DE3348407C2 - Lichtdurchlässiger, gesinterter Körper aus Aluminiumnitrid und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Lichtdurchlässiger, gesinterter Körper aus Aluminiumnitrid und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft einen lichtdurchlässigen, gesinterten Körper aus Aluminiumnitrid, der eine Dichte von mindestens 3,0 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, Korrosi­ onsbeständigkeit und Festigkeit, aufweist. Da Aluminiumni­ tridpulver für Sinterkörper unvermeidlich verschiedene Ver­ unreinigungen in Abhängigkeit von dem Verfahren zu seiner Herstellung enthält, ist seine Sinterfähigkeit nicht ausrei­ chend, und es ist schwierig, kompakte Sinterkörper und hoch­ reine 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 be­ zeichnet und besteht darin, daß man metallisches Aluminium­ pulver 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 der Pulverisierung des Nitrids zu einer Teilchengröße unter mehreren Mikrometer 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 Aluminiumni­ tridpulver, welches unvermeidlich nichtumgesetztes, metalli­ sches 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 Nitridierverfah­ rens ist es schwierig, Aluminiumnitridpulver mit einer aus­ reichend kleinen und einheitlichen Teilchengröße herzustel­ len. Da die Oxidation der Oberfläche des Aluminiumnitridpul­ vers während der Pulverisierung nicht vermieden werden kann, enthält das mittels des direkten Nitridierverfahrens erhal­ tene Aluminiumnitridpulver gewöhnlich 2 bis 5 Gew.-% oder gar noch mehr Sauerstoff.
Das zweite Aluminiumoxid-Reduktionsverfahren wird im allge­ meinen als besseres Verfahren als das direkte Nitridierver­ fahren angesehen, da man ein Aluminiumnitridpulver mit einer relativ einheitlichen Teilchengröße erhält. Zur Herstellung von Teilchen mit einer Größe unter mehreren Mikrometer kann man jedoch nicht auf die Durchführung einer Pulverisierungsstufe verzichten. Weiterhin kann der Gehalt an nichtumgesetztem Aluminiumoxid nicht extrem reduziert werden. Demzufolge be­ sitzt das zweite Verfahren, ähnlich wie das direkte Nitri­ dierverfahren, den Nachteil, daß man ein Aluminiumnitridpul­ ver geringer Reinheit erhält. Aluminiumnitridpulver, die nach diesem Verfahren hergestellt wurden, besitzen keine zu­ friedenstellende Reinheit und besitzen im allgemeinen eine schwarze oder graue Farbe. Gewöhnlich weisen daher aus die­ sen Pulvern erhaltene Sinterkörper keine Lichtdurchlässig­ keitseigenschaften auf.
In der EP-0 075 857-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 kost­ spielig, 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-Sinterkörper mit Lichtdurchlässigkeitseigenschaf­ ten nicht bekannt, und in dieser Literaturstelle werden kei­ nerlei Aluminiumnitrid-Sinterkörper mit Lichtdurchlässigkeit beschrieben. In dieser Literaturstelle wird außerdem angege­ ben, 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 vor­ handen ist. Dieser Sauerstoff dient dazu, eine spinelle Struktur als feste Lösung zum Zeitpunkt des Sinterns zu er­ geben, wodurch die Eigenschaften des AlN nachteilig beein­ flußt 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 be­ schrieben, daß Ti, Zr und ähnliche zusammen als Sinterhilfs­ mittel verwendet werden können (vgl. Seite 6, Zeile 12 bis 16).
Special Ceramics 6, British Ceramic Research Association, Sn. 39-50, Juli 1974 betrifft eine Untersuchung über das Sin­ terverhalten von Aluminiumnitrid. Im ersten Satz des "Abstracts" die­ ses Dokuments wird ausgeführt, daß es durch geringe Zugaben von Nickel, Kobalt und Eisen möglich ist, Aluminiumnitrid unterhalb von 2000°C bis zur theoretischen Dichte zu sintern. Weiterhin heißt es im letzten Absatz auf Seite 39 des Dokuments, daß es gelang das Sintern von AIN durch Zugabe von kleinen Mengen an Eisengruppen- Metallen zu aktivieren. Die Zusätze ermöglichten es, das AIN nahezu bis zur theoretischen Dichte ohne Heißpressen zu sintern. Daraus folgt, daß nur unter Zugabe von 1 bis 2% Nickel, Kobalt oder Eisen - vorzugsweise Nickel - kompakte AlN-Körper erhalten werden können, die eine hohe Dichte aufweisen. Solche AlN-Körper sind jedoch nicht lichtdurchlässig.
Technical Information Series, 82 CRD 162, General Electric Co., beschreibt die Herstellung von Aluminiumnitridpulvern mit einer Kationenreinheit von 99,99% und einem Sauerstoffge­ halt < 0,2 Gew.-%. Der Hinweis der Einflußnahme von Verunreinigun­ gen auf eine zu erwartende Lichtdurchlässigkeit bei AlN bezieht sich dabei lediglich auf das hochreine AlN-Pulver. Um dieses Aluminiumnitrid herzu­ stellen, wird zunächst (NH4)3AlF6 zu (NH4)3AlF3 zer­ setzt und anschließend das AlF3 mit NH3 bei 800 bis 1000°C umgesetzt (vgl. Zusammenfassung). Das durch dieses Verfahren hergestellte Aluminiumnitridpulver besitzt eine Form, die in der linken Spalte auf Seite 6 des Dokuments (vgl. Zeilen 4 bis 5) als "rod shaped" beschrieben wird. Außerdem wird in der linken Spalte auf Seite 6 weiterhin festgestellt, daß die Teilchen auch "sehr agglomeriert" waren.
Wenn jedoch ein Aluminiumnitrid, das aus hochagglome­ rierten Teilchen besteht, als Ausgangsmaterial in ei­ nem Sinterungsprozeß eingesetzt wird, nimmt weder die Dichte des erhaltenen gesinterten Körpers zu, noch läßt sich daraus ein lichtdurchlässiger Sinterkörper erhalten.
Erfindungsgemäß soll ein lichtdurchlässiger Sinterkörper aus Aluminiumnitrid mit hoher Reinheit und hoher Dichte und ein Verfahren zu seiner Herstellung bereitgestellt werden.
Die Erfindung betrifft einen lichtdurchlässigen gesinterten Körper aus Aluminiumnitrid mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1.
Der Ausdruck "gebundener Sauerstoff" bedeutet, daß der Sauer­ stoff in dem gesinterten Körper gebunden als Metalloxid vor­ liegt, insbesondere daß der Sauerstoff als Metalloxidverbin­ dungen, Aluminiumoxid oder Metalloxid eines als Sinterhilfs­ mittel zugegebenen Metalls vorliegt.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstel­ lung des lichtdurchlässigen Körpers aus Aluminiumnitrid mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.
Der erfindungsgemäße Sinterkörper besitzt hohe Reinheit und Lichtdurchlässigkeitseigenschaft.
Dieses Ausgangsmaterial wird in der DE-OS 33 33 406 be­ schrieben. Das bevorzugte Aluminiumnitridpulver ergibt einen Sinterkörper mit besonders guten Lichtdurchlässigkeitseigen­ schaften.
Der Gehalt an gebundenem Sauerstoff und der Gehalt an Verun­ reinigungen beeinflussen stark die Sinterfähigkeit des Alu­ miniumnitrids und die Lichtdurchlässigkeitseigenschaft des entstehenden Sinterkörpers. Bevorzugt beträgt der Gehalt an gebundenem Sauerstoff höchstens 1,5 Gew.-%.
Die Metallverbindungen, die als Verunreinigungen vorhanden sind, können aus Verunreinigungen stammen, die in dem Alumi­ niumoxid und Kohlenstoff vorhanden sind, oder sie können aus Lösungsmitteln, Mischvorrichtungen, Leitungen etc. stammen, die während des Herstellungsverfahrens eingesetzt werden.
Unter diesen Verunreinigungen beeinflussen das nichtumge­ setzte Aluminiumoxid und Kohlenstoff sowie das durch Oxida­ tion der Oberfläche von Aluminiumnitrid gebildete Alumini­ umoxid nicht wesentlich die Eigenschaften des Aluminiumni­ trids bzw. Sinterkörpers. Beispielsweise beeinflußt der Ein­ schluß 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 Ein­ schluß dieser Komponenten minimal gehalten werden. Um dem gesinterten Aluminiumnitrid eine ausreichende Lichtdurchläs­ sigkeitseigenschaft zu verleihen, enthält das feine Alumini­ umnitridpulver nur weniger als 0,1 Gew.-% an Verunreinigungen, bezogen auf die Gesamtmenge an Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink und Titan.
Das feine Aluminiumnitridpulver besitzt einen durchschnitt­ lichen Teilchendurchmesser nicht über 2 µm. Wenn sein durch­ schnittlicher Durchmesser diese Grenze überschreitet, nimmt seine Sinterfähigkeit stark ab.
Das Aluminiumnitrid ist, wie oben angegeben, sehr rein, und sein Gehalt an gebundenem Sauerstoff beträgt höchstens 3,5 Gew.-%. Man hat bisher angenommen, daß ein feines Alumi­ niumnitridpulver 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.-% erforder­ lich. 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 Alumini­ umnitridpulver mit hoher Reinheit erhalten, indem man die Sinterstufe in Anwesenheit eines Sinterhilfsmittels durch­ führt.
Bei dem obigen erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Sinterkörpers aus Aluminiumnitrid mit hoher Reinheit und hoher Dichte erfolgt das Sintern durch Erhitzen des ent­ stehenden rohen geformten Gegenstandes bei einer hohen Tem­ peratur in einer inerten Atmosphäre. Bei diesem Verfahren kann das Sintern als Heißpreßsintern oder als druckloses Sintern durchgeführt werden. Bei dem Heißpreßsintern ist die Festigkeit der Druckform ein begrenzender Druck, und norma­ lerweise werden Drücke nicht über 343 bar ausgewählt. Indu­ striell 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 ge­ formte Gegenstand bei einem Druck von mindestens 196 bar, vorzugsweise 490 bis 196 bar, hergestellt. Das Sintern er­ folgt in einer inerten Atmosphäre, insbesondere einer nicht­ oxidierenden Atmosphäre, beispielsweise in einer Stickstoff­ atmosphäre.
Die Sintertemperatur beträgt 1600 bis 2100°C, bevorzugt 1650 bis 2000°C.
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 wirk­ same Sinterhilfsmittel für Aluminiumnitrid sind. Untersu­ chungen der Anmelderin haben gezeigt, daß diese Metallver­ bindungen nicht nur als Sinterhilfsmittel, sondern ebenfalls als Mittel zur Verbesserung der Lichtdurchlässigkeitseigen­ schaften wirken und dadurch die Lichtdurchlässigkeitseigen­ schaften des Sinterkörpers aus Aluminiumnitrid verbessern, verbunden mit der hohen Reinheit des erfindungsgemäßen fei­ nen Aluminiumnitridpulvers.
Von den Erdalkalimetallen sind Calcium, Strontium und Barium besonders gute Verbesserer für die Lichtdurchlässigkeitsei­ genschaften.
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.-%, verwen­ det.
Der erfindungsgemäße Sinterkörper aus Aluminiumnitrid wird beispielsweise als keramisches Material mit hoher Wärmeleit­ fähigkeit in Hitze freisetzenden Platten, Materialien für Wärmeaustauscher, Substraten für stereophone Systeme oder Videoverstärker und Substraten für IC verwendet. Durch Aus­ nutzung seiner ausgezeichneten Lichtdurchlässigkeitseigen­ schaft kann er als Fenstermaterial für Sensoren unter Ver­ wendung 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 Wel­ len zu transmittieren, ausgenutzt wird, sowie als Spezial­ fenstermaterial, das Lichtdurchlässigkeitseigenschaften bei hohen Temperaturen erfordert.
Die Lichtdurchlässigkeit eines Sinterkörpers aus Aluminium­ nitrid wird aus der folgenden Gleichung berechnet:
worin Io die Intensität des einfallenden Lichts, I die Intensität des durchgegangenen Lichts, R die Reflexionsfä­ higkeit, t die Dicke des Sinterkörpers und µ den Absorpti­ onskoeffizienten bedeuten. R wird in Abhängigkeit von dem Brechungsindex des Sinterkörpers bestimmt. Wenn der Bre­ chungsindex 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 Lichtdurchlässig­ keitseigenschaft des Sinterkörpers, und die folgenden bei­ spielhaften Werte von R wurden entsprechend Gleichung (1) bestimmt.
Die Herstellung des als Ausgangsmaterial verwendeten Alumi­ niumnitridpulvers erfolgt wie in der DE-OS 33 33 406 be­ schrieben. Es wurden verschiedene Aluminiumnitridpulver (B), (X) und (C) hergestellt, deren Eigenschaften in der folgenden Tabelle I angegeben sind.
Zum Vergleich wurden zwei nicht erfindungsgemäße Aluminium­ nitridpulver hergestellt (Vergleichsbeispiele 1 und 2), deren Eigenschaften ebenfalls in der folgenden Tabelle I an­ gegeben sind.
Beispiel 1
10 g Aluminiumnitridpulver B werden-mit 0,2 Gew.-% (als CaO) von Ca(NO3)2.4H2O unter Verwendung von Ethanol als flüssi­ gem Medium in einem Polyethylen-Mörser unter Verwendung eines Pistills aus Polyethylen vermischt. Das Gemisch wird getrocknet und 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 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 gefun­ den, daß er eine einzige Phase von AlN darstellt. Der Sin­ terkörper hat einen AlN-Gehalt von 97,8 Gew.-%, einen Sauer­ stoffgehalt 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 Ab­ hängigkeit der Lichtdurchlässigkeit dieses Sinterkörpers gegenüber Wellenlängen von Licht, und Fig. 2 zeigt eine Pho­ tographie des Aussehens des Sinterkörpers.
Eine Scheibe mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Dicke von etwa 3 mm, erhalten durch Heißverpressen unter den glei­ chen Bedingungen wie oben, wird unter Bildung eines recht­ eckigen Stabs mit einer Größe von 3,8×3×35 mm zerschnit­ ten. 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 be­ stimmt. Sie beträgt im Durchschnitt 442 N/mm2 bei 1200°C.
Beispiel 2
10 g Aluminiumnitridpulver B werden mit jedem der verschie­ denen, in Tabelle II gezeigten Additive vermischt. Die ent­ stehenden Gemische werden jeweils gemäß dem Verfahren des Beispiels 1 unter Bildung von Sinterkörpern heiß verpreßt. Die Ergebnisse sind in Tabelle II aufgeführt.
Beispiel 3
10 g Aluminiumnitridpulver B werden einheitlich mit 3,0 Gew.-% (als CaO) Ca(NO3)2.4H2O in Ethanol als Disper­ sionsmedium vermischt. Das Gemisch wird getrocknet, in einer Form mit einem Durchmesser von 20 mm verpreßt und isosta­ tisch 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-Schmelztie­ gel gegeben und 3 Stunden bei 1900°C in Stickstoffgas bei 0,98 bar in einem Hochfrequenz-Induktionsofen unter Verwen­ dung eines Graphit-Wärmegenerators erhitzt. Vor dem Sintern besitzt der geformte Gegenstand eine Dichte von 1,73 g/cm3. Der Sinterkörper ist gelblich und semi-transparent und be­ sitzt 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 Wellen­ länge von 6 µm von 28% (µ = 23 cm-1).
Beispiel 4
10 g Aluminiumnitridpulver B werden mit jedem der verschie­ denen, in Tabelle III aufgeführten Additive gemäß Beispiel 3 vermischt. Die Gemische werden jeweils einem drucklosen Sin­ tern unter den gleichen Sinterbedingungen und mit der glei­ chen Sintervorrichtung wie in Beispiel 3 unterworfen. Die Ergebnisse sind in Tabelle III aufgeführt.
Beispiel 5
10 g AlN-Pulver X werden mit 0,5 Gew.-% (als Y2O3) Y(NO3)3.6H2O in Ethanol als flüssiges Medium vermischt. 1 g des Gemisches wird getrocknet und dann 2 Stunden 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 Sau­ erstoffgehalt von 1,5 Gew.-% und eine thermische Leitfähig­ keit von 56 W/m.K. Wird der Sinterkörper auf eine Dicke von 0,5 mm poliert, so beträgt seine Lichtdurchlässigkeit gegen­ über Licht mit einer Wellenlänge von 6 µm 20% (µ = 29 cm-1).
Beispiel 6
10 g AlN-Pulver X werden einheitlich mit 4,0 Gew.-% (als CaO) Ca(NO3)2.4H2O in Ethanol als flüssiges Disper­ sionsmedium vermischt. 1 g des Gemisches wird getrocknet und dann einem drucklosen Sintern unter den gleichen Sinterbe­ dingungen und in der gleichen Vorrichtung wie in Beispiel 3 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 7
10 g AlN-Pulver C werden einheitlich mit 0,2 Gew.-% (als BaO) Ba(NO3)2 in Ethanol als flüssiges Medium ver­ mischt. Das gemischte Pulver (l 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 Lichtdurchläs­ sigkeit 8% gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 6 µm (µ = 48 cm-1).
Vergleichsbeispiel 1
Das Pulver gemäß Vergleichsbeispiel 1 (Tabelle I) wird in der gleichen Vorrichtung und unter den gleichen Sinterbedin­ gungen 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 be­ trägt bei 1200°C durchschnittlich 199 N/mm2.
Vergleichsbeispiel 2
20 g Aluminiumoxid mit einer Reinheit von 99,6% und einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 3,6 µm sowie 10 g Ruß mit einem Aschegehalt von 0,08 Gew.-% werden in Ethanol als Dispersionsmedium in einer Kugelmühle vermischt, welche aus einem Topf und Kugeln, mit Nylon beschichtet, besteht Das Gemisch wird in der gleichen Vorrichtung und unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 umgesetzt und oxi­ diert. Das entstehende Pulver ist weiß und besitzt einen AlN-Gehalt von 96,1 Gew.-%, einen Sauerstoffgehalt von 1,9 Gew.-% und einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 3,9 µm, wobei der Anteil an Teilchen mit einem Teil­ chendurchmesser unter 3 µm 33 Vol.-% beträgt.
Das Pulver wird in der gleichen Vorrichtung und unter den gleichen Sinterbedingungen wie in Beispiel 2 heiß verpreßt. Der entstehende Sinterkörper ist gräulich und nicht-trans­ parent und besitzt eine Dichte von 2,98 g/cm3 und eine 3-Punkt-Biegefestigkeit bei 1200°C von durchschnittlich 244 N/mm2 (24,9 kg/mm2).
Vergleichsbeispiel 3
10 g AlN-Pulver gemäß Vergleichsbeispiel 2 wer­ den 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 durch­ schnittlichen Teilchendurchmesser von 0,44 µm werden ein­ heitlich 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 umge­ setzt und oxidiert. Das entstehende Pulver ist gräulich-weiß und besitzt einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1,8 µm, wobei der Anteil an Teilchen mit einem Teilchen­ durchmesser nicht über 3 µm 75 Vol.-% beträgt. Die Analysen­ werte des Pulvers sind in Tabelle IV zusammengestellt.
Tabelle IV Analysenwerte von AlN-Pulver (AlN-Gehalt: 96,4%)
Element
Gehalt
Mg 130 ppm
Cr 260 ppm
Si 3600 ppm
Zr 50 ppm
Fe 2100 ppm
Cu 10 ppm
Mn 50 ppm
Ni 310 ppm
Ti 180 ppm
Co 60 ppm
Al 64,6 Gew.-%
N 32,9 Gew.-%
O 1,8 Gew.-%
C 0,13 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 (9)

1. Lichtdurchlässiger, gesinterter Körper aus Aluminiumni­ trid, der eine Dichte von mindestens 3,0 g/cm3, einen nied­ rigen Sauerstoffgehalt und als Sinterhilfsmittel Oxide min­ destens eines Metalls, ausgewählt aus der Gruppe Erdalkali­ metalle, Metalle der Lanthangruppe und Yttrium oder einer ihrer Verbindungen, aufweist, wobei der gesinterte Körper aus mindestens 93 Gew.-% Aluminiumnitrid, höchstens 3,5 Gew.-% gebundenem Sauerstoff, 0,02 bis 5,0 Gew.-% Sinter­ hilfsmittel, berechnet als Oxid mit der höchsten Atomwer­ tigkeit, besteht und einen Gehalt an Verunreinigungen von höchstens 0,5 Gew.-% in Form von Metallverbindungen, Kohlen­ stoff und/oder Kohlenstoffverbindungen, berechnet als Metall und/oder Kohlenstoff, aufweist, wobei das Metall der Metall­ verbindungen Silicium, Mangan, Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink oder Titan ist und der Gehalt an Verunreinigun­ gen an Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink und Titan höchstens 0,1 Gew.-%, berechnet als Metall, beträgt, und wobei der gesinterte Körper einem Absorptionskoeffizienten von höchstens 68 cm-1, berechnet von der In-Linien-Durchläs­ sigkeit gegenüber Licht mit einer Wellenlänge von 6 µm, auf­ weist.
2. Gesinterter Körper nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gehalt an gebundenem Sau­ erstoff höchstens 2,0 Gew.-% beträgt.
3. Gesinterter Körper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Dichte von mindestens 3,16 g/cm3 aufweist.
4. Gesinterter Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er eine thermi­ sche Leitfähigkeit von mindestens 42 W/m.K besitzt.
5. Verfahren zur Herstellung eines lichtdurchlässigen gesinterten Körpers aus Aluminiumnitrid nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man feines Aluminiumni­ tridpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 2 µm und einem Gehalt von mindestens 93 Gew.-% Aluminiumnitrid, höchstens 3,5 Gew.-% gebundenem Sauerstoff und einem Gehalt an Verunreinigungen von höch­ stens 0,5 Gew.-% in Form von Metallverbindungen, Kohlenstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen, berechnet als Metall und/oder Kohlenstoff, wobei das Metall der Metallverbindungen Silicium, Mangan, Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink oder Titan ist, wobei der Gehalt an Verunreinigungen an Ei­ sen, Chrom, Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink und Titan höchstens 0,1 Gew.-%, berechnet als Metall, beträgt,
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, einformt und das eingeformte Material bei einer Temperatur von 1600 bis 2100°C unter inerten Bedingungen sintert.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sintern bei einem Druck von min­ destens 19,6 bar erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern im wesentli­ chen ohne Anwendung von Druck durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sintern im Vakuum durchgeführt wird.
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