O nitreto de alumínio (AlN) - frequentemente abreviado como ALN ou AIN - é um composto cerâmico de alumínio e azoto. A sua fórmula molecular/química é AlN, ou seja, um átomo de Al ligado a um átomo de N. Na literatura, “AlN” e “AIN” são utilizados indistintamente; o nome químico é nitreto de alumínio (nome IUPAC: nitreto de alumínio).Devido às fortes ligações Al-N e à coordenação tetraédrica, o AlN é um isolante elétrico com um intervalo de banda ultra largo (~6,1 eV). As principais propriedades do material incluem uma elevada densidade (~3,26 g/cm³unipretec-ceramics.com), dureza extrema (~11 GPa Vickers) e uma condutividade térmica excecional.

Fórmula, estrutura e aplicações do ALN (nitreto de alumínio)

A Great Ceramic oferece substratos e componentes de AlN personalizados (placas, anilhas, espaçadores, etc.) com excelentes propriedades térmicas e eléctricas. As suas cerâmicas de AlN são >96% puras e apresentam uma elevada condutividade térmica (>170-200 W/m-K)、 expansão térmica muito baixa, elevada resistência e dureza, e excelente isolamento elétrico. O AlN mantém-se estável a temperaturas muito elevadas; decompõe-se (efetivamente “derrete”) apenas acima de ~2200 °C. Estas propriedades fazem do AlN um material ideal para embalagens eletrónicas e gestão térmica - por exemplo, dissipadores de calor e substratos em módulos LED de alta potência, módulos de potência IGBT e MOSFET, dispositivos RF/micro-ondas e outros circuitos onde a dissipação eficiente de calor e o isolamento elétrico são críticos.Na verdade, os substratos de AlN podem ter condutividade térmica de até 9 × a da alumina (Al₂O₃), enquanto seu coeficiente de expansão térmica (~ 4,6 × 10-⁶ / K) se aproxima do silício, facilitando o estresse em pacotes de chips. As peças cerâmicas AlN típicas incluem placas, hastes, tubos, arruelas e componentes usinados personalizados - todos disponíveis no Great Ceramic por meio de usinagem CNC de precisão ou processamento a laser.

Estrutura e propriedades do AlN

A estrutura hexagonal de wurtzite do AlN dá a cada átomo de Al quatro vizinhos N mais próximos (e vice-versa). Esta forte ligação iónica/covalente produz um semicondutor com um intervalo de banda ultra largo (~6,1 eV), bem como uma elevada tensão de rutura. Na forma pura, o AlN é um isolante elétrico muito bom, com resistividade de volume> 10¹⁴ Ω-cm. A condutividade térmica é excecionalmente alta entre as cerâmicas (bulk AlN 170-200+ W / m - K; cristais únicos até ~ 320 W / m - K. Para comparação, a condutividade térmica do AlN é cerca de oito vezes a da alumina e excede em muito a da maioria das outras cerâmicas técnicas. A baixa expansão térmica do AlN (~4,5-5,2×10-⁶/K) é próxima da do silício (~2,6×10-⁶/K), minimizando a tensão térmica na eletrónica. A dureza também é elevada (Vickers ~11 GPa), e o AlN é quimicamente estável (resiste a ácidos/bases e metal fundido). Estas propriedades combinadas - elevada estabilidade térmica, elevada rigidez (módulo de Young ~320 GPa) e transparência ótica no UV - permitem uma vasta gama de utilizações.

Aplicações industriais de AlN

As cerâmicas AlN são utilizadas sempre que o calor tem de ser movimentado de forma eficiente ou quando é necessário isolamento a altas temperaturas e potência. As principais aplicações incluem:

Substratos e pacotes de AlN para LEDs de alta potência, díodos laser, módulos de potência IGBT/MOSFET e dispositivos RF. A sua elevada condutividade térmica e boa rigidez dieléctrica permitem uma rápida dissipação do calor e a fiabilidade do dispositivo.

Componentes de câmaras (como câmaras de gravação por plasma, revestimentos CVD/PECVD), suportes de substratos e acessórios. A resistência do AlN a altas temperaturas, vácuo e plasmas corrosivos (processos de gravação e RIE) protege o equipamento e reduz a contaminação.

Substratos de antenas, ressoadores dieléctricos e amplificadores de micro-ondas. A baixa perda dieléctrica do AlN e a permissividade estável até frequências de GHz permitem um desempenho RF eficiente.

Módulos de potência para veículos eléctricos, conversores DC-DC e gestão de baterias (BMS). O AlN é utilizado em eletrónica automóvel de alta temperatura para veículos eléctricos, permitindo densidades de potência mais elevadas.

Bases e dissipadores de calor para lasers de alta potência e suportes ópticos de precisão. Os substratos de AlN têm sido utilizados para permitir lasers e LEDs de ultravioletas profundos (DUV); o seu largo intervalo de banda e a sua correspondência de rede com o GaN suportam díodos UV de 220-280 nm.

Componentes de satélites, conjuntos de antenas de radar e eletrónica militar que requerem materiais estruturais leves e termicamente estáveis. No espaço e na defesa, a baixa libertação de gases e a condutividade térmica do AlN ajudam a dissipar o calor da eletrónica e dos sensores aviónicos.

Componentes em conjuntos de raios X, dispositivos de terapia por radiofrequência e biossensores, onde é necessário um elevado isolamento elétrico e biocompatibilidade. Por exemplo, o AlN é utilizado em eléctrodos e suportes de dispositivos médicos de alta frequência.

Estas aplicações aproveitam a combinação única de gestão térmica e isolamento elétrico do AlN. Em muitos casos, o AlN é escolhido em vez da alumina (Al₂O₃) ou do óxido de berílio (BeO) devido à sua superior condução de calor e expansão semelhante à do silício.

AlN em semicondutores e embalagens avançadas

O AlN está a ganhar atenção como material semicondutor de ultrawide-bandgap (UWBG). Com um bandgap ≈6 e, o AlN é adequado para eletrónica de alta potência e alta frequência. Os investigadores da Universidade de Cornell referem que a “condutividade térmica, a elevada tensão de rutura e a forte tolerância ao campo elétrico” do AlN o tornam ideal para os transístores e díodos de potência da próxima geração. A investigação e desenvolvimento actuais (por exemplo, projectos financiados pela DARPA) centram-se em díodos PIN baseados em AlN com uma resistência ultra-baixa no estado ativo para reduzir as perdas de energia. Além disso, os substratos de AlN permitiram os primeiros lasers de díodo de UV profundo (comprimentos de onda <280 nm) - essenciais para a esterilização e deteção - devido à compatibilidade da rede de AlN com as camadas de nitreto de alumínio e gálio (AlGaN).

Nas embalagens electrónicas, os substratos cerâmicos de AlN estão a desempenhar um papel de “mudança de jogo”. A condutividade térmica do AlN (150-230 W/m-K) excede largamente a da alumina, permitindo que o calor seja afastado dos chips com uma resistência térmica mínima. Como resultado, os substratos de AlN são amplamente utilizados em módulos IGBT, conversores de energia e pacotes avançados de LEDs. O AlN também se encontra em tecnologias avançadas de embalagem - por exemplo, pacotes de nível de wafer fan-out e módulos empilhados em 3D - porque o seu elevado desempenho térmico e isolamento melhoram a fiabilidade de conjuntos densos e de alta potência.

Produtos e serviços AlN da Great Ceramic

Oferecemos materiais cerâmicos de nitreto de alumínio de alta pureza (>96%) em muitas formas - placas, substratos, tubos, hastes, anilhas, espaçadores e peças totalmente maquinadas. As nossas peças de AlN podem ser concebidas à medida e produzidas pelo OEM com tolerâncias apertadas e metalização opcional (por exemplo, revestimento de cobre ou DBC) para eletrónica de potência. As cerâmicas de AlN da Great Ceramic têm normalmente uma densidade de ~3,3 g/cc e uma condutividade térmica >170 W/m-K. Apoiamos a prototipagem rápida e a produção de pequenos lotes, incluindo corte e retificação a laser de precisão. Para explorar as nossas capacidades ALN ou solicitar um orçamento, consulte a nossa página de produtos de nitreto de alumínio (AlN) ou contacte-nos para obter apoio técnico.

Perguntas frequentes sobre o AlN (nitreto de alumínio)

ALN (ou AIN) é a abreviatura comum de nitreto de alumínio, um composto cerâmico de alumínio (Al) e azoto (N). É um material duro, branco (ou amarelo pálido) que é um excelente condutor térmico e isolante elétrico.

A fórmula molecular é AlN. Isto significa um átomo de alumínio e um átomo de azoto por unidade de fórmula. Por vezes, a fórmula é escrita como AIN (mesmas letras, maiúsculas), mas refere-se ao mesmo composto. O nitreto de alumínio tem o nome IUPAC de nitreto de alumínio.

O AlN tem um ponto de fusão extremamente elevado. Em condições inertes, decompõe-se ou “funde” a cerca de 2200-2500 °C. Em termos práticos, o AlN permanece sólido e termicamente estável até cerca de 1000-1200 °C no ar, o que o torna adequado para aplicações a alta temperatura.

O AlN é amplamente utilizado em aplicações electrónicas e de gestão térmica. Também é utilizado em equipamento de fabrico de semicondutores (câmaras de gravação, mandris de wafer), comunicações de alta frequência (componentes de radar 5G), sistemas de energia para veículos automóveis e eletrónica aeroespacial/de defesa. Em todos os casos, o AlN serve como dissipador/isolador de calor de alto desempenho ou como substrato cerâmico para melhorar a fiabilidade do dispositivo. (Apesar do seu custo mais elevado, as vantagens térmicas do AlN tornam-no insubstituível em sistemas de alta potência e de topo de gama)

Não. O “oxinitreto de alumínio” (frequentemente designado por AlON) é uma cerâmica transparente diferente composta por alumínio, oxigénio e azoto. ALN refere-se especificamente ao nitreto de alumínio puro (sem oxigénio). Têm propriedades e aplicações diferentes. (Ver outros materiais do Great Ceramic para obter informações sobre o oxinitreto de alumínio, se necessário).