Nitruro de aluminio: Descifrando el conductor térmico “milagroso” y su lugar en la tecnología del futuro

El nitruro de aluminio se conoce comúnmente como un conductor térmico milagroso por varias razones. Se trata de un material futurista cuyo potencial parece estar prácticamente inexplorado. El mundo había ignorado el potencial de este compuesto durante más de un siglo desde su descubrimiento. Afortunadamente, la investigación nos ha permitido aprovechar al máximo este material único.

Los dispositivos basados en nitruro de aluminio ya están revolucionando la energía, los microchips nanotecnológicos, la fabricación de acero y las aplicaciones de radiofrecuencia. Con más investigación, esta tendencia solo puede ir en aumento.

¿Qué es el nitruro de aluminio?

El nitruro de aluminio es un compuesto iónico formado por la combinación de aluminio (un metal) y nitrógeno (un no metal). El compuesto se forma mediante la transferencia de electrones del metal al no metal. El aluminio cede sus tres electrones externos al nitrógeno, formando un compuesto estable. El material presenta una fase de wurtzita, de ahí su amplia semiconductoridad de banda prohibida.

Estructura de Lewis del nitruro de aluminio

El aluminio se encuentra en el grupo 13 de la tabla periódica, mientras que el nitrógeno está en el grupo 15. Esto significa que el aluminio tiene 3 electrones covalentes (libres), mientras que el nitrógeno tiene 5. Como no metal en un compuesto iónico, el nitrógeno necesita 8 electrones en su capa externa. Con ello, formará un compuesto estable similar a los gases nobles.

Dado que el aluminio tiene la misma cantidad de electrones que el nitrógeno, se combinan en una proporción de 1:1. Es decir, solo se necesita un átomo de aluminio y uno de nitrógeno para formar nitruro de aluminio (AlN).

Dado que el nitrógeno obtiene tres electrones libres del aluminio, tiene una carga iónica 3-ve (N₃-). El aluminio tendrá una carga 3+ para ceder sus tres electrones externos (Al₃+). La estructura de Lewis del compuesto se muestra a continuación:

Constante dieléctrica de AlN

Antes de abordar el concepto de constante dieléctrica, conviene comprender el nitruro de aluminio como material dieléctrico. Todos sabemos que el AlN es un material cerámico aislante eléctrico. Pero quizás desconozcas sus numerosas aplicaciones como material dieléctrico en piezoelectrónica, microelectrónica, etc.

Entonces, ¿qué hace que el nitruro de aluminio sea un material dieléctrico? ¿Qué significa esto en primer lugar?

La palabra «dieléctrico» combina dos raíces griegas: «dia» y «eléctrico». «Dia» significa «transparente», mientras que «eléctrico» significa «campo eléctrico». Por lo tanto, el significado de «dieléctrico» es «material que permite el paso de campos eléctricos».

Un campo eléctrico El campo E es una región que rodea partículas con carga eléctrica. Si se coloca una carga, por ejemplo, p, en un campo eléctrico, experimentará una fuerza igual a la intensidad del campo multiplicada por p, es decir, F = pE.

Cuando un conductor metálico se coloca en un campo eléctrico, sus electrones tienen libertad de movimiento. Las cargas positivas se desplazan hacia un extremo del metal, mientras que las negativas hacia el lado opuesto. Por lo tanto, se forma un dipolo eléctrico, que crea un nuevo campo eléctrico (E') opuesto al campo eléctrico original (E).

El nuevo campo eléctrico continúa formándose hasta que las cargas dejan de moverse y se alcanza el equilibrio. Utilizando la fórmula del campo resultante, Er = E - E', se busca la diferencia entre el campo eléctrico original y el nuevo campo. Por ejemplo, E - E' da cero, ya que las dos fuerzas son iguales.

Como el campo resultante es cero, concluimos que un conductor eléctrico inhibe los campos eléctricos.

Como se mencionó anteriormente, el nitruro de aluminio, como material dieléctrico, es un aislante. Al exponerse a un campo eléctrico, las cargas dentro de un material dieléctrico no pueden moverse libremente o pueden hacerlo ligeramente. La capacidad de un átomo para polarizarse al exponerse a un campo eléctrico depende de su estructura atómica. Es decir, una buena estructura atómica o molecular dará como resultado una constante dieléctrica más alta.

La constante dieléctrica del nitruro de aluminio oscila entre 8,3 y 9,3. Esto indica la cantidad de energía almacenada en el nitruro de aluminio en un campo eléctrico. Quizás le interese saber cuánta de esta energía almacenada puede convertirse en calor y cómo reacciona a altas temperaturas. El punto de fusión del nitruro de aluminio alcanza los 2200 °C (3990 °F). Por lo tanto, se descompone a 1800 °C (3270 °F) en el vacío.

Propiedades químicas del nitruro de aluminio

La fórmula química del nitruro de aluminio es AlN, donde Al representa aluminio y N nitruro. El nitruro de aluminio a menudo se confunde con nitrato de aluminioSi bien el AlN es una forma de nitrato de aluminio, ambos compuestos son muy diferentes. El AlN tiene un estado de oxidación -3, mientras que el nitrato de aluminio es un éster de ácido nítrico. Además, la fórmula química de este último compuesto es Al(NO₃)₃.

Síntesis de nitruro de aluminio

El nitruro de aluminio se forma mediante dos procesos. Uno consiste en la nitruración directa del aluminio, mientras que el otro depende de varios factores. El segundo proceso implica la reducción carbotérmica del óxido de aluminio. El AlN se disocia a temperaturas superiores a 2500 °C. Dado que el material tiene una densidad de 3,26 g.cm⁻³, se disocia en lugar de fundirse por encima de dicha temperatura.

La sinterización también es posible mediante el uso de aditivos formadores de líquidos como CaO o Y₂O₃. Se emplean diversos métodos de procesamiento para formar diferentes piezas de nitruro de aluminio, como el prensado en seco y el prensado isostático en frío. Otros métodos de procesamiento incluyen el moldeo por inyección de cerámica, el mecanizado de precisión, la colada en cinta y el moldeo por inyección a baja presión.

El nitruro de aluminio es atacado por ácidos fuertes y granos alcalinos. Sin embargo, es resistente al ataque de metales fundidos como el litio y el cobre, y sales fundidas como la criolita y el cloruro. Además, su forma en polvo se hidroliza fácilmente con agua y humedad. Con una alta resistividad volumétrica, el AlN presenta una alta conductividad térmica para un material cerámico y una alta rigidez dieléctrica.

Propiedades térmicas y eléctricas del nitruro de aluminio

El nitruro de aluminio es un material destacado por su alta conductividad térmica. También presenta una alta conductividad eléctrica y es un excelente aislante eléctrico. Esto, combinado con su alta resistividad volumétrica, convierte al AlN en un material muy solicitado en microelectrónica para su uso como sustrato.

En cuanto a conductividad térmica, el AlN ocupa el segundo lugar después de la berilia. Sin embargo, presenta una conductividad térmica mayor que la del cobre a temperaturas moderadas (es decir, alrededor de 200 °C).

El AlN es ideal para componentes microelectrónicos que requieren gran volumen y resistividad. En microelectrónica, existen sustratos con mejor refrigeración que los sustratos cerámicos convencionales. Por ello, se utilizan como disipadores y portadores de calor.

En telecomunicaciones, el nitruro de aluminio se utiliza en la fabricación de filtros de RF para dispositivos de telecomunicaciones. También se utiliza como aislante en anillos de sujeción, láseres, chiplets, encapsulados de dispositivos de microondas, etc. El AlN es estable en atmósferas de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono de hasta 980 °C. El material también se utiliza en optoelectrónica ultravioleta profunda.

La amplia banda prohibida de este material altamente conductor le otorga al nitruro de aluminio una ventaja en la optoelectrónica.

Conclusión

El lugar del nitruro de aluminio en la tecnología del futuro se está perfilando lentamente. Sus ventajas en microelectrónica, piezoelectrónica y optoelectrónica ultravioleta profunda son indispensables. De ahí la razón para aventurarse en el nitruro de aluminio y hacerse un hueco en el futuro.