DE3347862C2

DE3347862C2 -

Info

Publication number: DE3347862C2
Application number: DE3347862A
Authority: DE
Inventors: Nobuyuki Sagamihara Kanagawa Jp Kuramoto; Hitofumi Chigasaki Kanagawa Jp Taniguchi
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 1982-09-17
Filing date: 1983-09-15
Publication date: 1988-05-11
Also published as: DE3333406C2; GB2127390A; DE3333406A1; DE3347862A1; GB8325030D0; US4618592A; GB2127390B

Description

Die Erfindung betrifft einen gesinterten Körper aus Aluminiumnitrid, der eine Dichte von mindestens 2,9 g/cm³ und einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufweist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Gesintertes Aluminiumnitrid hat fortschreitendes Interesse als Hochtemperaturmaterial gefunden, da es ausgezeichnete Eigenschaften, wie hohe thermische Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit, aufweist. Da Aluminiumnitridpulver für Sinterkörper unvermeidlich verschiedene Verunreinigungen in Abhängigkeit von den Verfahren zu seiner Herstellung enthält, ist seine Sinterfähigkeit nicht ausreichend, und es ist schwierig, kompakte Sinterkörper und hochreine Sinterkörper mit den inhärenten, ausgezeichneten Eigenschaften von Aluminiumnitrid herzustellen.

In der Vergangenheit wurden die folgenden beiden Verfahren zur Herstellung von Aluminiumnitridpulvern verwendet. Das erste Verfahren wird als direktes Nitridierverfahren bezeichnet und besteht darin, daß man metallisches Aluminiumpulver bei hohen Temperaturen in einer Stickstoff- oder Ammoniakgasatmosphäre nitridiert und das entstehende Nitrid pulverisiert. Das zweite Verfahren wird als Aluminiumoxid-Reduktionsverfahren bezeichnet und besteht darin, daß man Aluminiumoxid und Kohlenstoffpulver in Stickstoff oder Ammoniakgas brennt und das entstehende Nitrid pulverisiert.

Da bei dem ersten direkten Nitridierverfahren metallisches Aluminium als Ausgangsmaterial verwendet wird, ist natürlich eine Stufe erforderlich, bei der das metallische Aluminium pulverisiert wird, um die Nitridierungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Zur Erhöhung der Sinterfähigkeit des entstehenden Nitrids ist eine Stufe des Pulverisierung des Nitrids zu einer Teilchengröße unter mehreren Mikron erforderlich. Es ist nicht übertrieben, wenn man behauptet, daß es bei dem direkten Nitridierverfahren unmöglich ist, den Einschluß von Metallen oder Metallverbindungen als Verunreinigungen aus den Pulverisierungseinrichtungen, wie der Kugelmühle, die bei den Pulverisierungsstufen verwendet wird, zu vermeiden. Bei dem direkten Nitridierverfahren erhält man Aluminiumnitridpulver, welches unvermeidlich nichtumgesetztes, metallisches Aluminium als Verunreinigung enthält. Es ist extrem schwierig, Aluminiumnitrid herzustellen, welches weniger als mehrere Gew.-% Verunreinigungen einschließlich derjenigen, die bei der Pulverisierungsstufe eingeführt werden, enthält. Bei der Pulverisierungsstufe des direkten Nitridierverfahrens ist es schwierig, Aluminiumnitridpulver mit einer ausreichend kleinen und einheitlichen Teilchengröße herzustellen. Da die Oxidation der Oberfläche des Aluminiumnitridpulvers während der Pulverisierung nicht vermieden werden kann, enthält das mittels des direkten Nitridierverfahrens erhaltene Aluminiumnitridpulver gewöhnlich 2 bis 5 Gew.-% oder gar noch mehr Sauerstoff.

Das zweite Aluminiumoxid-Reduktionsverfahren wird im allgemeinen als besseres Verfahren als das direkte Nitridierverfahren angesehen, da man ein Aluminiumnitridpulver mit einer relativ einheitlichen Teilchengröße erhält. Zur Herstellung von Teilchen mit einer Größe unter mehreren Mikron kann man jedoch nicht auf die Durchführung einer Pulverisierungsstufe verzichten. Weiterhin kann der Gehalt an nichtumgesetztem Aluminiumoxid nicht extrem reduziert werden. Demzufolge besitzt das zweite Verfahren, ähnlich wie das direkte Nitridierverfahren, den Nachteil, daß man ein Aluminiumnitridpulver geringer Reinheit erhält. Aluminiumnitridpulver, die nach diesen Verfahren hergestellt wurden, besitzen keine zufriedenstellende Reinheit und besitzen im allgemeinen eine schwarze oder graue Farbe. Gewöhnlich weisen daher aus diesen Pulvern erhaltene Sinterkörper keine Lichtdurchlässigkeitseigenschaften auf.

In der Literaturstelle Chemical Abstracts 83 (1975), 151 373 p wird ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid-Sinterkörpers beschrieben, bei dem CaO, BaO, SrO oder ein ähnliches Oxid als Sinterhilfsmittel zu dem Aluminiumnitridpulver zugegeben wird und das entstehende Gemisch gesintert wird. An keiner Stelle finden sich in dieser Literaturstelle irgendwelche Hinweise, daß zur Herstellung eines Aluminiumnitrid-Sinterkörpers mit überraschenden Eigenschaften ein Aluminiumnitridpulver als Rohmaterial verwendet werden muß, welches besondere Eigenschaften aufweist.

In der Literaturstelle Chemical Abstracts 83 (1975), 167 868 q finden sich Hinweise, daß die Dichte des Sinterkörpers, den man erhält, wenn man Aluminiumnitridpulver zu seiner Herstellung verwendet, fast die theoretische Dichte ist. Es finden sich keine Angaben, welche Maßnahmen man ergreifen muß, um einen Sinterkörper mit den gewünschten guten Eigenschaften herzustellen.

Das AIN-Pulver, welches als Rohmaterial verwendet wird, wird erhalten, indem man Al₂O₃ reduziert. Es wird angegeben, daß es eine spezifische Oberfläche von 13 m²/g besitzt. Unter Beachtung dieses angegebenen Oberflächenwertes kann der Sauerstoffgehalt des AIN-Pulvers, welches eingesetzt wird, geschätzt werden, und es wird angenommen, daß er mindestens 3% beträgt. Das AIN-Pulver, welches durch Reduktion von Aluminiumoxid erhalten wird, wird mit O₂ zur Entfernung von nichtumgesetztem Kohlenstoff behandelt. Der nichtumgesetzte Kohlenstoff wird oxidiert und als CO und/oder CO₂ entfernt. Zu diesem Zeitpunkt bildet sich jedoch ein Teil Al₂O₃ durch Umsetzung mit O₂ auf der Oberfläche des AIN-Pulvers. Die Anteile, die sich an Al₂O₃ bilden, erhöhen sich im Verhältnis mit der Oberfläche des AIN-Pulvers bei der Behandlung mit O₂. Ein AIN-Pulver mit einer spezifischen Oberfläche von 13 m²/g ist, wie oben angegeben, ein Pulver mit relativ großer Oberfläche. Es wird deshalb angenommen, daß es einen Sauerstoffgehalt von mindestens 3% besitzt.

In der EP 00 75 857-A2 wird beschrieben, daß man Y₂O₃, La₂O₃ oder ähnliche Verbindungen zu Aluminiumnitrid zugeben kann. Es wird ein Verfahren beschrieben, gemäß dem CaO, SrO oder BaO zu AlN zugegeben werden. Das erste Verfahren ist kostspielig, und es werden gleichzeitig Sinterkörper mit schlechter thermischer Leitfähigkeit erhalten. Das letztere Verfahren ergibt einen Sinterkörper mit guten Eigenschaften (vgl. Seite 2, Zeile 1 bis 26). In der Vergangenheit waren jedoch AlN-Sinterköper mit Lichtdurchlässigkeitseigenschaften nicht bekannt, und in dieser Literaturstelle werden keinerlei Aluminiumnitrid-Sinterkörper mit Lichtdurchlässigkeit beschrieben. In dieser Literaturstelle wird außerdem angegeben, daß man zur Beseitigung der schädlichen Wirkungen von Sauerstoff Kohlenstoff zusammen mit einem Sinterhilfsmittel in den Fällen beimischen soll, bei denen Sauerstoff in dem Aluminiumnitridpulver des Sinterkörpers unvermeidlich vorhanden ist. Dieser Sauerstoff dient dazu, eine spinelle Struktur als feste Lösung zum Zeitpunkt des Sinterns zu ergeben, wodurch die Eigenschaften des AlN nachteilig beeinflußt werden. Gemäß der genannten Literaturstelle enthält das Aluminiumnitrid Sauerstoff in Mengen bis zu 5 Gew.-% (vgl. Seite 4, Zeile 33 bis 34). Es wird gleichzeitig beschrieben, daß Ti, Tr und ähnliche zusammen als Sinterhilfsmittel verwendet werden können (vgl. Seite 6, Zeile 12 bis 16). Die Verwendung derartiger Materialien als Sinterhilfsmittel ergibt keinen Aluminiumnitrid-Sinterkörper mit überlegenen Eigenschaften, wie einer sehr guten thermischen Leitfähigkeit.

Erfindungsgemäß soll ein Sinterkörper aus Aluminiumnitrid mit hoher Reinheit und hoher Dichte, der lichtdurchlässig ist, einen sehr niedrigen Gehalt an Metallverbindungen als Verunreinigungen und gebundenen Sauerstoff aufweist und dessen Dichte mindestens etwa 90% der Theorie beträgt, zur Verfügung gestellt werden.

Erfindungsgemäß soll auch ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterkörpers aus Aluminiumnitrid mit hoher Reinheit und hoher Dichte aus einem feinen Aluminiumnitridpulver mit hoher Reinheit oder der erfindungsgemäßen Aluminiumnitridzusammensetzung zur Verfügung gestellt werden.

Die Erfindung betrifft einen gesinterten Körper aus Aluminiumnitrid, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er lichtdurchlässig ist und daß er aus mindestens 97 Gew.-% Aluminiumnitrid, höchstens 1,5 Gew.-% gebundenem Sauerstoff und einem Gehalt an Verunreinigungen von höchstens 0,5 Gew.-% in Form von Metallverbindungen, Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen, berechnet als Metall und/oder Kohlenstoff, besteht, wobei das Metall der Metallverbindungen Silicium, Mangan, Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink oder Titan ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen gesinterten Körper der obengenannten Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der gesinterte Körper lichtdurchlässig ist, aus mindestens 93 Gew.-% Aluminiumnitrid, höchstens 3,5 Gew.-% gebundenem Sauerstoff, 0,02 bis 5,0 Gew.-% des Sinterhilfsmittels, berechnet als Oxid mit der höchsten Atomwertigkeit, besteht und einen Gehalt an Verunreinigungen von höchstens 0,5 Gew.-% in Form von Metallverbindungen, Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen, berechnet als Metall und/oder Kohlenstoff, aufweist, wobei das Metall der Metallverbindungen Silicium, Mangan, Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink oder Titan ist.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung des gesinterten Körpers aus Aluminiumnitrid mit hoher Reinheit und hoher Dichte, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man feines Aluminiumnitridpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 2 µm und einem Gehalt an mindestens 97 Gew.-% Aluminiumnitrid, höchstens 3,0 Gew.-% gebundenem Sauerstoff und einem Gehalt an Verunreinigungen von höchstens 0,5 Gew.-% in Form von Metallverbindungen, Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen, berechnet als Metall und/oder Kohlenstoff, verformt, wobei das Metall der Metallverbindungen Silicium, Mangan, Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink oder Titan ist, und den geformten Gegenstand bei einer Temperatur von 1700 bis 2100°C in einer inerten Atmosphäre sintert.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren der obengenannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man feines Aluminiumnitridpulver, das mindestens 93 Gew.-% Aluminiumnitrid, höchstens 4,5 Gew.-% gebundenen Sauerstoff und einen Gehalt an Verunreinigungen von höchstens 0,5 Gew.-% in Form von Metallverbindungen, Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen, berechnet als Metall und/oder Kohlenstoff, enthält, wobei das Metall der Metallverbindungen Silicium, Mangan, Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink oder Titan ist, und zusätzlich 0,02 bis 5,0 Gew.-% eines Oxids mit der höchsten Atomwertigkeit von mindestens einem Metallelement, ausgewählt aus der Gruppe Erdalkalimetalle, Metalle der Lanthangruppe und Yttrium oder einer Verbindung davon, formt und den geformten Gegenstand bei einer Temperatur von 1600 bis 2100°C in Inertatmosphäre sintert.

Der erfindungsgemäße Sinterkörper besitzt hohe Reinheit und Lichtdurchlässigkeitseigenschaft.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sinterkörpers wird ein feines Pulver aus hochreinem Aluminiumnitrid, welches einen Aluminiumnitridgehalt von mindestens 94 Gew.-%, vorzugsweise 97 Gew.-%, einen Gehalt an gebundenem Sauerstoff von höchstens 3 Gew.-% und einen Gehalt an Verunreinigungen von höchstens 0,5 Gew.-% (als Metall) aufweist, verwendet.

Dieses Ausgangsmaterial wird in der DE-OS 33 33 406 beschrieben. Das bevorzugte Aluminiumnitridpulver ergibt einen Sinterkörper mit besonders guten Lichtdurchlässigkeitseigenschaften.

Der Gehalt an gebundenem Sauerstoff und der Gehalt an Verunreinigungen beeinflussen stark die Sinterfähigkeit des Aluminiumnitrids und die Lichtdurchlässigkeitseigenschaft des entstehenden Sinterkörpers. Bevorzugt beträgt der Gehalt an gebundenem Sauerstoff höchstens 1,5 Gew.-% und der Gehalt an Verunreinigungen höchstens 0,3 Gew.-% (als Metall).

Die Metallverbindungen, die als Verunreinigungen vorhanden sind, können aus Verunreinigungen stammen, die in dem Aluminiumoxid und Kohlenstoff vorhanden sind, oder sie können aus Lösungsmitteln, Mischvorrichtungen, Leitungen, etc., stammen, die während des Herstellungsverfahrens eingesetzt werden. Sie sind Verbindungen von Kohlenstoff, Silicium, Mangan, Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink und Titan.

Der Gehalt solcher Metallverbindungen in dem feinen Aluminiumnitridpulver beträgt besonders bevorzugt höchstens 0,1 Gew.-% (als Metall).

Unter diesen Verunreinigungen beeinflussen das nichtumgesetzte Aluminiumoxid und Kohlenstoff sowie das durch Oxidation der Oberfläche von Aluminiumnitrid gebildete Aluminiumoxid nicht wesentlich die Eigenschaften des Aluminiumnitrids bzw. Sinterkörpers. Beispielsweise beeinflußt der Einschluß kationischer Verunreinigungen, wie Aluminiumoxid, Kohlenstoff und Siliciumdioxid, in einer Menge von etwa 0,3 bis 0,5 Gew.-% die Sinterfähigkeit des Aluminiumnitrids bei Atmosphärendruck nicht nachteilig. Da andererseits Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer und Titan als Verunreinigungen die Lichtdurchlässigkeitseigenschaften eines Sinterkörpers aus Aluminiumnitrid nachteilig beeinflussen, sollte der Einschluß dieser Komponenten minimal gehalten werden. Um dem gesinterten Aluminiumnitrid eine ausreichende Lichtdurchlässigkeitseigenschaft zu verleihen, enthält das feine Aluminiumnitridpulver vorzugsweise nur weniger als 0,1 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge an Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer und Titan.

Das feine Aluminiumnitridpulver besitzt einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser nicht über 2 µm. Wenn sein durchschnittlicher Durchmesser diese Grenze überschreitet, nimmt seine Sinterfähigkeit stark ab. Bevorzugt besitzt das feine Aluminiumnitridpulver einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser nicht über 2 µm und enthält mindestens 70 Vol.-% Teilchen mit einem Teilchendurchmesser nicht über 3 µm.

Das Aluminiumnitrid ist, wie oben angegeben, sehr rein und sein Gehalt an gebundenem Sauerstoff beträgt höchstens 1,5 Gew.-%. Man hat bisher angenommen, daß ein feines Aluminiumnitridpulver mit einem Gehalt an gebundenem Sauerstoff unter 2 Gew.-% keine ausreichende Sinterfähigkeit besitzt, und um eine gute Sinterfähigkeit zu erhalten, sei ein Gehalt an gebundenem Sauerstoff von mindestens 2 Gew.-% erforderlich. Aufgrund dieses Standes der Technik ist es in der Tat unerwartet, daß das feine Aluminiumnitridpulver mit hoher Dichte eine ausgezeichnete Sinterfähigkeit aufweist.

Erfindungsgemäß wird ein Sinterkörper aus Aluminiumnitrid mit hoher Reinheit und hoher Dichte aus dem feinen Aluminiumnitridpulver mit hoher Reinheit erhalten.

Weiterhin kann erfindungsgemäß der Sinterkörper aus Aluminiumnitrid mit hoher Dichte und hoher Reinheit ebenfalls hergestellt werden, indem man die Sinterstufe bei dem obigen Verfahren in Anwesenheit eines Sinterhilfsmittels durchführt.

Bei den obigen beiden Verfahren zur Herstellung des Sinterkörpers aus Aluminiumnitrid gemäß der Erfindung mit hoher Reinheit und hoher Dichte erfolgt das Sintern durch Erhitzen des entstehenden rohen geformten Gegenstandes bei einer hohen Temperatur in einer inerten Atmosphäre. Bei jedem dieser Verfahren kann das Sintern als Heißpreßsintern oder als druckloses Sintern durchgeführt werden. Bei dem Heißpreßsintern ist die Festigkeit der Druckform ein begrenzender Druck, und normalerweise werden Drücke nicht über 343 bar ausgewählt. Industriell werden Drücke von mindestens 19,6 bar, bevorzugt von 49 bis 294 bar, verwendet. Das drucklose Sintern erfolgt im wesentlichen ohne Anwendung von Druck, d. h. ohne Anwendung eines mechanischen Drucks auf den geformten Gegenstand. Wenn das drucklose Sintern durchgeführt wird, wird der rohe geformte Gegenstand bei einem Druck von mindestens 196 bar, vorzugsweise 490 bis 196 bar, hergestellt. Das Sintern erfolgt in einer inerten Atmosphäre, insbesondere einer nichtoxidierenden Atmosphäre, beispielsweise in einer Stickstoffatmosphäre.

Die Sintertemperatur beträgt 1700 bis 2100°C, vorzugsweise 1800 bis 2000°C, bei dem ersten Verfahren, bei dem kein Sinterhilfsmittel verwendet wird. Bei dem zweiten Verfahren, bei dem ein Sinterhilfsmittel eingesetzt wird, kann das Sintern bei niedrigeren Temperaturen, insbesondere bei 1600 bis 2100°C, bevorzugt bei 1650 bis 2000°C, durchgeführt werden.

Das bei dem obigen Verfahren verwendete Sinterhilfsmittel ist eine Verbindung von mindestens einem Metall aus der Gruppe Erdalkalimetalle, Metalle der Lanthangruppe und Yttrium. Es ist bereits bekannt, daß diese Metalloxide wirksame Sinterhilfsmittel für Aluminiumnitrid sind. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, daß diese Metallverbindungen nicht nur als Sinterhilfsmittel, sondern ebenfalls als Mittel zur Verbesserung der Lichtdurchlässigkeitseigenschaften wirken und dadurch die Lichtdurchlässigkeitseigenschaften des Sinterkörpers aus Aluminiumnitrid verbessern, verbunden mit der hohen Reinheit des erfindungsgemäßen feinen Aluminiumnitridpulvers.

Von den Erdalkalimetallen sind Calcium, Strontium und Barium besonders gute Verbesserer für die Lichtdurchlässigkeitseigenschaften.

Bevorzugte Beispiele für Metalle der Lanthangruppe sind Lanthan, Neodym und Cer.

Das Sinterhilfsmittel oder das Mittel zur Verbesserung der Lichtdurchlässigkeitseigenschaften wird in einer Menge von 0,02 bis 5,0 Gew.-%, bevorzugt 0,03 bis 3,0 Gew.-%, verwendet.

Der erfindungsgemäße Sinterkörper aus Aluminiumnitrid wird beispielsweise als keramisches Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Hitze freisetzenden Platten, Materialien für Wärmeaustauscher, Substraten für stereophone Systeme oder Videoverstärker und Substraten für IC verwendet. Durch Ausnutzung seiner ausgezeichneten Lichtdurchlässigkeitseigenschaft kann er als Fenstermaterial für Sensoren unter Verwendung von ultraviolettem Licht und infrarotem Licht und lichtemittierende Röhren von Lampen verwendet werden. Er kann weiterhin als Fenstermaterial für Radareinrichtungen verwendet werden, wobei seine Eigenschaft, elektrische Wellen zu transmittieren, ausgenutzt wird, sowie als Spezialfenstermaterial, das Lichtdurchlässigkeitseigenschaften bei hohen Temperaturen erfordert.

Die Lichtdurchlässigkeit eines Sinterkörpers aus Aluminiumnitrid wird aus der folgenden Gleichung berechnet:

worin I₀ die Intensität des einfallenden Lichts, I die Intensität des durchgegangenen Lichts, R die Reflexionsfähigkeit, t die Dicke des Sinterkörpers und µ den Absorptionskoeffizienten bedeuten. R wird in Abhängigkeit von dem Brechungsindex des Sinterkörpers bestimmt. Wenn der Brechungsindex n ist, wird R durch die folgende Gleichung im Falle der Messung in Luft gegeben:

µ in der Gleichung (1) ist ein Maß für die Lichtdurchlässigkeitseigenschaft des Sinterkörpers, und die folgenden beispielhaften Werte von R wurden entsprechend Gleichung (1) bestimmt.

Die Herstellung des als Ausgangsmaterial verwendeten Aluminiumnitridpulvers erfolgt wie in der DE-OS 33 33 406 beschrieben. Es wurden verschiedene Aluminiumnitridpulver (A) bis (E) hergestellt, deren Eigenschaften in der folgenden Tabelle I angegeben sind.

Zum Vergleich wurden zwei nicht erfindungsgemäße Aluminiumnitridpulver hergestellt (Vergleichsbeispiele 1 und 2), deren Eigenschaften ebenfalls in der folgenden Tabelle I angegeben sind.

Tabelle I

Tabelle I (Fortsetzung)

Beispiel 1

1,0 g Aluminiumnitridpulver A werden in eine mit BN beschichtete Graphitform mit einem Durchmesser von 20 mm gegeben und 2 Stunden bei 2000°C unter einem Druck von 98,1 bar in Stickstoffgas unter 0,98 bar in einem Hochfrequenz-Induktionsofen heiß verpreßt. Der entstehende Sinterkörper ist leicht gelblich, dicht und semi-transparent. Der Sinterkörper besitzt eine Dichte von 3,26 g/cm³. Die Röntgenbeugungsanalyse zeigt, daß es sich um eine einzige Phase von AlN handelt. Die Analysenwerte des Sinterkörpers sind in Tabelle II gezeigt. Der Sinterkörper besitzt eine thermische Leitfähigkeit von 75 W/m · K. Wird dieser Sinterkörper auf eine Dicke von 0,5 mm poliert, so beträgt seine Lichtdurchlässigkeit gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 6 µm 16% (Absorptionskoeffizient µ = 34 cm^-1).

Eine Scheibe mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Dicke von etwa 3 mm, erhalten durch Heißverpressen unter den gleichen Bedingungen wie oben, wird unter Bildung eines rechteckigen Stabs mit einer Größe von 3,8 × 3 × 35 mm zerschnitten. Die Drei-Punkt-Biegefestigkeit dieser Probe wird bei einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 0,5 mm/min und bei einer Temperatur von 1200°C mit einer Spannweite von 30 mm bestimmt. Sie beträgt im Durchschnitt 4,07 N/mm².
ElementGehalt

Mg<5 ppm Cr15 ppm Si110 ppm Zn16 ppm Fe18 ppm Cu<5 ppm Mn5 ppm Ni30 ppm Ti<5 ppm Co<5 ppm Al65,0 Gew.-% N33,5 Gew.-% O0,6 Gew.-% C0,13 Gew.-%

Beispiel 2

10 g Aluminiumnitridpulver A werden mit 0,2 Gew.-% (als CaO) von Ca(NO₃)₂ · 4H₂O unter Verwendung von Ethanol als flüssigem Medium in einem Polyethylen-Mörser unter Verwendung eines Pistills aus Polyethylen vermischt. Das Gemisch wird getrocknet und dann unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 unter Bildung eines Sinterkörpers mit einem Durchmesser von 20 mm heiß verpreßt. Der Sinterkörper besitzt eine Dichte von 3,28 g/cm³ und mittels Röntgenbeugungsanalyse wird gefunden, daß er eine einzige Phase von AlN darstellt. Der Sinterkörper hat einen AlN-Gehalt von 97,8 Gew.-%, einen Sauerstoffgehalt von 0,7 Gew.-% und eine thermische Leitfähigkeit von 79 W/m · K. Wird der Sinterkörper auf eine Dicke von 0,5 mm poliert, so besitzt er eine Lichtdurchlässigkeit gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 6 µm von 33% (Absorptionskoeffizient µ = 19 cm^-1). Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit der Lichtdurchlässigkeit dieses Sinterkörpers gegenüber Wellenlängen von Licht, und Fig. 2 zeigt eine Photographie des Aussehens des Sinterkörpers.

Das gemischte AlN-Pulver wird mittels des Verfahrens von Beispiel 1 gesintert und seine Drei-Punkt-Biegefestigkeit bestimmt. Sie beträgt im Durchschnitt 442 N/mm² bei 1200°C.

Beispiel 3

10 g Aluminiumnitridpulver A werden mit jedem der verschiedenen, in Tabelle III gezeigten Additive vermischt. Die entstehenden Gemische werden jeweils gemäß dem Verfahren des Beispiels 2 unter Bildung von Sinterkörpern heiß verpreßt. Die Ergebnisse sind in Tabelle III aufgeführt.

Tabelle III

Beispiel 4

Etwa 1 g Aluminiumnitridpulver A wird uniaxial in einer Form mit einem Durchmesser von 20 mm verpreßt und isotaktisch unter einem Druck von 981 bar unter Bildung eines Formgegenstandes mit einer Dichte von 1,56 g/cm³ verpreßt. Der geformte Gegenstand wird in einen Bornitrid-Schmelztiegel gegeben und 3 h bei 1900°C in Stickstoffgas bei 0,98 bar in einem Hochfrequenz-Induktionsofen unter Verwendung eines Graphit-Wärmegenerators erhitzt. Der entstehende Sinterkörper, der beim drucklosen Sintern erhalten wird, ist gräulich-weiß und besitzt eine Dichte von 2,93 g/cm³. Die Röntgenbeugungsanalyse zeigt, daß er aus einer einzigen Phase AlN besteht. Die Analyse des Sinterkörpers zeigt, daß er einen AlN-Gehalt von 98,3 Gew.-% und einen Sauerstoffgehalt von 0,4 Gew.-% besitzt. Seine thermische Leitfähigkeit beträgt 48 W/m · K.

Beispiel 5

10 g Aluminiumnitridpulver A werden einheitlich mit 3,0 Gew.-% (als CaO) Ca(NO₃)₂ · 4H₂O in Ethanol als Dispersionsmedium vermischt. Das Gemisch wird getrocknet und auf gleiche Weise wie in Beispiel 4 geformt und gesintert. Vor dem Sintern besitzt der geformte Gegenstand eine Dichte von 1,73 g/cm³. Der Sinterkörper ist gelblich und semi-transparent und besitzt eine Dichte von 3,23 g/cm³. Der Sinterkörper hat einen AlN-Gehalt von 96,0 Gew.-%, einen Sauerstoffgehalt von 1,5 Gew.-% und eine thermische Leitfähigkeit von 64 W/m · K. Wird er auf eine Dicke von 0,5 mm poliert, so besitzt er eine Lichtdurchlässigkeit gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 6 µm von 28% (µ = 23 cm^-1).

Beispiel 6

10 g Aluminiumnitridpulver A werden mit jedem der verschiedenen, in Tabelle V aufgeführten Additive gemäß Beispiel 6 vermischt. Die Gemische werden jeweils einem drucklosen Sintern unter den gleichen Sinterbedingungen und mit der gleichen Sintervorrichtung wie in Beispiel 4 unterworfen. Die Ergebnisse sind in Tabelle IV aufgeführt.

Tabelle IV

Beispiel 7

1 g AlN-Pulver B wird in der gleichen Vorrichtung und unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 heiß verpreßt. Der entstehende Sinterkörper ist leicht gelblich und semi-transparent und besitzt eine Dichte von 3,25 g/cm³, einen AlN-Gehalt von 96,8 Gew.-% und einen Sauerstoffgehalt von 1,3 Gew.-%. Der Sinterkörper weist eine thermische Leitfähigkeit von 52 W/m · K auf. Wird der Sinterkörper auf eine Dicke von 0,55 mm poliert, so beträgt seine Lichtdurchlässigkeit gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 6 µm 11% (µ = 41 cm^-1). Die Biegefestigkeit des Sinterkörpers, bestimmt gemäß Beispiel 1, beträgt 348 N/mm², bezogen auf einen Durchschnitt bei 1200°C.

Beispiel 8

10 g AlN-Pulver B werden mit 0,5 Gew.-% (als Y₂O₃) Y(NO₃)₃ · 6H₂O in Ethanol als flüssigem Medium vermischt. 1 g des Gemisches wird getrocknet und dann 2 h bei 1900°C und 196,2 bar im Vakuum unter Verwendung der gleichen Vorrichtung wie in Beispiel 1 heiß verpreßt. Der entstehende Sinterkörper ist semi-transparent und besitzt eine Dichte von 3,27 g/cm³, einen AlN-Gehalt von 96,5 Gew.-%, einen Sauerstoffgehalt von 1,5 Gew.-% und eine thermische Leitfähigkeit von 56 W/m · K. Wird der Sinterkörper auf eine Dicke von 0,5 mm poliert, so beträgt seine Lichtdurchlässigkeit gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 6 µm 20% (µ = 29 cm^-1).

Beispiel 9

10 g AlN-Pulver B werden einheitlich mit 4,0 Gew.-% (als CaO) Ca(NO₃)₂ · 4H₂O in Ethanol als flüssigem Dispersionsmedium vermischt. 1 g des Gemisches wird getrocknet und dann einem drucklosen Sintern unter den gleichen Sinterbedingungen und in der gleichen Vorrichtung wie in Beispiel 4 unterworfen. Der erhaltene Sinterkörper ist gelblich und semi-transparent und besitzt eine Dichte von 3,20 g/cm³, einen AlN-Gehalt von 94,2 Gew.-%, einen Sauerstoffgehalt von 2,5 Gew.-% und eine thermische Leitfähigkeit von 42 W/m · K. Wenn der Sinterkörper auf eine Dicke von 0,5 mm poliert wird, besitzt er eine Lichtdurchlässigkeit gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 6 µm von 10% (µ = 43 cm^-1).

Beispiel 10

1 g AlN-Pulver C wird unter den gleichen Sinterbedingungen und in der gleichen Vorrichtung wie in Beispiel 1 heiß verpreßt. Der entstehende Sinterkörper ist gräulich und semi-transparent und besitzt eine Dichte von 3,26 g/cm³, einen AlN-Gehalt von 97,9 Gew.-%, einen Sauerstoffgehalt von 0,8 Gew.-% und eine thermische Leitfähigkeit von 50 W/m · K. Wenn der Sinterkörper auf eine Dicke von 0,5 mm poliert wird, beträgt seine Lichtdurchlässigkeit gegenüber Licht mit einer Welllenlänge von 6 µm 6% (µ = 53 cm^-1).

Beispiel 11

10 g AlN-Pulver C werden einheitlich mit 0,2 Gew.-% (als BaO) Ba(NO₃)₂ in Ethanol als flüssigem Medium vermischt. Das gemischte Pulver (1 g) wird getrocknet und dann unter den gleichen Sinterbedingungen und in der gleichen Vorrichtung wie in Beispiel 1 heiß verpreßt. Der entstehende Sinterkörper ist gräulich und semi-transparent und besitzt eine Dichte von 3,27 g/cm³, einen AlN-Gehalt von 97,9 Gew.-%, einen Sauerstoffgehalt von 0,9 Gew.-% und eine thermische Leitfähigkeit von 55 W/m · K. Wenn er auf eine Dicke von 0,5 mm poliert wird, beträgt seine Lichtdurchlässigkeit 8% gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 6 µm (µ = 48 cm^-1).

Beispiel 12

1 g AlN-Pulver D wird unter den gleichen Bedingungen und in der gleichen Vorrichtung wie in Beispiel 1 heiß verpreßt. Der entstehende Sinterkörper ist kompakt und semi-transparent und besitzt eine Dichte von 3,26 g/cm³, einen AlN-Gehalt von 98,1%, einen Sauerstoffgehalt von 0,7% und eine thermische Leitfähigkeit von 60 W/m · K. Wenn der Sinterkörper auf eine Dicke von 0,5 mm poliert wird, beträgt seine Lichtdurchlässigkeit gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 6 µm 28% (µ = 23 cm^-1).

Beispiel 13

1 g AlN-Pulver E wird unter den gleichen Bedingungen und in der gleichen Vorrichtung wie in Beispiel 1 heiß verpreßt. Der entstehende Sinterkörper besitzt eine Dichte von 3,28 g/cm³, einen AlN-Gehalt von 98,1 Gew.-%, einen Sauerstoffgehalt von 0,8 Gew.-% und eine thermische Leitfähigkeit von 63 W/m · K. Wenn er auf eine Dicke von 0,5 mm poliert wird, beträgt seine Durchlässigkeit gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 6 µm 30% (µ = 20 cm^-1).

Vergleichsbeispiel 1

Das Pulver gemäß Vergleichsbeispiel 1 (Tabelle I) wird in der gleichen Vorrichtung und unter den gleichen Sinterbedingungen wie in Beispiel 1 heiß verpreßt. Der Sinterkörper ist gräulich-weiß und nicht-transparent und besitzt eine Dichte von 3,12 g/cm³ und eine thermische Leitfähigkeit von 28 W/m · K. Die 3-Punkt-Biegefestigkeit des Sinterkörpers beträgt bei 1200°C durchschnittlich 199 N/mm².

Vergleichsbeispiel 2

Das Pulver gemäß Vergleichsbeispiel 2 (Tabelle I) wird in der gleichen Vorrichtung und unter den gleichen Sinterbedingungen wie in Beispiel 1 heiß verpreßt. Der entstehende Sinterkörper ist gräulich und nicht-transparent und besitzt eine Dichte von 2,98 g/cm³ und eine 3-Punkt-Biegefestigkeit bei 1200°C von durchschnittlich 244 N/mm².

Vergleichsbeispiel 3

10 g AlN-Pulver gemäß Vergleichsbeispiel 2 (Tabelle I) werden mit 0,2 Gew.-% (als CaO) Ca(NO₃)₂ · 4H₂O in Ethanol als flüssiges Medium vermischt. Das gemischte Pulver (1 g) wird getrocknet und in der gleichen Vorrichtung und unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 heiß verpreßt. Der Sinterkörper ist gräulich und nicht-transparent und besitzt eine Dichte von 3,11 g/cm³, eine thermische Leitfähigkeit von 35 W/m · K und eine 3-Punkt-Biegefestigkeit bei 1200°C von durchschnittlich 251 N/mm².

Vergleichsbeispiel 4 a) Herstellung des Aluminiumnitridpulvers

20 g Aluminiumoxid mit einer Reinheit von 98,5% und einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,0 µm und 16 g Ruß mit einem Aschegehalt von 0,15 Gew.-% und einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,44 µm werden einheitlich in Ethanol in einer Kugelmühle vermischt, welche aus einem Topf aus Nylon und mit Nylon beschichteten Kugeln besteht. Das Gemisch wird unter Bildung von AlN-Pulver umgesetzt und oxidiert. Das entstehende Pulver ist gräulich-weiß und besitzt einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,8 µm, wobei der Anteil an Teilchen mit einem Teilchendurchmesser nicht über 3 µm 75 Vol.-% beträgt. Die Analysenwerte des Pulvers sind in Tabelle V zusammengestellt.
ElementGehalt

Mg130 ppm Cr260 ppm Si3600 ppm Zr50 ppm Fe2100 ppm Cu10 ppm Mn50 ppm Ni310 ppm Ti180 ppm Co60 ppm Al64,6 Gew.-% N32,9 Gew.-% O1,8 Gew.-% C0,13 Gew.-%

b) Herstellung des Sinterkörpers

1 g dieses Pulvers wird in der gleichen Vorrichtung und unter den gleichen Sinterbedingungen wie in Beispiel 1 heiß verpreßt. Der entstehende Sinterkörper ist gräulich-schwarz und nicht-transparent und besitzt eine Dichte von 3,22 g/cm³, eine thermische Leitfähigkeit von 33 W/m · K und eine 3-Punkt-Biegefestigkeit bei 1200°C von durchschnittlich 268,8 N/mm².

Claims

1. Gesinterter Körper aus Aluminiumnitrid, der eine Dichte von mindestens 2,9 g/cm³ und einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß er lichtdurchlässig ist und daß er aus mindestens 97 Gew.-% Aluminiumnitrid, höchstens 1,5 Gew.-% gebundenem Sauerstoff und einem Gehalt an Verunreinigungen von höchstens 0,5 Gew.-% in Form von Metallverbindungen, Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen, berechnet als Metall und/oder Kohlenstoff, besteht, wobei das Metall der Metallverbindungen Silicium, Mangan, Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink oder Titan ist.

2. Gesinterter Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an gebundenem Sauerstoff höchstens 0,75 Gew.-% beträgt.

3. Gesinterter Körper aus Aluminiumnitrid, der eine Dichte von mindestens 3,0 g/cm³, einen niedrigen Sauerstoffgehalt und als Sinterhilfsmittel Oxide mindestens eines Metalls, ausgewählt aus der Gruppe Erdalkalimetalle, Metalle der Lanthangruppe und Yttrium oder eine ihrer Verbindungen, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der gesinterte Körper lichtdurchlässig ist, aus mindestens 93 Gew.-% Aluminiumnitrid, höchstens 3,5 Gew.-% gebundenem Sauerstoff, 0,02 bis 5,0 Gew.-% des Sinterhilfsmittels, berechnet als Oxid mit der höchsten Atomwertigkeit, besteht und einen Gehalt an Verunreinigungen von höchstens 0,5 Gew.-% in Form von Metallverbindungen, Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen, berechnet als Metall und/oder Kohlenstoff, aufweist, wobei das Metall der Metallverbindungen Silicium, Mangan, Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink oder Titan ist.

4. Gesinterter Körper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an gebundenem Sauerstoff höchstens 2,0 Gew.-% beträgt.

5. Gesinterter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Verunreinigungen höchstens 0,3 Gew.-%, berechnet als Metall und/oder Kohlenstoff, beträgt.

6. Gesinterter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der Metallverbindungen, die als Verunreinigungen vorhanden sind, Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink oder Titan ist und daß der Gesamtgehalt an diesen Verunreinigungen höchstens 0,1 Gew.-%, berechnet als Metall, beträgt.

7. Gesinterter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Dichte von mindestens 3,16 g/cm³ aufweist.

8. Gesinterter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Absorptionskoeffizienten von höchstens 68 cm^-1, berechnet von der In-Linien-Durchlässigkeit gegenüber Licht, mit einer Wellenlänge von 6 µm aufweist.

9. Gesinterter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 42 W/m · K besitzt.

10. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Körpers aus Aluminiumnitrid nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man feines Aluminiumnitridpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 2 µm und einem Gehalt an mindestens 97 Gew.-% Aluminiumnitrid, höchstens 3,0 Gew.-% gebundenem Sauerstoff und einem Gehalt an Verunreinigungen von höchstens 0,5 Gew.-% in Form von Metallverbindungen, Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen, berechnet als Metall und/oder Kohlenstoff, verformt, wobei das Metall der Metallverbindungen Silicium, Mangan, Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink oder Titan ist, und den geformten Gegenstand bei einer Temperatur von 1700 bis 2100°C in einer inerten Atmosphäre sintert.

11. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Körpers aus Aluminiumnitrid nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man feines Aluminiumnitridpulver, das mindestens 93 Gew.-% Aluminiumnitrid, höchstens 4,5 Gew.-% gebundenen Sauerstoff und einen Gehalt an Verunreinigungen von höchstens 0,5 Gew.-% in Form von Metallverbindungen, Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen, berechnet als Metall und/oder Kohlenstoff, enthält, wobei das Metall der Metallverbindungen Silicium, Mangan, Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink oder Titan ist, und zusätzlich 0,02 bis 5,0 Gew.-% eines Oxids mit der höchstens Atomwertigkeit von mindestens einem Metallelement, ausgewählt aus der Gruppe Erdalkalimetalle, Metalle der Lanthangruppe und Yttrium oder einer Verbindung davon, formt und den geformten Gegenstand bei einer Temperatur von 1600 bis 2100°C in Inertatmosphäre sintert.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern bei einem Druck von mindestens 196 N/mm² erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern im wesentlichen ohne Anwendung von Druck durchgeführt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern im Vakuum durchgeführt wird.