DD301291A7

DD301291A7 - Verfahren zur herstellung einer aluminiumnitrid-keramik

Info

Publication number: DD301291A7
Application number: DD32754589A
Authority: DD
Inventors: Friedmar Dipl-Ing Kerbe; Guenter Wolrab; Klaus Dr Dipl-Ing Winter; Gert Dipl-Ing Himpel; Renate Dipl-Ing Neudendorf; Heinz Trog
Original assignee: Tridelta Ag; Zentralinstitut Fuer Kernforsc
Priority date: 1989-04-12
Filing date: 1989-04-12
Publication date: 1992-11-19

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumnitrid-Keramik mit hoher Dichte und Wärmeleitfähigkeit als Hochleistungskeramik für unterschiedliche Einsatzgebiete, z. B. als Funktionskeramik in Form von Substrat- und Gehäusewerkstoffen für die Elektronik oder als Wärmekeramik für Schmelztiegel, Schutzrohre und Laserkanalmaterial. Durch Modifizierung der Sinterung soll der Fertigungsaufwand hierfür verringert werden. Erfindungsgemäß erfolgt dies im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren der drucklosen Sinterung von Aluminiumnitrid-Keramik mit Sinterhilfsmitteln auf der Basis von Seltenerd- und Erdalkali-Oxiden, indem der Stickstoff-Sinteratmosphäre Sauerstoff-Gehalte von 2 bis 200 ppm zugegeben werden. Durch den Sauerstoffgehalt des Sintergases werden die Reaktionen der Schmelzphasenbildung und des Sauerstoffabbaues in der Aluminiumnitrid-Matrix aktiviert.

Description

- Die Sintergeschwindigkeit wird erhöht, so daß sich die Sinterzeiten bei gleicher Verdichtung wesentlich verkürzen.

- Die Verdichtung der AIN-Keramik ist bei gleichen Sinterbedingungen (Temperatur, Zeit) höher.

- AIN-Keramikerzeugnisse aus AIN-Pulvern mit ungünstigen granulometrisuhen Eigenschaften, die nach den herkömmlichen Sinterverfahren nicht zu verdichten sind, können mit gutem Erfolg gefertigt werden.

- Da der Sauerstoffabbau in der AIN-Matrix ebenfalls schneller und vollständiger verläuft, besitzen AIN-Kei amiken, die erfindungsgemäß hergestellt werden, höhere Wärmeleitfähigkeiten.

Die Sauerstoffzugabe kann über den gesamten Sinterprozeß oder auch nur bei maximaler Sintertemperatur erfolgen. Ein Überschreiten der 200-ppm-Grenze hat Oxydationsreaktionen des AIN und damit eine erhebliche Dichte- und Wärmeleitfähigkeitsenkung zur Folge.

Ausführungsbeispiel

An einem Beispiel soll die Erfindung näher erläutert werden. Sinterfähiges AIN-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 2 pm und einem Sauerstoffgehalt von 2,1 % wird mit 6% Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel gemischt und mit 150MPa zu AIN-Formkörpern verpreßt. Die AIN-Formkörper werden in einem Hochtemperaturofen bei einer Sintertemperatur von 1800⁰C und einer Haltezeit von 4 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre mit einem Sauerstoffgehalt von 0,005% (= 50ppm) gesintert. Im Gegensatz zum Ergebnis der Parallelsinterung dieser AIN-Formkörper in einem Hochtemperaturofen mit Grafitheizung unter Stickstoff ebenfalls bei 1800⁰C und 4 Stunden wurden bei erfindungsgemäßer Sinterung wesentlich höhere Dichten und Wärmeleitfähigkeiten erzielt, wie aus der nachstehenden Tabelle zu ersehen ist:

Sauerstoff- Gehalt der Sinter atmosphäre	Smterdichte	Wätmeleit- fählgkeit
ppm	%TD	Wm-¹K"¹
0 50	89,5/98,9/90,3/90,7/91,1 98,9/99,0/99,1 /99,3/99,5	56/61 104/111

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumnitrid-Keramik mit hoher Dichte und Wärmeleitfähigkeit durch druckloses Sintern von Formkörpern aus einem pulverförmigen Gemisch von Aluminiumnitrid und Sinterhilfsmitteln auf der Basis von Seltenerd- und Erdalkali-Oxiden in einer nichtoxidierenden, stickstoffhaltigen Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinteratmosphäre noch Sauerstoffgehalte von 0,0002 bis 0,02% (2 bis 200 ppm) zudosiert werden.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumnitrid-Keramik (AIN-Keramik) mit hoher Dichte und Wärmeleitfähigkeit. AIN-Keramiken mit diesen Kennwerten sind für viele Anwendungsgebiete interessant. Der Einsatz als Substrat- und Gehäusewerkstoff für die Elektronik und Mikroelektronik erfolgt in Verbindung mit den ausgezeichneten elektrischen Isolationseigenschaften. Die vorzügliche Temperatur- und Korrosionsfestigkeit ermöglicht die Verwendung als Wärmekeramik in Form von Schmelztiegeln, Sinterschiffchen, Schutzrohren, Kanalmaterial für Laser u. ä.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

AIN besitzt als anorganisch-nichtmetallischer Werkstoff mit niedriger Mol-Masse, einfachem Kristallgitteraufbau und starker kovalenter Bindung eine theoretische Wärmeleitfähigkeit von 320Wm^-1K^-1 (J. Phys. Chem. Sol. 34 (1973] 321-335). Eine Nutzung dieses Potentials für Elektro- und Wärmekeramikerzeugnisse liegt im volkswirtschaftlichen Interesse. Der polykristalline Gefügeaufbau, ein gewisser Porositätsanteil und die chemischen Verunreinigungen mit dem Sauerstoff an der Spitze begrenzen jedoch die Dichte und Wärmeleitfähigkeit der realen AIN-Keramiken.

Die Herstellung durch Feststoffsinterung bleibt trotz hoher Sintertemperaturen und langer Sinterzeilen erfolglos, da die geschwindigkeitsbestimmende Diffusion der Stickstoffionen sehr klein ist. Verdichtungen von AIN-Keramik über 90% TD sind nur durch komplizierte Technologien, wie Heißpressen oder Drucksintern, bei extremer Feinheit der AIN-Ausgangspulver möglich (Samsonov, G. V., Poluäenie i metody analiza nitridov, Kiev 1978). Die Wärmeleitfähigkeiten derartiger AIN-Keramiken betragen 35 bis 30 Wm^-1K"¹, d. h. nur ca. 10% der theoretischen Wärmeleitfähigkeit. Die Hauptursache der niedrigen Wärmeleitfähigkeit ist der technologisch bedingte Sauerstoffgehalt von 1 bis 3% der AIN-Pulver und -formkörper, der durch die beschriebenen Herstellungsverfahren nicht zu beseitigen ist. Erst durch den Einsatz von Sinterhilfsmitteln auf der Basis von Seltenerd- und Erdalkali-Oxiden wird bei gleichzeitiger Rationalisierung des Sinterverfahrens durch die drucklose Sinterung die Fertigung von AIN-Keramik mit relativ hoher Dichte und verbesserter Wärmeleitfähigkeit ermöglicht (DE-OS 3313836). Die erhöhte Sinterkinetik wird erreicht, weil durch die Zusatzoxide mit dem vorliegenden Sauerstoffgehalt des AIN während des Sinterstadiums Schmelzphasen durch Aluminatbildung entstehen, die die Umordnung der AIN-Partikel im Formkörper forcieren. Durch die Schmelzphasenbildung verarmt gleichzeitig die AIN-Matrix an Sauerstoff, so daß eine wesentliche Barriere für die Wärmeleitfähigkeit teilweise abgebaut wird (Werdecker, W., Aldinger, F., IEEE-CHMT-7, No.4,1984,399-404). Problematisch ist bei diesem Verfahren das sehr schmale Sinterintervall bei relativ hoher Sintertemperatur. Es ist eine Sintertemperatur von 1800 ± 20°C einzuhalten. Niedrigere Temperaturen führen zu geringerer Verdichtung, bei Temperaturen über 1800⁰C setzt eine erhebliche AIN-Zersetzung mit Verdichtungshemmung ein. Die erreichbaren Sinterdichten sind zeitabhängig, so daß für hohe Dichtewerte lange und damit unvorteilhafte Sinterzeiten erforderlich sind. Gr sintert wird grundsätzlich in einer Stickstoffatmosphäre, die wegen der Oxydationsgefahr für das AIN und eines möglichen Sauerstoffeintrages in jedem Falle extrem sauerstofffrei gereinigt und gehalten wird. Der Sauerstoffgehalt beträgt höchstens 0,0001 %. In den meisten Fällen jedoch werden Hochtemperäturöfen mit Grafitheizung eingesetzt, wobei sich durch den verbliebenen Restsauerstoff Kohlenmonoxid bildet, wodurch die Sinterung in reduzierender Atmosphäre erfolgt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung von AIN-Keramik mit hoher Dichte und verbesserter Wärmeleitfähigkeit bei verringertem Fertigungsaufwand.

Darlegung des Wesens dar Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Herstellung einer AIN-Keramik mit hoher Dichte und Wärmeleitfähigkeit durch druckloses Sintern von Formkörpern aus einem pulverförmigen Gemisch von AIN und Sinterhilfsmitteln auf der Basis von Seltenerd- und Erdalkal'-Oxiden in einer nichtoxidierenden, stickstoffhaltigen Atmosphäre durch Modifizierung der Sinterung zu verbessern.

Erfindungsgemäß werden deshalb - im Gegensatz zur herkömmlichen Methodik der sauerstofffreien Stickstoffatomsphäre dem Sintergas Sauerstoffgehalte von 0,0002 bis 0,02% (2 bis 200 ppm) zudosiert. Dieser Sauerstoffpartialdruck aktiviert durch die um eine Zehnerpotenz größere Beweglichkeit der Sauerstoffionen gegenüber den Stickstoffionen die Aluminatbildung und damit die Verdichtung der AIN-Partikel durch Schmelzphasen während der Sinterung. Daraus ergeben sich folgende Vorteile gegenüber sauerstofffreier bzw. reduzierender Sinteratmosphäre:

- Die Sinterung setzt bereits bei Temperaturen um 1600⁰C ein, so daß nur noch die Einhaltung einer maximalen Sintertemperatur von 1800⁰C und nicht mehr des kritischen Sinterintervalls von 1800 ± 20°C notwendig ist.