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性質
窒化アルミニウムの分子式はAlNで、分子量が40.99の無色または灰色の結晶質の固体です。比重は3.3、常圧では融解せず2,150℃で分解します。化学的には非常に安定な物質で、焼結体は塩酸、硫酸、硝酸などの一般的な酸や塩基には溶けません。しかし、粉末状態の窒化アルミニウムの場合は、空気中の水と容易に反応して、水酸化アルミニウムとアンモニアを発生させます。 (AlN +3H2O → Al(OH)3 + NH3)
特にpHが高い水溶液の場合は、急速に分解します。このため、粉末を保管する場合は、高純度窒素ガス中か、乾燥空気中で保管することが重要です。粉体の窒化アルミニウムは加水分解の懸念がありますが、成形のために1,700℃以上で焼結処理された焼結体は加水分解せず、耐薬品性が高い特徴もあります。
焼結体は窒化アルミニウムの粉体をバインダー、可塑剤などと混合してガム状にして、成形したい形に加工され、高温で焼結させることで作成されます。窒化アルミニウムは、熱伝導率・熱放射率が大きく、均熱性が高い物質です。
室温での熱伝導率は70～200W/m・Kでアルミナ (Al2O3) の2～15倍ほどあります。熱膨張率がシリコンと同程度と低く、熱変形しにくいことも特徴です。熱変形しにくいため、耐熱衝撃性も他のセラミックと比較して高くなっています。
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解説
窒化アルミニウムは，アルミニウムの窒化物。無色または灰色。六方晶系。ファインセラミックスの主な材料として知られる。高い熱伝導率と絶縁性を示し、電子回路の基板材料などに利用される。化学式AlN。工業的には，ボーキサイトとコークスの混合物を，窒素中で電気炉で高温・高圧で反応させると得られる．
Al2O3 ＋ N2 ＋ 3C → 2AlN ＋ 3CO
移動床炉で，Al粉末を N2 と，1600 ℃ で反応させても得られる．薄膜は化学蒸着(CVD)法でつくられる．
AlCl3 ＋ 4NH3 → AlN ＋ 3NH4Cl
純粋なら無色の結晶．市販品は灰色～灰青色．窒化アルミニウム, 六方晶系，ウルツ鉱型構造．密度3.06 g cm－3．Al-N1.89～1.92 Å．∠N-Al-N101～110°．融点2760 ℃(N2 圧5 MPa)．2000 ℃ 付近から昇華圧が増加し，2200 ℃ 以上で分解する．モース硬さ9～10．固体は電気抵抗が大きく(1010 Ω cm)，絶縁耐力も高い( ＞ 20 kV mm－1)．セラミック材料としては非常に高い熱伝導率を示す(320 W m－1 K－1)．熱放射率も大きく，放熱性が高い．Siに近い熱膨張係数をもつ．圧電性もある．水では室温で徐々に加熱すると，すみやかに分解してNH3を発生し，Al(OH)3を生成する．酸と反応する．アルカリ溶融でも分解する．半導体エレクトロニクス材料(IC放熱用基板など)，AlN圧電膜は携帯電話機用共振器フィルターに使われる．広いバンドギャップ(6.2 eV)を利用する紫外LED，レーザー素子の研究が進められており，波長210 nm の発光が確認されている． 小学館 デジタル大辞泉について 情報 | 凡例
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使用上の注意
窒素封入
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化学的特性
Crystalline solid.
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物理的性質
Insulator (Eg =4.26 eV). Decomposes with water, acids,
and alkalis to Al(OH)3 and NH3. Crucible container for GaAs
crystal growth
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特性
Aluminum nitride is an excellent substrate for creating wide-band-gap semiconductors for wireless communications and power-industry applications. Since aluminum nitride withstands very high temperatures, this substrate material can be used for microelectronic devices on jet engines. Such substrates also would improve the production of blue and ultraviolet lasers that could be used to squeeze a full-length movie onto a CD. Aluminum nitride crystals have also been grown in a tungsten crucible at 2300°C.
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使用
Aluminum nitride possesses very high thermal conductivity and effectively used in the ceramic industry. It finds application in deep ultraviolet optoelectronics, steel production, dielectric layers in optical storage media, chip carriers and as a crucible to grow crystals of gallium arsenide. It is also used as a radio frequency filter, which finds application in mobile phones. Further, it is used as a circuit carrier in semiconductors. In addition to this, it is used as a heat-sink in light-emitting diode lighting technology.
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製造方法
Aluminum nitride is conveniently prepared by an electric arc between aluminum electrodes in a nitrogen atmosphere. Crucibles of the pressed powder, sintered at 1985°C, are resistant to liquid aluminum at 1985°C, to liquid gallium at 1316°C, and to liquid boron oxide at 1093°C. Aluminum nitride has good thermal shock resistance and is only slowly oxidized in air (1.3% converted to Al2O3 in 30 h at 1427°C). It is inert to hydrogen at 1705°C but is attacked by chlorine at 593°C.
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使用用途
窒化アルミニウムは、優れた熱伝導性、電気絶縁性、各種半導体に近い熱膨張性などの特性を有していることから、熱に弱い半導体等の電子部品の放熱材料として主に使用されています。
具体的な用途としては、パワートランジスタモジュール基板、LED用マウント基板、ICパッケージなどが挙げられます。その他、プラズマエッチャー用部品、ウエハーチャック用部品、ステッパー用ウエハー保持冶具、ダミーウエハー、ヒーター均熱板なども用途の1つです。
窒化アルミニウムには、フィラーとしての用途もあり、各種樹脂材料との混合で、樹脂の性能を高める効果があります。例えば、窒化アルミニウムの微粉末を、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、BTレジンなど各種樹脂との混合で、充填性、流動性、高放熱性を付与できます。
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工業用途
Aluminum nitride is an excellent substrate for creating wide-band-gap semiconductors for wireless communications and power-industry applications. Since aluminum nitride withstands very high temperatures, this substrate material can be used for microelectronic devices on jet engines. Such substrates also would improve the production of blue and ultraviolet lasers that could be used to squeeze a full-length movie onto a CD. Aluminum nitride crystals have also been grown in a tungsten crucible at 2300 C.
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材料の用途
Aluminum nitride (AlN) has an unusual combination of properties: it is an electrical insulator, but an excellent conductor of heat. This is just what is wanted for substrates for high-powered electronics; the substrate must insulate yet conduct the heat out of the microchips. This, and its high strength, chemical stability, and low expansion give it a special role as a heat sinks for power electronics. Aluminum nitride starts as a powder, is pressed (with a polymer binder) to the desired shape, then fired at a high temperature, burning off the binder and causing the powder to sinter.
Aluminum nitride is particularly unusual for its high thermal conductivity combined with a high electrical resistance, low dielectric constant, good corrosion, and thermal shock resistance.
Typical uses. Substrates for microcircuits, chip carriers, heat sinks, electronic components; windows, heaters, chucks, clamp rings, gas distribution plates.
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製造方法
窒化アルミニウムの製造方法
窒化アルミニウムの製造方法としては、酸化アルミニウムから作る方法と、単体のアルミニウムから作る方法、塩化アルミニウムから作る方法の3通りあります。
1. 酸化アルミニウムから作る方法
ボーキサイト (酸化アルミニウムを高含有率で含む鉱物) とコークスの混合物を、窒素中で1,700℃、高圧で反応させることで得られます。
Al2O3 + 3C + N2 → 2AlN + 3CO
2. アルミニウム粉と窒素の直接反応
アルミニウム粉を窒素雰囲気化で加熱すると600℃ぐらいから窒化反応が開始します。徐々に温度を上げて800～1,000℃で反応は完了します。アルミニウム粉は600℃で融解して凝集し始め、窒素との接触面積が減るため、凝集を防止しながら窒化反応を行う必要があります。
2Al + N2 → 2AlN
3. 塩化アルミニウムとアンモニアとの反応
塩化アルミニウムとアンモニアと1,200～1,500℃で反応させることで窒化アルミニウムが得られます。小規模で窒化アルミニウムの薄膜を形成する場合等に使われる方法です。
AlCl3 + NH3 → AlN + 3HCl
