العلومالكيمياءالكيمياء غير العضوية

نتريد الألومنيوم – AlN

نتريد الألومنيوم (Aluminum Nitride) ذو الصيغة الكيميائية AlN هي عبارة عن أحدث مادة في عائلة السيراميك التقنية، يُظهر مسحوق نيتريد الألومنيوم عالي النقاء موصلية حرارية ممتازة كما ويظهر معدل عالي من العزل الكهربائي بالإضافة إلى خصائص تمدد حراري مشابهة لأنواع مختلفة من أشباه الموصلات، مما يجعلها مادة مثالية للأجسام الملبدة وعلى الرغم من عملية اكتشافه منذ أكثر من 100 عام فقد تم تطويره إلى منتج قابل للتطبيق تجاريًا بخصائص خاضعة للرقابة وقابلة للتكرار خلال العشرين عامًا الماضية.

 

نتريد الألومنيوم

 

يمتلك مركب نتريد الألومنيوم هيكل بلوري سداسي وهو مادة رابطة تساهمية، ومطلوب استخدام مساعدات التلبيد والضغط الساخن من أجل إنتاج مادة ذات درجة تقنية كثيفة، حيث تكون المادة مستقرة إلى درجات حرارة عالية جدًا في الأجواء الخاملة.

 

في الهواء أكسدة السطح تبدأ فوق 700 درجة مئوية، وتتكون طبقة من أكسيد الألومنيوم تحمي المادة حتى 1370 درجة مئوية، أما فوق درجة الحرارة هذه تحدث الأكسدة السائبة، ونيتريد الألومنيوم مستقر في أجواء الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون حتى 980 درجة مئوية.

 

يذوب نتريد الألمونيوم ببطء إلى حد ما في الأحماض المعدنية عن طريق هجوم حدود الحبوب أما في القلويات القوية يكون الهجوم عن طريق الهجوم على حبيبات نيتريد الألومنيوم، كما ويتحلل ببطء في الماء أيضا؛ إن معظم التطبيقات الحالية في مجال الإلكترونيات حيث يكون إزالة الحرارة أمرًا مهمًا، وهذه المادة ذات أهمية كبديل غير سام للبريليا وتتوفر طرق المعدنة للسماح باستخدام AlN بدلاً من الألومينا و BeO للعديد من التطبيقات الإلكترونية.

 

خصائص نتريد الألومنيوم الرئيسية

 

  1. خصائص عازلة جيدة.
  2. فحص الموصلية الحرارية العالية
  3. معامل تمدد حراري منخفض كما أنه قريب من معامل التمدد الحراري للسليكون.
  4. فحص غير متفاعل مع المواد الكيميائية والغازات العادية لعملية أشباه الموصلات.

 

خصائص نتريد الألومنيوم الميكانيكية

 

نتريد الألومنيوم
الخاصية الميكانيكية وحدة القياس النظام الدولي / متري
الكثافة جم / سم مكعب (رطل / قدم 3) 3.26
المسامية % (%) 0
اللون الرمادي
معامل المرونة GPa (رطل / بوصة^2 × 10^6) 330
معامل القص GPa (رطل / بوصة^2 × 10^6)
معامل الحجم GPa (رطل / بوصة^2 × 10^6)
نسبة بواسون 0.24
قوة الضغط MPa (رطل / بوصة^2 × 10^3) 2100
صلابة كجم / مم 2 1100
قوة الكسر KIC MPa *م 1/2 2.6
حراري
توصيل حراري W/m•°K (BTU•in/ft2•hr•°F) 140–180
معامل التمدد الحراري 10–6/°C (10–6/°F) 4.5
حرارة نوعية J / Kg • ° K (وحدة حرارة بريطانية / رطل • درجة فهرنهايت) 740
الكهرباء
قوة عازلة ac-kv / mm (فولت / مل) 17
ثابت العزل الكهربائي 1 ميغا هيرتز 9
عامل التبدد 1 ميغا هيرتز 0.0003
حجم المقاومة أوم • سم >1014

 

الخصائص الخاصة لنتريد الألومنيوم

 

  1. عبارة عن مادة عالية النقاء.
  2. مسحوق دقيق دقيق للغاية مع كمية صغيرة جدًا من الشوائب المعدنية.
  3. محتوى الأكسجين المنخفض للغاية يجعله مناسبًا كمادة خام للأجسام الملبدة بخصائص فيزيائية ممتازة.
  4. توزيع حجم الجسيمات الحاد.
  5. يبلغ متوسط ​​قطر الجسيمات المتكتلة حوالي 1 ميكرون وهو عبارة عن توزيع حاد لحجم الجسيمات، إذ يبلغ قطر الجسيم الأساسي حوالي 0.6 ميكرون وقد تم تثبيت سطح الجسيمات لتحقيق استقرار أكبر من المنتجات التقليدية، ويجب أن يؤدي التشتت الممتاز إلى تحسين تبديد الحرارة مثل حشو الراتنج.
  6. قدرة عالية على التلبيد.
  7. كما يمتلك درجة عالية من التلبيد، مما يتيح للمسحوق إنتاج أجسام مُلبدة نصف شفافة عن طريق الضغط الساخن والتلبيد غير المضغوط.

 

الخاصية الوحدة H-Grade E-Grade
مساحة محددة m2/g 2.6 3.4
متوسط ​​حجم الجسيمات μm 1.2 1.0
الشوائب الأكسجين O wt% 0.8 0.8
الكربون C ppm 280 200
الكالسيوم Ca ppm 200 10
السليكون Si ppm 25 10
الحديد Fe ppm 10

6

 

 

 

يتم تصنيع نيتريد الألومنيوم (AlN) وهو عبارة عن سيراميك مرتبط تساهميًا من العناصر الوفيرة مثل عنصري الألومنيوم والنيتروجين، وهو مركب لا يحدث بشكل طبيعي، يتميز بأنه مستقر في الأجواء الخاملة عند درجات حرارة تزيد عن 2000 درجة مئوية، وبتوصيل حراري عالي ولكنه بشكل فريد أيضا يعد عازل قوي، وهذا المزيج غير العادي من الخصائص يجعل من نتريد الألمونيوم مادة متقدمة مهمة للعديد من التطبيقات المستقبلية في كلا من البصريات والإضاءة وبالإضافة إلى الإلكترونيات والطاقة المتجددة.

 

استخدامات نتريد الألمنيوم وتطبيقاته

 

  • يتم استخدام مادة نتريد الألمونيوم بشكل رئيسي كمواد لتبديد الحرارة للمكونات الإلكترونية التي تعمل بشكل غير مستقر عند تسخينها مثل أشباه الموصلات، حيث يتم ذلك عن طريق إضافة عامل مساعد للتلبيد إلى مسحوق نيتريد الألومنيوم عالي النقاء هذا.

 

  • هناك بعض الشركات تقوم بعمليات من أجل تطوير منتجات تناسب تطبيقات محددة بما في ذلك مسحوق نيتريد الألومنيوم (AlN) وحبيبات AlN والسيراميك المصنوع من تلبيد مسحوق AlN.

 

  • يستخدم في مكونات معدات تصنيع أشباه الموصلات.

 

  • محولات للمعدات الصناعية.

 

  • ركائز IGBT للقطارات والسيارات.

 

  • ركائز تبديد الحرارة LED.

 

  • ركائز الحزم الإلكترونية.

 

  • أحواض الحرارة.

 

  • حزم IC.

 

  • قواعد ترانزستور الطاقة.

 

  • حزم أجهزة الميكروويف.

 

  • أثاث فرن معالجة المواد.

 

  •  تركيبات غرفة معالجة أشباه الموصلات والعوازل.

 

  •  مكونات مناولة المعادن المنصهرة.

 

مزايا نتريد الألومنيوم

 

يمتلك نتريد الألمونيوم بنية مجهرية موحدة، والموصلية الحرارية العالية (70-180 Wm-1K-1) وتكون مصممة حسب ظروف المعالجة والإضافات، كما ويمتلك مقاومة كهربائية عالية بالإضافة إلى معامل التمدد الحراري قريب من معامل التمدد الحراري للسيليكون.

 

تتميز مادة نتريد الألمونيوم بأنها مقاومة للتآكل كما وأنها مقاومة ممتازة للصدمات الحرارية، وهي مادة مستقرة كيميائيًا حتى 980 درجة مئوية في أجواء H2 و CO2 وفي الهواء حتى 1380 درجة مئوية (تحدث أكسدة السطح حوالي 780 درجة مئوية الطبقة السطحية تحمي الكتلة حتى 1380 درجة مئوية).

 

ميزات المسحوق من نتريد الألمونيوم

 

تتوفر درجات متعددة من المسحوق ويتم إنتاجها من خلال كل من طرق التبريد المباشر وتقليل الحرارة الكربونية بتكلفة تنافسية تبعا للتطبيقات المختلفة، يكون مناسب للصب الشريط أو التلبيد أو الضغط الساخن أو كمواد مالئة موصلة حرارياً في البوليمرات، كما وأنه متجانس تركيبيًا من أجل التوصيل الحراري العالي، كما ويمتلك درجة مقاومة الماء “WR” من المساحيق المتاحة.

 

لماذا يعتبر نتريد الألومنيوم الخيار المفضل لتطبيقات إدارة الركيزة والحرارة

 

  • نتريد الألومنيوم (AlN) هو عبارة عن مادة خزفية فريدة تجمع بين التوصيل الحراري العالي والمقاومة الكهربائية العالية، وفقط عدد قليل من السيراميك يمتلك موصلية حرارية عالية مثل أكسيد البريليوم (BeO) ونتريد البورون المكعب (c-BN) هما المثالان الوحيدان، ومع ذلك فإن استخدام BeO مقيد بسبب سميته، كما أنه من الصعب جدًا إنتاج c-BN.

 

  • “الموصلية الحرارية” هي عبارة عن قدرة المادة على نقل الحرارة عند تعرضها لتدرج درجة الحرارة، وفي المواد العازلة مثل AlN تنتقل الحرارة من خلال اهتزازات الشبكة (المعروفة أيضًا باسم “الفونونات”)، علما أن المواد ذات الهيكل البسيط والرابط التساهمي والكتلة الذرية المنخفضة تمتلك عمومًا موصلية حرارية عالية.

 

  • تبلغ الموصلية الحرارية النظرية لـ AlN حوالي 280 Wm-1K-1، وتعتمد الموصلية الحرارية الفعلية على ظروف المعالجة ونقاء المواد الخام، علما أن وجود شوائب الأكسجين في الشبكة هو ضرر كبير نظرًا لأن الأكسجين يزيح النيتروجين في الشبكة، وبالتالي فإنه يخلق شواغر تقطع انتشار الفوتون وتشتت الفوتونات وبالتالي تقلل من  عملية التوصيل الحراري.

المصدر
INORGANIC CHEMISTRYCATHERINE E. HOUSECROFT AND ALAN G. SHARPE, FOURTH EDITION. Inorganic Chemistry: Principles of Structure and Reactivity Subsequent Edition by James E. Huheey (Author), Ellen A. Keiter (Author), Richard L. Keiter (Author). ‘Inorganic Chemistry’ by Catherine .E. Housecroft and Alan.G. Sharpe Pearson, 5th ed. 2018‘Inorganic Chemistry’, by Shriver, Weller, Overton, Rourke, Armstrong, 6th Edition, Oxford University Press,2014.

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى