מושלם למגוון רחב של יישומים.