DE3534825A1

DE3534825A1 - Verfahren zum herstellen eines keramikkoerpers hoher thermischer leitfaehigkeit

Info

Publication number: DE3534825A1
Application number: DE19853534825
Authority: DE
Inventors: Carl Francis Burnt Hills N.Y. Bobik; Irvin Charles Schenectady N.Y. Buseby
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-10-01
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1986-04-30
Anticipated expiration: 2005-10-01
Also published as: DE3534825C2; GB8524008D0; JPH075372B2; US4578234A; GB2165263B; GB2165263A; JPS6191068A

Description

· Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Fluessigphasen- gesinterten Koerpers aus polykristallinem Aluminiumnitrid mit einer thermischen Leitfaehigkeit von mehr als 1,00 W/cm ⁰K bei 25 ⁰C und vorzugswweise von mehr als 1,42 W/cm ⁰K bei 25

C. Gemaess einem Aspekt des erfindungsgemaessen Verfahrens wird Aluminiumnitrid zu einem gewissen Ausmass mittels Kohlenstoff desoxidiert und dann wird es weiter desoxidiert und/oder gesintert unter Einsatz von Yttriumoxid zur Herstellung der erfindungsgemaessen Keramik.

Ein geeignet reiner Aluminiumnitrid- Einkristall, der 300 ppm geloesten Sauerstoff enthaelt, hat bei Zimmertemperatur eine thermische Leitfaehigkeit von 2,8 W/cm ⁰K, die fast so hoch ist, wie die eines BeO- Einkristalls, die 3,7 W/cm ⁰K betraegt und die sehr viel hoeher ist, als die von Al₂O₃- Einkristall, die 0,44 W/cm ⁰K betraegt. Die,thermische Leitfaehigkeit eines Aluminiumnitrid- Einkristalls ist eine starke Punktion des geloesten Sauerstoffes, und sie nimmt mit einer Zunahme des geloesten Sauerstoffgehaltes ab. So betraegt z.B. die thermische Leitfaehigkeit von Aluminiumnitrid- Einkristall mit 0,8 Gew.- % geloestem Sauerstoff etwa 0,8 W/cm ⁰K.

Aluminiumnitrid- Pulver hat eine Affinitaet fuer Sauerstoff, insbesondere wenn seine Oberflaeche nicht von einem Oxid bedeckt ist. Die Einfuehrung von Sauerstoff in das Aluminiumnitrid- Gitter in Aluminiumnitrid- Pulver fuehrt zur Bildung von Al- Fehlstellen

35 nach der folgenden Gleichung:

(1) SN"³ - 30"² + V

(N"³) (N"³) (Al⁺³)

Auf diese Weise bildet die Einfuehrung von 3 Sauerstoffatomen auf 3 Stickstoffplaetzen eine Fehlstelle auf einer Aluminiumstelle. Die Anwesenheit von Sauerstoffatomen auf Stickstoffstellen hat wahrscheinlich einen vernachlaessigbaren Einfluss auf die thermische Leitfaehigkeit von AlN. Wegen des grossen Unterschiedes hinsichtlich der Masse zwischen einem Aluminiumatom und einer Fehlstelle hat jedoch die Anwesenheit von Fehlstellen auf Aluminiumstellen einen starken Einfluss auf die thermische Leitfaehigkeit von AlN und ist, fuer alle praktischen Zwecke, wahrscheinlich fuer die gesamte Abnahme der thermischen Leitfaehigkeit von AlN verantwortlich.

Es gibt ueblicherweise 3 verschiedene Quellen von Sauerstoff in nominell reinem AlN- Pulver. Die erste Quelle sind diskrete Al₃O₃- Teilchen. Die zweite Quelle ist ein Oxidueberzug, vielleicht als Al₂O₃, der die AlN- Pulverteilchen bedeckt. Quelle

Nr. 3 ist im AlN- Gitter in Loesung befindlicher Sauerstoff. Die Sauerstoffmenge, die im AlN- Pulver im AlN- Gitter vorhanden ist, haengt von dem Herstellungsverfahren des AlN- Pulvers ab. Weiterer Sauerstoff kann in das AlN- Gitter dadurch eingefuehrt, dass man das AlN- Pulver auf erhoehte Temperaturen erhitzt. Messungen zeigen, dass bei etwa 1900 ⁰C das AlN- Gitter etwa 1,2 Gew.- % Sauerstoff loesen kann. In der vorliegenden Erfindung bedeutet Sauerstoffgehalt des AlN- Pulvers, dass Sauerstoff eingeschlossen ist, der als Quelle Nr. 1, Nr. 2 und Nr. 3 vorhanden ist. In der

vorliegenden Erfindung kann der Sauerstoff, der im AlN- Pulver als Quelle Nr.1, 2 und 3 vorhanden ist, durch Einsatz von freiem Kohlenstoff entfernt werden, und das Ausmass der Sauerstoffentfernung durch Kohlenstoff haengt hauptsaechlich von der fuer den jeweiligen Sinterkoerper gewuenschten Zusammensetzung ab.

Nach der vorliegenden Erfindung kann Aluminiumnitrid- Pulver in Luft verarbeitet werden und doch zu einem Keramikkoerper mit einer thermischen Leitfaehigkeit von mehr als 1,00 W/cm ⁰K bei 25 ⁰C und vorzugsweise von mehr als 1,42 W/cm K bei 25 C fuehren.

Gemaess einer Ausfuehrungsform der vorliegenden Erfindung wird das Aluminiumnitrid in einem Pressling, der zusammengesetzt ist aus teilchenfoermigem Aluminiumnitrid bekannten Sauerstoffgehaltes, freiem Kohlenstoff und Yttriumoxid, durch Kohlenstoff desoxidiert und bildet eine erwuenschte zusammensetzung an Al, N, Y und O in Aequivalentprozent und der desoxidierte Pressling wird dann mittels einer _t fluessigen Phase gesintert, die hauptsaechlich Y und O und eine geringere Menge an Al und N enthaelt.

Der Fachmann wird aufgrund der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung, die einen Teil der Beschreibung bildet, ein besseres Verstehen der vorliegenden Erfindung gewinnen.

30 Im einzelnen zeigen:

Figur 1 ist ein Zusammensetzungsdiagramm, das die Subsolidus- Phasengleichgewichte im reziproken ternaeren System aus AlN, YN, Y₂°3 ^{und A1}2°3 zeigt. Figur 1 ist aufgetragen in Aequivalentprozent und laengs jeder Ordinatenachse ist der Aequivalentprozentgehalt an Sauerstoff angegeben (der Aequivalentpro-

zentgehalt an Stickstoff ist 100 % minus dem Aequivalentprozentgehalt an Sauerstoff). Laengs der Abszissenachsen ist der Aequivalentprozentgehalt an Yttrium aufgetragen (der Aequivalentprozentgehalt an Aluminium betraegt 100 % minus dem Aequivalentprozentgehalt an Yttrium). Figur 1 zeigt ein Beispiel einer die Ordinaten verbindenden geraden Linie ZZ¹, die die Sauerstoffgehalte eines YN- Zusatzes und eines Aluminiumnitrid- Pulvers verbindet. Vom gegebenen Aequivalentprozentgehalt an Yttrium und Aluminium an jedem Punkt auf einer die Ordinaten verbindenden Linie, die durch das Vieleck ABCDEF verlaeuft, koennen die erforderlichen Mengen an Yttrium- Zusatz und AlN zur Herstellung der Zusammensetzung dieses Punktes auf der die Ordinaten

15 verbindenden Linie errechnet werden;

Figur 2 ist eine vergroesserte Ansicht des Abschnittes der Figur 1, der sich unten rechts befindet; Figur 3 ist ein Zusammensetzungsdiagramm, das die Subsolidus- Phasengleichgewichte im reziproken ter-

20 naeren System aus AlN, YN, ^₂O₃ und Al₂O₃

zeigt. Figur 3 ist in Aequivalentprozent aufgetragen und entlang jeder Ordinatenachse ist der,Aequivalentprozentgehalt an Sauerstoff gezeigt (der Aequivalentprozentgehalt an Stickstoff betraegt 100 % minus dem Aequivalentprozentgehalt an Sauerstoff). Laengs der Abszissenachsen ist der Aequivalentprozentgehalt an Yttrium gezeigt (der Aequivalentprozentgehalt an Aluminium betraegt 100 % minus dem Aequivalentprozentgehalt an Yttrium). In Figur 3 umfasst das Vieleck JKLM, ausgenommen die Linie MJ, die Zusammensetzung des Sinterkoerpers, der mit dem erfindungsgemaessen Verfahren erhalten wird;

Figur 4 ist eine vergroesserte Ansicht des Abschnittes der Figur 3, der das Vieleck JKLM zeigt und Figur 5 ist Schliffbild (in 1000- fächer Vergroesserung) eines polierten Querschnittes eines poly-

• /10-

kristallinen Koerpers, der nach dem erfindungsgemaessen Verfahren erhalten wurde, worin die heller gefaerbte Phase AlN ist und die dunkler gefaerbte Phase ist eine zweite Phase, die zusammengesetzt ist aus Y₂O₃ ^und Y₄Al₂O₉.

Die Figuren 1 und 3 zeigen das gleiche Zusammensetzungsdiagramm, naemlich die Subsolidus- Phasengleichgewichte in dem reziproken ternaeren System, das

10 zusammengesetzt ist aus AlN, YN, Y₂°3 ^{und A1}2°3

und sie unterscheiden sich nur darin, dass die Pigur 1 das Vieleck ABCDEP und die Linie ZZ¹ zeigt, waehrend die Figur 3 das Vieleck JKLM wiedergibt. Die durch das Vieleck ABCDEF definierte und umfasste Zusammenfassung schliesst die Zusammensetzung des Vieleckes JKLM ein.

Die Figuren 1 und 2 wurden algebraisch auf der Grundlagen von Daten entwickelt, die erzeugt wurden durch Bilden einer teilchenfoermigen Mischung von YN vorbestimmten Sauerstoffgehaltes und AlN- Pulver vorbestimmten Sauerstoffgehaltes, und in wenigen Faellen einer Mischung von AlN- , YN- und Y₂O₃- Pulvern, unter Stickstoffgas, Formen der Mischung zu einem Pressling unter Stickstoffgas und Sintern des Presslings fuer eine Zeitdauer von 1 bis 1,5 h bei Sintertemperaturen im Bereich von etwa 1860 bis etwa 2050 ⁰C in Stickstoffgas bei Atmosphaerendruck. Mehr im besonderen wurde die gesamte Prozedur vom Mischen der Pulver bis zum Sintern des daraus gebildeten Presslings in einer nicht oxidierenden Stickstoffatmosphaere ausgefuehrt.

Das Vieleck JKLM der Figuren 3 und 4 wurde ebenfalls algebraisch entwickelt, und zwar auf der Basis von Daten, die erhalten wurden durch die Beispiele der vorliegenden Anmeldung, sowie andere Versuche, die aehnlich den Beispielen der vorliegenden Anmeldung aus-

gefuehrt wurden.

Das beste Verfahren, Phasengleichgewichte aufzutragen, die Oxynitride und zwei verschiedene Metallatome einschliessen, wobei die Metallatome die Valenz nicht veraendern, besteht darin, die Zusammensetzungen als ein reziprokes ternaeres System aufzutragen, wie die in den Figuren 1 und 3 geschehen ist. In dem besonderen System der Figuren 1 und 3 gibt es zwei Arten von nichtmetallischen Atomen (Sauerstoff und Stickstoff) und zwei Arten von Metallatomen (Yttrium und Aluminium). Die Atome Al, Y, O und N haben angenommenerweise eine Wertigkeit von +3, +3, -2 bzw. -3. Von allen vier Atomen wird angenommen, dass sie als Oxide, Nitride oder Oxynitride vorhanden sind und dass sie sich verhalten, als haetten sie die vorgenannten Wertigkeiten.

Die Phasendiagramme der Figuren 1 bis 4 sind in Aequivalentprozent aufgetragen. Die Zahl der Aequivalente fuer jedes der genannten Elemente ist gleich der Zahl der Mole des jeweiligen Elementes multipliziert mit seiner Wertigkeit. Auf der Ordinate ist die Zahl der Sauerstoffaequivalente, multipliziert mit 100 % und dividiert durch die Summe der Sauerstoffaequivalente und der Stickstoffaequivalente, aufgetragen. Laengs der Abszisse ist die Zahl der Yttriumaequivalente, multipliziert mit 100 % und dividiert durch die Summe der Yttriumaequivalente und der Aluminiumaequivalente, aufgetragen. Alle Zusammensetzungen der Figu-

30 ren 1 bis 4 sind in dieser Weise aufgetragen.

Die Zusammensetzungen auf den Phasendiagrammen der Figuren 1 bis 4 koennen auch dazu benutzt werden, den Gewichtsprozentgehalt und den Volumenprozentgehalt der verschiedenen Phasen zu bestimmen. So kann z.B. ein bestimmter Punkt in dem Vieleck JKLM in den Figuren 3

oder 4 dazu benutzt werden, die Phasenzusammensetzung des polykristallinen Koerpers an diesem Punkt zu bestimmen.

, Die Figuren 1 bis 4 zeigen die Zusammensetzung und die Phasengleichgewichte des polykristallinen Koerpers im Festzustand.

In der aelteren US-Patentanmeldung, Serial No.

553 213 vom 18. November 1983 mit dem Titel "Aluminiumnitrid-Keramikkoerper hoher thermischer Leitfaehigkeit", auf die hiermit Bezug genommen wird, ist das Verfahren zum Herstellen eines Keramikkoerpers aus polykristallinem Aluminiumnitrid beschrieben, der eine Zusammensetzung aufweist, wie sie von der Linie ABCD, ausgenommen die Linien CD und EF der Figur 1, definiert und umfasst ist, (die als den Stand der Technik wiedergebende Figur 1 in der vorliegenden Anmeldung enthalten ist), wobei der hergestellte Koerper weiter eine Porositaet von weniger als etwa 10 Vol.- % und eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,0 W/cm ⁰K bei 22 ⁰C aufweist, und das Verfahren die folgenden Stufen umfasst:
das Herstellen einer Mischung aus Aluminiumnitrid- PuI-ver und einem Yttriumzusatz, der ausgewaehlt ist aus der Gruppe bestehend aus Yttrium, Yttriumhydrid, Yttriumnitrid und deren Mischungen, wobei Aluminiumnitrid und Yttriumzusatz einen vorbestimmten Sauerstoffgehalt aufweisen, die Mischung eine zusammensetzung hat, deren Aequivalentprozente an Yttrium, Aluminium, Stickstoff und Sauerstoff durch die Linie ABCDEF, ausgenommen die Linien CD und EF in Figur 1, definiert und umfasst sind, weiter das Formen der Mischung zu einem Pressling und das Sintern des Presslings bei einer Temperatur im

35 Bereich von etwa 1850 bis etwa 2170 ⁰C, in einer

Atmosphaere, die ausgewaehlt ist aus der Gruppe beste-

hend aus Stickstoff/ Argon, Wasserstoff und deren Mischungen zur Herstellung des polykristallinen Koerpers.

In der genannten aelteren Anmeldung mit der Serial No. 553 213 ist auch ein polykristalliner Koerper offenbart, dessen Zusammensetzung mehr als etwa 1,6 bis etwa 19,75 Aequivalentprozent Yttrium, etwa 80,25 bis etwa 98,4 Aequivalentprozent Aluminium, mehr als etwa 4 bis etwa 15,25 Aequivalentprozent Sauerstoff und etwa 84,75 bis etwa 96 Aequivalentprozent Stickstoff umfasst.

Die genannte aeltere Anmeldung mit der Serial No. 553 213 offenbart auch einen polykristallinen Koerper mit einer Phasenzusammensetzung aus AlN und einer zweiten Phase, die Y und 0 enthaelt, wobei die Gesamtmenge der zweiten Phase im Bereich von mehr als etwa 4,2 bis etwa 27,3 Vol.- %, bezogen auf das Gesamtvolumen des Koerpers, liegt, wobei der Koerper eine Porositaet von weniger als etwa 10 Vol.- % und eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,0 W/cm°K bei 22 ⁰C aufweist. ,

Kurz gesagt, umfasst das erfindungsgemaesse Verfahren zum Herstellen eines gesinterten Keramikkoerpers aus polykristallinem Aluminiumnitrid mit einer Zusammensetzung, die durch das Vieleck JKLM, ausgenommen die Linie MJ, der Figur 3 oder 4 definiert ist, wobei der Koerper eine Porositaet von weniger als etwa 10 und vorzugsweise weniger als etwa 5 Vol.- %, sowie eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,00 und vorzugsweise mehr als 1,42 W/cm°K bei 25 ⁰C aufweist, die folgenden Stufen:

(a) Bilden einer Mischung aus Aluminiumnitrid- Pulver, das Sauerstoff enthaelt, Yttriumoxid oder einem Vorlaeufer dafuer, und einem kohlenstoffhaltigen Zusatz,

der ausgewaehlt ist aus der Gruppe bestehend aus freiem Kohlenstoff, einem kohlenstoffhaltigen organischen Material und deren Mischungen, wobei das kohlenstoffhaltige organische Material sich bei einer Temperatur im

Bereich von etwa 50 bis etwa 1000 ⁰C zu freiem Kohlenstoff und gasfoermigem Zersetzungsprodukt zersetzt, das verdampft, Formen der Mischung zu einem Pressling, wobei Mischung und Pressling eine zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente an Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt L bis zum Punkt J der Figur 3 oder 4 liegt, d.h. von mehr als etwa 2,5 bis etwa 4,,9 Aequivalentprozent Yttrium und von etwa 95,1 bis weniger als etwa 97,5 Aequivalentprozent Aluminium, wobei der Pressling eine Zusammensetzung an Y, Al, O und N in Aequivalentprozent ausserhalb der Zusammensetzung hat, die durch das Vieleck JKLM der Figuren 3 oder 4 definiert und umgeben ist;

(b) Erhitzen des Presslings in einer nicht oxidierenden Atmosphaere auf eine Temperatur von bis zu etwa 1200

⁰C, wodurch Yttriumoxid und freier Kohlenstoff gebildet werden,

(c) Erhitzen des Presslings in einer stickstoffhaltigen nicht oxidierenden Atmosphaere bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1350 ⁰C bis zu einer Temperatur, die ausreicht, den Pressling zu desoxidieren, aber noch unterhalb der Temperatur, bei der ein Verschliessen der Poren auftritt, sodass der freie Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff reagiert und einen desoxidierten Pressling bildet, der eine zusammen-Setzung hat, bei der die Aequivalentprozente von Al, Y, O und N durch das Vieleck JKLM nach den Figuren 3 oder 4, ausgenommen die Linie MJ, definiert sind, und der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, dass der desoxidierte Pressling gebildet wird, und

35 (d) Sintern des desoxidierten Presslings in einer

stickstoffhaltigen, nicht-oxidierenden Atmosphaere bei

einer Temperatur von mindestens etwa 1860 C und vorzugsweise bei mindestens etwa 1890 ⁰C, zur Bildung des polykristallinen Koerpers.

. Beim erfindungsgemaessen Verfahren differiert die Zusammensetzung des desoxidierten Presslings in Aequivalentprozent, wenn ueberhaupt, nur unwesentlich von der zusammensetzung des erhaltenen Sinterkoerpers in Aequivalentprozent.

Der Sauerstoffgehalt kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch Neutronenaktivierungsanalyse bestimmt werden.

Unter Gewichtsprozent ist im Rahmen der vorliegenden Anmeldung zu verstehen, dass die Gesamtheit der Gewichtsprozente aller Komponenten 100 ergeben.

Unter Umgebungsdruck wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung atmosphaerischer oder etwa atmosphaerischer Druck verstanden.

Unter spezifischer Oberflaeche ist im Rahmen der vorliegenden Anmeldung die spezifische Oberflaeche zu verstehen, die mittels der BET- Methode ermittelt wird.

Kurz gesagt, umfasst das erfindungsgemaesse Verfahren zum Herstellen eines keramischen Sinterkoerpers aus polykristallinem Aluminiumnitrid mit einer Zusammensetzung, die durch das Vieleck UMJV der Figur 3 oder 4, ausgenommen die Linie MJ, definiert ist, mit einer Porositaet von weniger als etwa 10 Vol.- % und vorzugsweise von weniger als 2 Vol.- % und einer thermischen Leitfaehigkeit von mehr als 1,00 und vorzugsweise mehr als 1,42 W/cm °K bei 25 ⁰C gemaess einer

Ausfuehrungsform die folgenden Stufen: (a) Bilden einer Mischung aus Aluminiumnitrid- Pulver mit Sauerstoffgehalt, Yttriumoxid oder einem Vorlaeufer dafuer und einem kohlenstoffhaltigen Zusatz, der ausgewaehlt ist aus der Gruppe bestehend aus freiem Kohlenstoff, einem kohlenstoffhaltigen organischen Material und deren Mischungen, wobei das kohlenstoffhaltige organische Material sich bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50 bis 1000 ⁰C unter Bildung von freiem Kohlenstoff und gasfoermigem Zersetzungsprodukt, das verdampft, thermisch zersetzt, wobei der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberflaeche mit mehr als etwa 20 m /g hat, das Aluminiumnitrid- Pulver der Mischung

eine spezifische Oberflaeche im Bereich von etwa 3,4 2

bis etwa 10 m /g hat, das Formen der Mischung zu einem Pressling, wobei Mischung und Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente an Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt U bis zum Punkt J in Figur 3 oder 4 liegen, d.h. von mehr als etwa 2,5 Aequivalentprozent bis zu etwa 4,35 Aequivalentprozent Yttrium, und von etwa 95,65 Aequivalentprozent zu weniger als etwa 97,5 Aequivalentprozent Aluminium, wobei der Pressling eine Zusammensetzung an Y, Al, O und N in Aequivalentprozent ausserhalb der Zusammensetzung hat, die durch das Vieleck JKLM der Figur 3 oder 4 definiert und umfasst ist, das Aluminiumnitrid des Presslings Sauerstoff in einer Menge enthaelt, die von mehr als etwa 1,4 bis weniger als etwa 4,5 Gew.- % des Aluminiumnitrids umfasst,

(b) Erhitzen des Presslings in einer nicht oxidierenden Atmosphaere bei einer Temperatur bis zu etwa 1200 ⁰C, wodurch Yttriumoxid und freier Kohlenstoff gebildet werden,
(c) Erhitzen des Presslings bei Umgebungsdruck in einer nicht-oxidierenden Atmosphaere, die mindestens etwa Vol.- % Stickstoff enthaelt, bei einer Temperatur im

. S'

Bereich von etwa 1350 ⁰C bis zu einer Temperatur, die ausreicht, den Pressling zu desoxidieren, aber unterhalb der Temperatur liegt, bei der sich die Poren schliessen, wodurch sich der freie Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff umsetzt und einen desoxidierten Pressling bildet, wobei der desoxidierte Pressling eine Zusammensetzung hat, bei der die Aequivalentprozente an Al, Y, O und N durch das Vieleck UMJV der Figur 3 oder 4, ausgenommen der Linie MJ, definiert und umfasst sind, das Aluminiumnitrid des Presslings vor der Desoxidation durch den Kohlenstoff einen Sauerstoffgehalt von mehr als 1,4 bis weniger als etwa 4,5 Gew.-%, bezogen auf das Aluminiumnitrid, aufweist und der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die ausreicht, den desoxidierten Pressling zu bilden,

(d) Sintern des desoxidierten Presslings bei Umgebungsdruck in einer stickstoffhaltigen, nicht-oxidierenden Atmosphaere, die mindestens etwa 25 Vol.-% Stickstoff enthaelt, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1900 bis etwa 2050 C, vorzugsweise von etwa 1900 bis etwa 1960 °c, wobei der polykristalline Koerper erhalten wird.

Gemaess einer anderen Ausfuehrungsform umfasst das erfindungsgemaesse Verfahren zum Herstellen eines gesinterten Keramikkoerpers aus Aluminiumnitrid mit einer Zusammensetzung, wie sie durch das Vieleck JKLM der Figur 3 oder 4, ausgenommen die Linie MJ, definiert und umfasst ist, wobei der Koerper weiter eine Porositaet von weniger als etwa 10 Vol.-%, vozugsweise weniger als 5 Vol.-%, und eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,00 und vorzugsweise mehr als 1,42 W/cm°K bei 25 ⁰C aufweist, die folgenden Stufen:

(a) Verarbeiten eines Aluminiumnitrid-Pulvers zu einem Pressling zur Desoxidation mittels freiem Kohlenstoff,

indem man ein sauerstoffhaltiges Aluminiumnitrid- Ausgangspulver mit einem Sauerstoffgehalt von bis zu etwa 4,4 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid, schafft man eine Mischung aus dem genannten Aluminiumnitrid-Pulver, Yttriumoxid oder einem Vorlaeufer dafuer, und einem kohlenstoffhaltigen Zusatz, der ausgewaehlt ist aus der Gruppe bestehend aus freiem Kohlenstoff, einem organischen kohlenstoffhaltigen Material und deren Mischungen, wobei das kohlenstoffhaltige Material bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50 bis 1000 ⁰C unter Bildung von freiem Kohlenstoff und gasfoermigem Zersetzungprodukt, das verdampft, thermisch zersetzbar ist, Formen der Mischung zu einem Pressling, wobei Mischung und Pressling eine zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt L bis zum Punkt J der Figur 3 oder 4 liegen, d.h. mit einem Yttriumgehalt von mehr als etwa 2,5 bis etwa 4,9 Aequivalentprozent, und einem Aluminiumgehalt von etwa 95,1 bis weniger als etwa 97,5 Aequivalentprozent, der Pressling eine zusammensetzung von Y, Al, 0 und N in Aequivalentprozent ausserhalb der Zusammensetzung hat, die durch das Vieleck JKLM der Figur 3 oder 4 definiert und umfasst ist, waehrend des Verarbeitens das Aluminiumnitrid Sauerstoff aufnimmt, der Sauerstoffgehalt des Aluminiumnitrids in dem Pressling vor der Desoxidation durch Kohlenstoff im Bereich von mehr als etwa 1,0 und vorzugsweise mehr als etwa 1,4 Gew.- % bis zu etwa 4,5 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid, liegt,

(b) Erhitzen des Presslings in einer nicht oxidierenden Atmosphaere auf eine Temperatur bis zu etwa 1200 ⁰C, wodurch Yttriumoxid und freier Kohlenstoff gebildet werden,
(c) Erhitzen des Presslings in einer stickstoffhaltigen nicht oxidierenden Atmosphaere auf eine Temperatur im Bereich von etwa 1350 ⁰C bis zu einer Temperatur, die

. Al·

ausreicht, den Pressling zu desoxidieren, aber unterhalb der Temperatur, bei der ein Verschliessen der Poren eintritt, wodurch man den freien Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung eines desoxidieren Presslings umsetzt, der eine Zusammensetzung hat, bei der die Aequivalentprozente von Al, Y, 0 und N durch das Vieleck JKLM der Figur 3 oder 4, ausgenommen der Linie MJ, definiert und umfasst werden und der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die ausreicht, den desoxidierten Pressling zu erzeugen, und

(d) Sintern des desoxidierten Presslings in einer stickstoffhaltigen, nicht-oxidierenden Atmosphaere bei einer Temperatur von mindestens etwi

15 dung des polykristallinen Koerpers.

einer Temperatur von mindestens etwa 1860 C zur BiI-

Gemaess einer anderen Ausfuehrungsform umfasst das, erfindungsgemaesse Verfahren zum Herstellen eines Keramikkoerpers aus gesintertem polykristallinem Aluminiumnitrid, wobei der Koerper eine zusammensetzung aufweist, die durch das Vieleck UMJV der Figur 3 oder 4 definiert und umfasst ist, ausgenommen die Linie MJ, weiter eine Porositaet von weniger als etwa 10 Vol.-% und vorzugsweise weniger als etwa 2 Vol.-% und der Koerper eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,00 und vorzugsweise mehr als 1,42 W/cm°K bei 25 ⁰C aufweist, die folgenden Stufen: (a) Verarbeiten von Aluminiumnitrid- Pulver zu einem Pressling zur Desoxidation durch freien Kohlenstoff, indem man ein Ausgangs- Aluminiumnitrid- Pulver mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als etwa 1,0 bis weniger als etwa 4,0 Gew.-%, bezogen auf das Aluminiumnitrid- Pulver, mit Yttriumoxyd oder einem Vorlaeufer dafuer und einem kohlenstoffhaltigen Zusatz, der ausgewaehlt ist aus der Gruppe bestehend aus freiem Kohlen-

stoff, einem kohlenstoffhaltigen organischen Material und deren Mischungen, wobei das kohlenstoffhaltige organische Material sich bei einer Temperatur von etwa bis etwa 1000 ⁰C zu freiem Kohlenstoff und gasfoermigem Zersetzungsprodukt, das verdampft, zersetzt, der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberflaeche von mehr

ο
als etwa 20 m /g, das Aluminiumnitrid- Pulver eine spezifische Oberflaeche im Bereich von etwa 3,4 bis etwa 10 m /g, zu einer Mischung verarbeitet, diese Mischung zu einem Pressling,formt, wobei Mischung und Pressling eine zusammensetzung aufweisen, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt ü bis zum Punkt J der Figur 3 oder 4 liegen, d.h. von mehr als etwa 2,5 Aequivalentprozent bis etwa 4,35 Aequivalentprozent Yttrium und von etwa 95,65 Aequivalentprozent bis weniger als etwa 97,5 Aequivalentprozent Aluminium, der Pressling eine Aequivalentprozent- zusammensetzung an Y, Al, O und N ausserhalb der Zusammensetzung aufweist, die durch das Vieleck JKLM der Figur 3 oder 4 definiert und umfasst ist, wobei das Aluminiumnitrid waehrend des Verarbeitens Sauerstoff aufnimmt, der Sauerstoffgehalt des Aluminiumnitrids im Pressling vor der Desoxidation durch Kohlenstoff im Bereich von mehr als etwa 1,4 bis zu etwa 4,5 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid, liegt, und groesser ist als der Sauerstoffgehalt des Ausgangs- Aluminiumnitrid- Pulvers um eine Menge, die im Bereich von mehr als etwa 0,03 bis zu etwa 3 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid, liegt,

(b) Erhitzen des Presslings in einer nicht-oxidierenden Atmosphaere bei einer Temperatur bis zu etwa 1200 C, wodurch Yttriumoxid und freier Kohlenstoff gebildet werden,
(c) Erhitzen des Presslings bei Umgebungsdruck in einer stickstoffhaltigen, nicht-oxidierenden Atmosphaere, die mindestens etwa 25 Vol.- % Stickstoff enthaelt, bei ei-

ner Temperatur von etwa 1350 ⁰C bis zu einer Temperatur, die ausreicht, den Pressling zu desoxidieren, die aber geringer als die Temperatur ist,"bei der sich die Poren des Presslings schliessen, wodurch sich der freie Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff umsetzt und einen desoxidieren Pressling bildet, der eine zusammensetzung in Aequivalentprozent an Al, Y, O und N hat, die durch das Vieleck UMJV der Figur 3 oder 4 definiert und umfasst ist,, aber die Linie MJ nicht einschliesst, und der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die ausreicht, den desoxidierten Pressling zu bilden, und

(d) Sintern des desoxidierten Presslings bei Umgebungsdruck in einer stickstoffhaltigen, nicht-oxidierenden Atmospaere, die mindestens etwa 25 Vol.-% Stickstoff enthaelt, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1900 bis etwa 2050 ⁰C und vorzugsweise von etwa 2900 bis etwa I960 ⁰C, wobei der polykristalline Koerper entsteht.

Gemaess einer weiteren Ausfuehrungsform des erfindungsgemaessen Verfahrens haben Mischung und Pressling eine zusammensetzung, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich zwischen den Punkten L und J der Figur 4 liegen, diese Punkte aber nicht einschliessen, so dass das Yttrium in dem Pressling im Bereich von mehr als etwa 2,5 bis weniger als etwa 4,9 Aequivalentprozent liegt und das Aluminium im dem Pressling in einer Menge von mehr als etwa 95,1 bis zu weniger als etwa 97,5 Aequivalentprozent vorhanden ist und der gesinterte Koerper und der desoxidierte Pressling aus einer Zusammensetzung in Aequivalentprozent fuer Al, Y, O und N bestehen, die durch das Vieleck JKLM der Figur 4, aber ohne die

35 Linien MJ und LK, definiert und umfasst ist.

In einer weiteren Ausfuehrungsform der vorliegenden Erfindung haben Mischung und Pressling eine zusammensetzung, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punk-t L bis zum Punkt K der Figur 4 liegen, dass Yttrium im Pressling somit im Bereich von etwa 4,4 bis etwa 4,9 Aequivalentprozent liegt, dass Aluminium im Pressling im Bereich von etwa 95,1 bis etwa 95,6 Aequivalentprozent liegt,

der Sinterkoerper und der desoxidierte Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente an Al, Y, O und N durch die Linie LK der Figur 4 definiert sind.

Die errechneten Zusammensetzungen bestimmter Punkte in der Figur 3 oder 4 innerhalb des Vieleckes JKLM sind in der vorliegenden Tabelle I zusammengefasst:

TABELLE

	Zusammensetzung Äquivalent-%	Sauerstoff	Volumen-% und	(91,9)	(Gew.-%)	7,6	-	4,5	der Phasen	*	-	9,4	9	D
Punkt	Y	4,1	AlN	(88,7)	^Y2°3	8,4	3,4		Y₄Al₂O	-	4,4	(8,
σ	2,5	4,4	94,0	(87,6)	-		6,0	3,4
K	4,4	4,9	92,4	(87,4)	(11,3)			,6)
L	4,9	6,3	91,6		(12,4)	(12
M	4,0	5,75	90,6
U	4,35	4,2	91,1
V	3,1	93,2

* - die Gew.-% sind in Klammern angegeben, die Volumen-% ohne Klammern

Der Koerper aus polykristallinem Aluminiumnitrid, der nach einer Ausfuehrungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wird, hat eine Zusammensetzung, die

durch das Vieleck JKLM der Figur 3 oder 4, aber ohne die Linie MJ, definiert und umfasst wird. Der polykristalline Sinterkoerper des Vielecks JKLM ohne die Linie MJ, der nach dem erfindungsgemaessen verfahren hergestellt worden ist, hat eine Zusammensetzung, die Yttrium in einer Menge von etwa 2,5 bis etwa 4,9 Aequivalentprozent umfasst, Aluminium in einer Menge von etwa 95,1 bis etwa 97,5 Aequivalentprozent, die mehr als etwa 4,1 bis weniger als etwa 6,3 Aequivalentprozent Sauerstoff und mehr als etwa 93,7 bis zu etwa 95,9 Aequivalentprozent Stickstoff enthaelt.

Der polykristalline Koerper, dessen Zusammensetzung durch das Vieleck JKLM ohne die Jjinie MJ der Figur 3 oder 4 definiert ist, umfasst eine AlN- Phase sowie eine zweite Phase, die Yttrium und Sauerstoff enthaelt. Die zweite Phase kann Y-O, oder eine Mischung von Y₂°3 ^un<3 ^X4^A^2^O9 ^se*-ⁿ' die i^mmer Y-,0,, zumindest in einer Spurenmenge, enthaelt, d.h. zumindest in einer Menge, die durch Roentgen- Diffraktionsanalyse nachweisbar ist. Die zweite Phase ist in einer Menge vorhanden, die im Bereich von mehr als etwa 6 bis weniger als etwa 9,4 Vol.- %, bezogen auf das Gesamtvolumen des Sinterkoerpers, liegt.

Wie sich der obigen Tabelle I entnehmen

laesst, wuerde der polykristalline Koerper, dessen Zusammensetzung dem Punkt M am naechsten ist, die groesste Menge an sekundaerer Phase enthalten.

■i :■:$.-■ ■■ ■ . . ■■$;*■;-.■ ■■■,...-·· · . -ΐ·-)δ

Gemaess einer anderen Ausfuehrungsform ist der Koerper aus polykristallinem Aluminiumnitrid, der nach dem erfindungsgemaessen Verfahren erhalten wird, von einer Zusammensetzung, die durch das Vieleck UMJV oder Figur 3 oder 4, aber ohne die Linie MJ, definiert und umfasst ist. Der gesinterte polykristalline Koerper der Zusammensetzung des Vielecks UMJV, aber ohne die Linie MJ, nach Figur 3 oder 4, der durch die vorliegende Erfindung erhalten wurde, hat eine Zusammensetzung, die mehr als etwa 2,5 bis etwa 4,35 Aequivalentprozent Yttrium, von etwa 95,65 bis zu etwa 97,5 Aequivalentprozent Aluminium, von mehr als etwa 4,1 bis weniger als etwa 6,3 Aequivalentprozent Sauerstoff und von mehr als etwa 93,7 bis weniger als etwa 95,9 Aequivalent-

15 prozent Stickstoff umfasst.

Der polykristalline Koerper, dessen Zusammensetzung durch das Vieleck UMJV der Figur 3 oder 4, aber ohne die Linie MJ, definiert und umfasst ist, weist eine AlN-Phase sowie eine zweite Phase auf, die eine Mischung aus Y-,0^ und Y.Al O_q umfasst. Diese zweite Phase ist in einer Menge vorhanden, die im Bereich von mehr als etwa 6 bis zu weniger als etwa 9,4 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Sinterkoerpers, liegt, wobei Ϊ₂°3 ^immer zumindest in einer Spurenmenge vorhanden ist, d.h. in einer Menge, die durch Roentgen-Diffraktionsanalyse nachweisbar ist, wobei die Y.AlpOq- Phase immer in einer Menge von mehr als etwa 3,4 Vol.-% vom Sinterkoerper vorhanden

30 ist.

In einer weiteren Ausfuehrungsform hat der erfindungsgemaesse polykristalline Koerper eine Zusammensetzung, die durch das Vieleck JKLM, aber ohne die Linien MJ oder LK der Figur 3 oder 4, definiert und um-

fasst ist, d.h. der Koerper hat eine Zusammensetzung mit mehr als etwa 2,5 bis weniger als etwa 4,9 Aequivalentprozent Yttrium, von mehr als 95,1 bis weniger als etwa 97,5 Aequivalentprozent Aluminium, von mehr als etwa 4,1 bis weniger als etwa 6,3 Aequivalentprozent Sauerstoff und von mehr als etwa 93,7 bis weniger als etwa 95,9 Aequivalentprozent Stickstoff. Bei dieser Ausfuehrungsform besteht die Phasenzusammensetzung des Sinterkoerpers aus einer AlN- Phase und aus einer zwei-

10 ten Phase aus Y₂°3 ^{und Y}4^A-^L2°9* ^Diese zweite

Phase ist in einer Menge im Bereich von mehr als etwa 6 bis weniger als etwa 9,4 Vol.- % des Koerpers vorhanden, und sie enthaelt immer Y₃O₃ ^{und Y}4^Al2°9' zumindest in Spurenmengen, d.h. zumindest in einer Menge, die durch Roentgen- Diffraktionsanalyse nachweisbar ist.

In einer weiteren Ausfuehrungsform erhaelt man mittels des erfindungsgemaessen Verfahrens einen Sinterkoerper, dessen Zusammensetzung durch die Linie LK nach Figur 4 definiert ist, und der eine Phasenzusammensetzung aus AlN und Y₃O₃ ^nat' wobei die Y₂O₃- Phase im Bereich von etwa 7,6 bis etwa 8,4 Vol.- % des Koerpers liegt. Die Linie LK der Figur 4 entspricht einer Zusammensetzung mit etwa 4,4 bis etwa 4,9 Aequivalentprozent Yttrium, etwa 95,1 bis etwa 95,6 Aequivalentprozent Aluminium, etwa 4,4 bis etwa 4,9 Aequivalentprozent Sauerstoff und etwa 95,1 bis etwa 95,6 Aequivalentprozent Stickstoff.

Fuer das erfindungsgemaesse Verfahren kann das eingesetzte Aluminiumnitrid- Pulver handelsuebliche oder technische Reinheit haben. Im besonderen sollte es keine Verunreinigungen, die die erwuenschten Eigenschäften des erhaltenen Sinterproduktes merklich nachteilig beeinflussen, und vorzugsweise sollte es mehr

als etwa 99% reines AlN unter Ausschluss von Sauerstoff enthalten. Das fuer das erfindungsgemaesse Verfahren eingesetzte Aluminiumnitrid- Pulver enthaelt Sauerstoff, im allgemeinen bis zu einer Menge von etwa 4,4 Gew.-% und ueblicherweise liegt der Sauerstoffgehalt im Bereich von mehr als etwa 1,0 bis weniger als etwa 4,0 Gew.-% und ueblicherweise liegt der Sauerstoffgehalt im Bereich von mehr als etwa 1,0 bis weniger als etwa 4,0 Gew.-%, d.h. bis zu etwa 4 Gew.-%. ueblicherweise enthaelt im Handel erhaeltliches Aluminiumnitrid- Pulver etwa 1,5 Gew.-% (2,6 Aequivalentprozent bis etwa 3 Gew.-% (5,2 Aequivalentprozent) Sauerstoff, und solche Pulver sind in Anbetracht ihrer betraechtlich geringeren Kosten am meisten bevorzugt.

Der Sauerstoffgehalt des Aluminiumnitrids ist durch Neutronen- Aktivierungsanalyse bestimmbar.

Im allgemeinen hat das als Ausgangsmaterial benutzte Aluminiumnitrid- Pulver eine Oberflaeche, die im weiten Bereich variieren kann, und allgemein liegt

2 sie in einem Bereich von bis zu etwa 10 m /g. Haeufig hat dieses Pulver eine spezifische Oberflaeche von mehr

2
als etwa 1,0 m /g und noch haeufiger eine spezifische

2 Oberflaeche von mindestens etwa 3,0 m /g, ueblicher-

2
weise von mehr als etwa 3,2 m /g, und vorzugsweise

2 eine Oberflaeche von mindestens etwa 3,4 m /g.

Allgemein hat das Aluminium- Pulver in der hergestellten Mischung, nachdem die Komponenten ueblicherweise durch Mahlen miteinander vermischt wurden, eine spezifische Oberflaeche, die im weiten Bereich variieren kann, und allgemein betraegt sie bis zu etwa

2
10 m /g. Haeufig liegt sie von mehr als etwa 1,0 bis

2
zu etwa 10 m /g. Vorteilhaft liegt sie im Bereich von

2
etwa 1,5 bis etwa 5 m /g, und in einer Ausfuehrungsform liegt die Oberflaeche im Bereich von etwa 3,4 bis

2
etwa 5 m /g. Die Oberflaechen sind nach BET bestimmt

worden. Die minimale Sintertemperatur einer gegebenen Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung nimmt mit zunehmender Teilchengroesse des Aluminiumni- trids zu. 5

Der Yttriumoxyd (Y O₃)- Zusatz in der erfindungsgemaessen Mischung hat allgemein eine spezifische Oberflaeche, die in weitem Bereich variieren kann.

Allgemein liegt sie im Bereich von mehr als etwa 0,4

2
bis etwa 6,0 m /g, vorzugsweise im Bereich von etwa

2
0,6 bis etwa 5,0 m /g, noch bevorzugter im Bereich

2
von etwa 1,0 bis etwa 5,0 m /g, und gemaess einer

Ausfuehrungsform ist die spezifische Oberflaeche groes-15

2
ser als 2,0 m /g.

Bei der Durchfuehrung der vorliegenden Erfindung wird Kohlenstoff fuer die Desoxidation des Aluminiumnitrid- Pulvers in Form von freiem Kohlenstoff bereitgestellt, der zu der Mischung hinzugegeben werden kann als elementarer Kohlenstoff oder in Form eines kohlenstoffhaltigen Zusatzes, z.B. einer organischen Verbindung, die sich unter Bildung freien Kohlenstoffes thermisch zersetzen kann.

Der erfindungsgemaess verwendete kohlenstoffhaltige zusatz ist ausgewaehlt aus der Gruppe bestehend aus freiem Kohlenstoff, einem kohlenstoffhaltigen organischen Material und deren Mischungen. Das kohlenstoffhaltige organische Material pyrolisiert, d.h. es zersetzt sich thermisch voellig bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50 bis etwa 1000 °C und bildet freien Kohlenstoff und gasfoermiges Zersetzungsprodukt, das verdampft. In einer bevorzugten Ausfuehrungsform ist der kohlenstoffhaltige Zusatz freier Kohlenstoff

35 und vorzugsweise ist es Graphit.

Hochmolekulare aromatische Verbindungen oder Materialien sind die bevorzugten kohlenstoffhaltigen organischen Materialien, um den zusatz an freiem Kohlenstoff vorzunehmen, da sie bei der Pyrolyse ueblicherweise die erforderliche Ausbeute an tei.lchenfoermigem freien Kohlenstoff mit einer Teilchengroesse unterhalb von 1 .um ergeben. Beispiele solcher organischen Materialien sind ein Phenol/Formaldehyd- Kondensations-

harz, das als Novolak bekannt ist und loeslich ist in Aceton oder hoeheren Alkoholen, wie Butylakohol, sowie viele verwandte Kondensationspolymere oder -harze, wie Resorzin/Formaldehyd-, Anilin/Formaldehyd- und Kresol/Formaldehyd-Harz. Eine andere brauchbare Gruppe von Materialien sind die Derivate mehrkerniger aromatischer Kohlenwasserstoffe, die in Kohleteer enthalten sind, wie Dibenzanthracen und Chrysen. Eine bevorzugte Gruppe sind Polymere von aromatischen Kohlenwasserstoffen, wie Polyphenylen oder Polymethylphenylen, die in aromatischen Kohlenwaserstoffen loeslich sind.

Der erfindungsgemaess eingesetzte freie Kohlenstoff hat eine spezifische Oberflaeche, die im weiten Rahmen variieren kann und die nur ausreichend sein muss, um die Desoxidation zu gestatten. Im allgemeinen hat der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberflaeche von mehr als etwa 10, vorzugsweise von mehr als etwa

2 und noch bevorzugter von mehr als 150 m /g, wobei die entsprechenden Messungen nach BET vorgenommen wurden und die Oberflaechen einen innigen Kontakt mit dem AlN- Pulver zur Desoxidation sicherstellen.

Unter Verarbeiten des Aluminiumnitrid- Pulvers zu einem Pressling zur Desoxidation durch freien Kohlenstoff wird in der vorliegenden Anmeldung verstanden, alles Vermischen des Aluminiumnitrid- Pulvers zur Her-

stellung der erfindungsgemaessen Mischung, alles Formen der erhaltenen Mischung zur Bildung des Presslings sowie das Handhaben und Lagern des Presslings vor der Desoxidation durch Kohlenstoff. Bei dem erfindungsgemaessen Verfahren wird das Verarbeiten des Aluminiumnitrid- Pulvers zu einem Pressling zur Desoxidation durch freien Kohlenstoff zumindest teilweise in Luft ausgefuehrt und waehrend dieses Verarbeitens nimmt das Alu-

miniumnitrid- Pulver Sauerstoff aus der Luft auf, ueblicherweise in einer Menge von mehr als etwa 0,03 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid. Eine solche Sauerstoffaufnahme ist kontrollierbar und reproduzierbar und die aufgenommene Menge differiert nicht merklich, wenn sie unter den gleichen Bedingungen ausgefuehrt wird. Wenn erwuenscht, kann das Verarbeiten des Aluminiumnitrid- Pulvers zu einem Pressling zur Desoxidation durch freien Kohlenstoff in Luft ausgefuehrt werden.

Bei dem erfindungsgemaess durchgefuehrten Verarbeiten des Aluminiumnitrids kann der Sauerstoff, den das Aluminiumnitrid aufnimmt, in irgendeiner Form vorhanden sein, d.h. es kann anfaenglich Sauerstoff sein, oder irgendeine andere Form haben, wie z.B. Wasser. Die Gesamtmenge an Sauerstoff, die durch Aluminiumnitrid aus Luft oder einem anderen Medium aufgenommen wird, ist im allgemeinen weniger als etwa 3 Gew.- %, und sie liegt allgemein im Bereich von mehr als etwa 0,03 bis weniger als etwa 3,0 Gew.- %, und ueblicherweise liegt sie im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 1 Gew.- %, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminiumnitrids. Im allgemeinen hat das Aluminiumnitrid in der erfindungsgemaessen Mischung und dem daraus hergestellten Pressling vor der Desoxidation des Presslings einen Sauerstoffgehalt von weniger als etwa 4,5 Gew.- %, und im allgemei-

meinen liegt dieser Sauerstoffgehalt von mehr als etwa 1,00 bis weniger als etwa 4,5 Gew.-%, und ueblicherweise liegt er.im Bereich von mehr als etwa 1,4 bis weniger als etwa 4,5 Gew.-% und ueblicher im Bereich von etwa 1,9 bis etwa 4,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Aluminiumnitrids.

In einem Pressling ist ein Aluminiumnitrid, das Sauerstoff in einer Menge von etwa 4,5 Gew.-% oder mehr enthaelt, im allgemeinen nicht erwuenscht.

Bei der Ausfuehrung des erfindungsgemaessen Verfahrens wird eine gleichfoermige oder zumindest deutlich gleichfoermige Mischung oder Dispersion aus dem Aluminiumnitrid- Pulver, dem Yttriumoxyd- Pulver und dem kohlenstoffhaltigen Zusatz hergestellt, der im allgemeinen in Form von freiem Kohlenstoffpulver vorliegt, und diese Mischung kann nach einer Reihe von Techniken hergestellt werden. Vorzugsweise werden die Pulver kugelgemahlen, vorzugsweise in einem fluessigen Medium bei Umgebungsdruck und -temperatur, um eine gleichmaessige oder merklich gleichmaessige Dispersion zu schaffen. Das Mahlmedium, das ueblicherweise in Form von Zylindern oder Kugeln vorliegt, sollte keine merkliehe nachteilige Auswirkung auf die Pulver haben, und vorzugsweise besteht dieses Mahlmedium aus polykristallinem Aluminiumnitrid oder Stahl. Im allgemeinen hat das Mahlmedium einen Durchmesser von mindestens etwa 6 mm und ueblicherweise liegt der Durchmesser im Bereich von etwa 6 bis etwa 12 mm. Das fluessige Mahlmedium sollte ebenfalls keine merklich nachteilige Auswirkung auf die Pulver haben, und vorzugsweise ist es nichtwaessrig. Vorzugsweise kann das fluessige Misch- oder Mahl- Medium bei einer Temperatur oberhalb von Raumtemperatur bis zu unterhalb von 300 ° vollstaendig verdampft werden, wodurch die erfindungsgemaesse Mischung

zurueckbleibt. Vorzugsweise ist das fluessige Mischmedium eine organische Fluessigkeit, wie Heptan oder Hexan. Vorzugsweise enthaelt das fluessige Mahlmedium auch ein Dispersionsmittel fuer das Aluminiumnitrid-Pulver um so eine gleichfoermige oder deutlich gleichfoermige Mischung in einer merklich kuerzeren Mahlzeit zu schaffen. Ein solches Dispersionsmittel sollte in einer fuer das Dispergieren ueblichen Menge vorhanden sein, und es sollte ohne merklichen Rueckstand verdampfen oder sich zersetzen, d.h. es sollte kein Rest zurueckbleiben, der eine merkliche Auswirkung auf das erfindungsgemaesse Verfahren hat. Das Verdampfen oder sich Zersetzen des Dispersionsmittels sollte bei einer Temperatur unterhalb von 1000 ⁰C erfolgen. Allgemein liegt die Menge an Dispersionsmittel im Bereich von etwa 0,1 bis weniger als Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid- Pulver, und allgemein ist das Dispersionsmittel eine organische Fluessigkeit,vorzugsweise Oelsaeure.

Bei Verwendung eines Mahlmediums aus Stahl bleibt ein Rest von Stahl oder Eisen in der getrockneten Dispersion oder Mischung, der von einer nachweisbaren Menge bis zu etwa 3 Gew.- % der Mischung ausmachen kann. Dieser Rest aus Stahl oder Eisen in der Mischung hat keine merkliche Auswirkung im erfindungsgemaessen Verfahren oder auf die thermische Leitfaehigkeit des erhaltenen Sinterkoerpers.

Die fluessige Dispersion kann in verschiedener Weise getrocknet werden, um die Fluessigkeit zu entfernen oder zu verdampfen und die erfindungsgemaesse teilchenfoermige Mischung zu erhalten. Wenn erwuenscht, kann das Trocknen in Luft ausgefuehrt werden. Das Trocknen der gemahlenen fluessigen Dispersion in Luft verursacht eine Sauerstoffaufnahme durch das Aluminium-

nitrid, und wenn dies immer unter den gleichen Bedingungen ausgefuehrt wird, dann ist die Sauerstoffaufnahme reproduzierbar bzw. unterscheidet sich nicht merklich. Die Dispersion kann aber auch spruehgetrocknet werden, wenn dies erwuenscht ist.

Ein festes kohlenstoffhaltiges organisches Material wird vorzugsweise in Form einer Loesung züge-

mischt, um die Aluminiumnitrid- Teilchen zu ueberziehen. Das Loesungsmittel ist vorzugsweise nicht-waessrig. Die nasse Mischung kann dann zur Entfernung des Loesungsmittels und zur Bildung der erfindungsgemaessen Mischung behandelt werden. Das Loesungsmittel kann in verschiedener Weise entfernt werden, wie durch Verdampfen oder Gefriertrocknen, d.h. indem man das Loesungsmittel im Vakuum aus der gefrorenen Suspension durch Sublimieren entfernt. Auf diese Weise erhaelt man einen im wesentlichen gleichfoermigen Ueberzug aus dem organischen Material auf dem Aluminiumnitrid- Pulver, der beim Pyrolysieren eine im wesentlichen gleichfoermige Verteilung an freiem Kohlenstoff ergibt.

Die erfindungsgemaesse Mischung wird in Luft zu einem Pressling geformt oder das Formen schliesst das Aussetzen des Aluminiumnitrids in der Mischung gegenueber Luft ein. Das Formen der erfindungsgemasssen Mischung zu einem Pressling kann in verschiedener Weise erfolgen, wie durch Strangpressen, Spritzgiessen, Pressen mit einem Werkzeug, isostatisches Pressen, Schleuderguss, zusammenpressen oder Formen mit einer Walze oder durch Bandgiessen, um den Pressling erwuenschter Gestalt herzustellen. Irgendwelche Schmiermittel, Binder oder aehnliche Materialien, die zur Unterstuetzung des Formens der Mischung verwendet werden, sollten keine merkliche beeintraechtigende Wirkung auf den Press-

ling oder den ecfindungsgemaessen Sinterkoerper haben. Solche Formhilfsmittel sind vorzugsweise von der Art, die beim Erhitzen auf relativ geringe Temperaturen, vorzugsweise unterhalb von 400 ⁰C ohne merklichen Rueckstand verdampfen. Vorzugsweise hat der Pressling eine Porositaet von weniger als 60, und noch bevorzugter, von weniger als 50 %, um die Verdichtung waehrend des Sinterns zu foerdern.

Wenn der Pressling als Quelle freien Kohlenstoffes kohlenstoffhaltiges organisches Material enthaelt, dann wird er auf eine Temperatur im Bereich von etwa 50 bis etwa 1000 ⁰C erhitzt, um das organische Material zu pyrolysieren, d.h. thermisch zu zersetzen, wobei eine vollstaendige Zersetzung zu freiem Kohlenstoff und gasfoermigem Zersetzungsprodukt erfolgt, das verdampft. Die thermische Zersetzung des kohlenstoffhaltigen organischen Materials wird vorzugsweise bei Atmosphaerendruck in einer nicht-oxidierenden Atmosphaere ausgefuehrt. Vorzugsweise fuehrt man die thermische Zersetzung in einer Atmosphaere aus, die ausgewaehlt ist aus der Gruppe bestehend aus {stickstoff, Wasserstoff, einem Edelgas, wie Argon und deren Mischungen, und noch bevorzugter, fuehrt man die thermisehe Zersetzung in Stickstoff oder einer Gasmischung aus, die mindestens 25 Vol.- % stickstoff enthaelt, sowie ein Gas ausgewaehlt aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, einem Edelgas, wie Argon und deren Mischungen. Gemaess einer Ausfuehrungsform wird eine Mischung aus Stickstoff und etwa 1 bis etwa 5 Vol.- % Wasserstoff benutzt.

Die durch die Pyrolyse des kohlenstoffhaltigen organischen Materials tatsaechlich eingefuehrte Menge an freiem Kohlenstoff kann man dadurch bestimmen, dass man das organische Material allein pyrolysiert und den

Gewichtsverlust bestimmt. Vorzugsweise erfolgt das thermische Zersetzen des organischen Materials im erfindungsmaessen Pressling im Sinterofen, waehrend die Temperatur zur Desoxidationstemperatur erhitzt wird, d.h. der Temperatur, bei der sich der gebildete freie Kohlenstoff mit dem Sauerstoff des AlN umsetzt.

Alternativ kann man in erfindungsgemaessen Verfahren Yttriumoxid in Form eines Vorlaeufers von Yttriumoxid eingesetzt werden. Dieser Begriff "Vorlaeufer des Yttriumoxids" bedeutet irgendeine organische oder anorganische Verbindung, die sich bei einer Temperatur unterhalb von 1200 ⁰C vollstaendig unter Bildung von Yttriumoxid und Nebenprodukt-Gas zersetzt, das, ohne Verunreinigungen im Sinterkoerper zu hinterlassen, die fuer die thermische Leitfaehigkeit nachteilig waeren, verdampft. Beispielhaft fuer die Vorlaeufer von Yttriumoxid, die beim erfindungsgemasessen Verfahren brauchbar sind, sind Yttriumacetat, Yttriumcarbonat, Yttriumoxalat, Yttriumnitrat, Yttriumsulfat und Yttriumhydroxid.

Wenn der Pressling einen Vorlaeufer von Yttriumoxid enthaelt, dann wird er auf eine Temperatur bis zu etwa 1200 ⁰C erhitzt, um den Vorlauefer zu zersetzen und dadurch Yttriumoxid zu bilden. Eine solche thermische Zersetzung wird in einer nicht-oxidierenden Atmosphaere ausgefuehrt, vorzugsweise bei Umgebungsdruck, und vorzugsweise wird die Atmosphaere ausgewaehlt aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Wasserstoff, einem Edelgas, wie Argon und deren Mischungen. Vozugsweise besteht die Atmosphaere aus Stickstoff oder Mischung von mindestens etwa 25 Vol.-% Stickstoff und einem Gas, das ausgewaehlt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, einem Edelgas, wie Argon, und deren Mischungen. Gemaess einer Ausfuehrungsform ist die Zer-

setzungsatmosphaere eine Mischung aus Stickstoff und etwa 1 bis etwa 5 Vol.- % Wasserstoff.

Die erfindungsgemaesse Desoxidation von Aluminiumnitrid mit Kohlenstoff umfasst das Erhitzen des Presslings, der aus Aluminiumnitrid, freiem Kohlenstoff und Yttriumoxid besteht, auf Desoxidationstemperatur, um den freien Kohlenstoff mit mindestens .einer ausreichenden Menge des im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoffes umzusetzen, und so einen desoxidierten Pressling zu bilden, dessen. Zusammensetzung durch das Vieleck JKLM der Figur 3 oder 4, ausgenommen die Linie MJ, definiert und umfasst ist. Diese Desoxidation mit Kohlenstoff wird bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1350 bis zu einer Temperatur ausgefuehrt, bei der die Poren des Presslings noch offen bleiben, d.h. bei einer Temperatur, die ausreicht, den Pressling zu desoxidieren, die aber noch unterhalb der Temperatur liegt, bei der sich die Poren schliessen, d.h. allgemein bis zu etwa 1800 ⁰C, und vorzugsweise wird die Desoxidation bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1600 bis 1650 ⁰C ausgefuehrt.

Die Kohlenstoff- Desoxidation wird vorzugsweise bei umgebungsdruck in einer gasfoermigen, Stickstoff enthaltenden, nichfc-oxidierenden Atmosphaere ausgefuehrt, die ausreichend Stickstoff enthaelt, um die Desoxidation des Aluminiumnitrids zu erleichtern. Gemaess der vorliegenden Erfindung ist Stickstoff ein erforderlicher Bestandteil fuer die Ausfuehrung der Desoxidation des Presslings. Vorzugsweise ist die stickstoffhaltige Atmosphaere Stickstoff oder eine Mischung von mindestens etwa 25 Vol.- % Stickstoff und einem Gas, das ausgewaehlt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, einem Edelgas, wie Argon, und deren Mi-

schungen. Vorzugsweise besteht die stickstoffhaltige Atmosphaere aus einer Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff, insbesondere einer Mischung, die bis zu etwa 5 Vol.-% Wasserstoff enthaelt.
5

Die Zeit, die erforderlich ist, um die erfindungsgemaesse Kohlenstoff-Desoxidation des Presslings auszufuehren, ist empirisch bestimmbar und haengt

hauptsaechlich von der Dicke des Presslings sowie von der darin enthaltenen Menge an freiem Kohlenstoff ab, d.h. die Kohlensstoff-Desoxidationszeit nimmt mit zunehmender Dicke des Presslings und mit zunehmender Menge an freiem Kohlenstoff im Pressling zu. Die Kohlenstoff-Desoxidation kann waehrend des Erhitzens des Presslings auf die Sintertemperatur erfolgen, vorausgesetzt, die Aufheizgeschwindigkeit gestattet die vollstaendige Desoxidation, waehrend die Poren des Presslings offen sind, und eine solche Aufheizgeschwindigkeit kann empirisch ermittelt werden. Zu einem gewissen Ausmass haengt die fuer die Desoxidation erforderliche Zeit auch von der Desoxidationstemperatur, der Teilchengroesse und der Gleichfoermigkeit der teilchenfoermign Mischung des Presslings ab, d.h. je hoeher die Desoxidationstemperatur, je geringer die Teilchengroesse und je gleichmaessiger die Mischung, um so kuerzer ist die erforderliche Desoxidationszeit, zu einem gewissen Ausmass haengt die Desoxidationszeit auch von der endgueltigen Position auf dem Phasendiagramm ab, d.h. in dem Masse, in dem man sich der Linie LK naehert, verlaengert sich die Desoxidationszeit, üeblicherweise liegt die fuer die Desoxidation erforderliche Zeit im Beeich von etwa 1/4 bis etwa 1 1/2 Stunden.

Vorzugsweise wird der Pressling im Sinterofen desoxidiert, indem man ihn fuer die erforderliche Zeit bei der Desoxidationstemperatur haelt und dann die Tem-

peratur auf die Sintertemperatur erhoeht. Die Desoxidation des Presslings muss abgeschlossen sein, bevor das Sintern die Poren im Pressling schliesst und das gasfoermige Produkt am Verdampfen hindert und so die Produktion des erfindungsgemaessen Sinterkoerpers verhindert.

Bei der erfindungsgemaessen Desoxidation mit

Kohlenstoff setzt sich der freie Kohlenstoff mit dem
Sauerstoff des Aluminiumnitrids um und erzeugt Kohlenmonoxyd, das verdampft. Es wird angenommen, dass die
Desoxidationsreaktion gemaess der folgenden Gleichung
verlaeuft, bei der der Sauerstoffgehalt des Aluminiumnitrids als Al₀CK angegeben ist:
15

(2) Al₂O₃ + 3C + N₂-* 3CO, , + 2AlN

Bei der durch Kohlenstoff bewirkten Desoxidation wird ein gasfoermiges kohlenstoffhaltiges Produkt gebildet, das verdampft und somit den freien Kohlenstoff entfernt.

Wird der Pressling vor der Desoxidation ueber die Desoxidationstemperatur hinaus bis zur Sintertemperatur zu rasch erhitzt, wobei es hauptsaechlich von der Zusammensetzung des Presslings und der Menge des darin enthaltenen Kohlenstoffes abhaengt, ob eine Aufheizgeschwindigkeit zu rasch ist, dann tritt die erfindungsgemaesse Desoxidation nicht ein oder sie erfolgt nur in einem unzureichenden Masse, und es wird ein merklicher Anteil des Kohlenstoffes durch die folgenden Umsetzungen (3) und/oder (4) verloren:

(3) C + AlN-» AlCN₍ 35

(4) C + 1/2N₂—* CN_(g)

Die spezifische Menge an freiem Kohlenstoff, die zur Herstellung des erfindungsgemaessen desoxidierten Presslings erforderlich ist, kann in verschiedener Weise bestimmt werden. Sie kann empirisch bestimmt werden. Vorzugsweise wird eine anfaengliche etwaige Menge an Kohlenstoff nach der Gleichung (2) errechnet, d.h. man errechnet die stoechiometrische Kohlenstoffmenge, die sich nach Gleichung (2) ergibt und benutzt diese etwaige Menge als die erforderliche Kohlenstoffmenge bei dem erfindungsgemaessen Verfahren, um den erfindungsgemaessen Sinterkoerper herzustellen. Im allgemeinen erfordert es einen oder mehrere Versuche, um festzustellen, ob zuviel oder zuwenig Kohlenstoff hinzugegeben worden ist. Spezifisch kann man dies durch Bestimmen der Porositaet des Sinterkoerpers und durch Analysieren des Sinterkoerpers auf Kohlenstoff und durch Roentgen-Diffraktionsanalyse tun. Enthaelt der Pressling zuviel Kohlenstoff, dann ist er schwierig zu sintern und man erhaelt keinen Sinterkoerper, dessen Porositaet geringer als etwa 10 und vorzugsweise geringer als etwa 5 Vol.-% ist, oder der Sinterkoerper enthaelt eine zu grosse Menge Kohlenstoff. Enthaelt der Pressling dagegen zuwenig Kohlenstoff, dann zeigt die Roentgen-Diffraktionsanalyse des erhaltenen Sinterkoerpers keinerlei Y₂O₃~Phase, und die Zusammensetzung

des Sinterkoerpers ist nicht durch das Vieleck JKLM der Figur 4, ausgenommen die Linie MJ, definiert und umfasst.

Die Menge an freiem Kohlenstoff, die benutzt wird, um die erfindungsgemaesse Desoxidation auszufuehren, sollte zu dem erfindungsgemaessen desoxidierten Pressling fuehren, ohne dass eine merkliche Menge Kohlenstoff in irgendeiner Porm zurueckbleibt, d.h. keine Kohlenstoffmenge in irgendeiner Form, die merkliche

nachteilige Wirkung auf den Sinterkoerper hat, sollte zurueckbleiben. Mehr im besonderen sollte keine Menge an Kohlenstoff in irgendeiner Form in dem desoxidierten Pressling zurueckbleiben, die die Herstellung des erfindungsgemaessen Sinterkoerpers verhindern wuerde. D.h. der Kohlenstoffgehalt im Sinterkoerper sollte gering genug sein, sodass der Sinterkoerper eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,00 W/cm ⁰K bei 25 °c hat. Allgemein kann der erfindungsgemaesse Sinterkoerper Kohlenstoff in gewisser Form in Spurenmengen enthalten, im allgemeinen weniger als etwa 0,08 Gew.- %, vorzugsweise in einer Menge von weniger als etwa 0,065 Gew.- % und noch bevorzugter in einer Menge von weniger als etwa 0,04 Gew.- %, wobei am meisten bevorzugt weniger als 0,03 Gew.- %, bezogen auf das Gesamtgewicht des Sinterkoerpers, sind.

Eine merkliche Menge an Kohlenstoff in irgendeiner Form, die im Sinterkoerper verbleibt, vermindert seine thermische Leitfaehigkeit deutlich. Eine Kohlenstoffmenge in irgendeiner Form von mehr als etwa 0,065 Gew.- %, bezogen auf den Sinterkoerper, vermindert wahrscheinlich merklich dessen thermische Leitfaehigkeit.

Der Sauerstoffgehalt des AlN im desoxidierten Pressling ist um mindestens etwa 10 Gew.- % geringer als der Sauerstoffgehalt des Ausgangs- Aluminiumnitrids. Fuer ein gegebenes System erhaelt man bei Ver-Wendung von desoxidierten Presslingen mit zunehmendem Sauerstoffgehalt Sinterkoerper mit abnehmender thermischer Leitfaehigkeit.

Der desoxidierte Pressling wird bei einer Temperatur gesintert, die zu einem Sinterkoerper fuehrt, der eine porositaet von weniger als etwa 10 Vol.- %

hat, und allgemein betraegt eine solche Temperatur mindestens etwa 1860 °C und vorzugsweise mindestens etwa 1890 ⁰C. Mehr im besonderen wird der desoxidierte Pressling verdichtet, d.h. fluessigphasen-gesintert, bei einer Minimaltemperatur, die allgemein im Bereich von etwa 1860 und vorzugsweise von etwa 1890 ⁰C bis etwa 2010 ⁰C oder hoeher liegt, wobei die Temperatur hauptsaechlich von der Zusammensetzung und der Teil-

chengroesse des Presslings abhaengt, und die Maximaltemperatur betraegt allgemein etwa 2050 ⁰C, um den erfindungsgemaessen polykristallinen Koerper herzustellen. Um das erfindungsgemaesse Fluessigphasen-Sintern auszufuehren, enthaelt der desoxidierte Pressling eine ausreichende Menge an Y und O in Aequivalentprozent, um eine genuegende Menge an Fluessigphase bei der Sintertemperatur zu bilden, um den desoxidierten Pressling unter Bildung des erfindungsgemaessen Sinterkoerpers zu verdichten. Die spezielle Verdichtungs-, d.h. Sintertemperatur ist empirisch betimmbar und sie haengt hauptsaechlich von der Zusammensetzung des desoxidierten Presslings ab, d.h. der Menge an Fluessigphase, die beim Sintern gebildet wird. Damit eine Sintertemperatur in der Vorliegenden Erfindung brauchbar ist, muss dabei zumindest eine ausreichende Menge Fluessigphase in der Zusammensetzung des desoxidierten Presslings entstehen, um das Fluessigphasen-Sintern unter Bildung des erfindungsgemaessen Produktes auszufuehren. Fuer eine gegebene Zusammensetzung wird die gebildete Menge an Fluessigphase um so geringer, je tiefer die Sintertemperatur ist, d.h. die Verdichtung wird mit abnehmender Sintertemperatur schwieriger. Eine Sintertemperatur oberhalb von etwa 2050 ⁰C ergibt im allgemeinen jedoch keinen merklichen Vorteil.

In dem Vieleck jklm der Figur 4 erhoeht sich die minimale Sintertemperatur von etwa 1860 und vor-

zugsweise von etwa 1890 C in dem Masse, wie sich die Zusammensetzung von der Linie MJ zur Linie LK bewegt, und bei der Linie LK betraegt die minimale Sintertemperatur etwa 1960 ⁰C. In dem Vieleck JKLM der Figur 4 ist beim Bewegen der Zusammensetzung von der Linie MJ zur Linie LK eine zunehmende minimale Sintertemperatur erforderlich, um ausreichend Fluessigphase zur Ausfuehrung des erfindungegemaessen Sinterns und zur Herstellung eines Sinterkoerpers zu bilden, der eine Porositaet von weniger als etwa 10 und vorzugsweise von weniger als etwa 5 Vol.- % aufweist. Spezifisch haengt die minimale Sintertemperatur hauptsaechlich von der Zusammensetzung (d.h. der Position im Phasendiagramm der Figur 4), der Dichte des Presslings, der Teilchengroesse des Aluminiumnitrids und zu einem geringeren Masse von der Teilchengroesse von Yttriumoxid und Kohlenstoff ab. Die minimale Sintertemperatur erhoeht sich in dem Masse, wie sich die Zusammensetzung von der Linie MJ zur Linie LK bewegt, und in dem Masse, in dem die Teilchengroesse des Aluminiumnitrids, und zu einem geringeren Masse die von Yttriumoxid und Kohlenstoff, zunimmt. Bei der Linie MJ, oder einer Zusammensetzung, die durch einen Punkt oder Punkte nahe der Linie MJ innerhalb des Vielecks JKLM repraesentiert ist, variiert die minimale Sintertemperatur von etwa 1860 ⁰C fuer die Teilchengroessen- Kombination von Aluminiumnitrid, Yttriumoxid, bzw. Kohlenstoff von etwa 5,0, 2,8 bzw.

200 m /g bis etwa 1890 ⁰C fuer die Teilchengroessen- Kombination von Aluminiumnitrid, Yttriumoxid bzw. Kohlenstoff von etwa 0,5, 0,5 bzw 20 m /g. Bei der Linie LK variiert die minimale Sintertemperatur von etwa 1960 ⁰C fuer die Teilchengroessenkombination von Aluminiumnitrid, Yttriumoxid bzw. Kohlenstoff von etwa 5,0, 2,8 bzw. 200 m /g bis zu etwa 2000 ⁰C fuer die Teilchengroessen- Kombination von Aluminiumnitrid, Yttriumoxid, bzw. Kohlenstoff von etwa 1,5, 0,6 bzw. m²/g.

Fuer die Zusammensetzung, die durch das Vieleck UMJV nach Figur 4 definiert und umfasst ist und die ein Aluminiumnitrid-Pulver in der fertigen Mischung oder dem Pressling mit einer spezifischen Oberflaeche von mindestens etwa 3,4 m /g enthaelt, betraegt die minimale Sintertemperatur etwa 1900 ⁰C, um einen Sinterkoerper zu erhalten, dessen Porositaet weniger als etwa 2 Vol.-% des Sinterkoerpers ausmacht.

Der desoxidierte Pressling wird vorzugsweise bei Umgebungsdruck in einer gasfoermigen, stickstoffhaltigen, nicht-oxidierenden Atmosphaere gesintert, die zumindest ausreichend Stickstoff enthaelt, um einen merklichen Gewichtsverlust des Aluminiumnitrids zu verhindern. Gemaess der vorliegenden Erfindung ist Stickstoff ein notwendiger Bestandteil der Sinteratmosphaere, um irgendeinen merklichen Gewichtsverlust des AlN waehrend des Sinterns zu verhindern, und um die Desoxidationsbehandlung zu optimieren und Kohenstoff zu entfernen. Der Gewichtsverlust des Aluminiumnitrids kann in Abhaengigkeit von seinem Verhaeltnis Oberflaeche : Volumen variieren, d.h. dieser Gewichtsverlust haengt ab von der Form des Koerpers, z.B. davon, ob er in Form eines duennen oder dicken Bandes vorliegt. Im allgemeinen liegt daher der Gewichtsverlust des Aluminiumnitrids im Bereich von mehr als etwa 5 Gew.-% bis zu mehr als etwa 10 Gew.-%. Vorzugsweise ist die stickstoffhaltige Atmosphaere Stickstoff oder sie ist eine Mischung mit mindestens etwa 25 Vol.-% Stickstoff und einem Gas, das ausgewaehlt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, einem Edelgas, wie Argon, und deren Mischungen. Weiter ist die stickstoffhaltige Atmosphaere vorzugsweise zusammengesetzt aus einer Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff, insbesondere einer Mischung, die

35 etwa 1 bis etwa 5 Vol.-% Wasserstoff enthaelt.

Die Sinterzeit ist empirisch bestimmbar. Ueblicherweise liegt sie im Bereich von etwa 40 bis etwa 90 Minuten.

In einer Ausfuehrungsform, z.B. der, bei der die Zusammensetzung durch das Vieleck JKLM der Figur 4, ausgenommen die Linien MJ und LK, definiert ist, bei der das Aluminiumnitrid im desoxidierten Pressling Sauerstoff enthaelt, desoxidiert das Yttriumoxid das Aluminiumnitrid weiter, indem es unter Bildung von Y.AI-Oq -mit dem Sauerstoff reagiert und so die Sauerstoffmenge im AlN- Gitter vermindert und zur Bildung des erfindungsgemaessen Sinterkoerpers mit einer Phasen- zusammensetzung fuehrt, die zusammengesetzt ist aus AlN und einer zweiten Phasenmischung aus ^₂°3 und Y₄Al₃O₉.

In einer anderen Ausfuehrungsform, z.B. der der Linie LK der Figur 4, bei der Aluminiumnitrid im desoxidierten Pressling Sauerstoff enthaelt, in einer Menge, die betraechtlich geringer ist, als die der Zusammensetzung nach dem Vieleck JKLM, aber ohne die Linien MJ und LK, nach Figur 4, hat der erhaltene Sinterkoerper eine Phasenzusammensetzung aus AlN und ¥9^3·

In einer Ausfuehrungsform des erfindungsgemaessen Verfahrens zur Herstellung des Sinterkoerpers mit einer Zusammensetzung, die durch das Vieleck UMJV, aber ohne die Linie MJ, der Figur 4 definiert und umfasst ist, hat das Aluminiumnitrid- Pulver der Mischung, d.h. der getrockneten Mischung nach dem Mahlen, eine Oberflaeche im Bereich von etwa 3,4 bis etwa 4,8

2
m /g. Bei dieser Ausfuehrungsform hat das Aluminiumnitrid im Pressling vor der Desoxidation einen Sauerstoffgehalt, der allgemein im Bereich von etwa 1,5 bis

etwa 4,3 Gew.-%, und ueblicherweise im Bereich von etwa 1,9 bis etwa 4,0 Gew.-% liegt. Der desoxidierte Pressling sowie der daraus erhaltene Sinterkoeper sind aus mehr als etwa 2,5 bis etwa 4,35 Aequiyalentprozent Yttrium, etwa 95,65 bis weniger als etwa 97,5 Aequivalentprozent Aluminium, mehr als etwa 4,1 bis weniger als etwa 6,3 Aequivalentprzent Sauerstoff und von mehr als etwa 93,7 bis weniger als etwa 95,9 Aequivalentprozent Stickstoff zusammengesetzt. Dieser Pressling hat eine Sintertemperatur im Breich von etwa 1900 bis etwa 1960 ⁰C und die Sinteratmosphaere dafuer ist Stickstoff oder eine Mischung aus Stickstoff mit etwa 1 bis etwa 5 Vol.-% Wasserstoff. Der erhaltene Sinterkoerper hat eine Porositaet von weniger als etwa 2 Vol.-%, bezogen auf den Koerper, eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,42 W/cm ⁰K bei 25 ⁰C. Der Sinterkoerper dieser Ausfuehrungsform hat eine Phasenzusammensetzung, die aus AlN und einer zweiten Phasenmischung aus YpO., und Y.Al^Og zusammengesetzt ist, wobei die Gesamtmenge der zweiten Phasenmischung im Bereich von mehr als etwa 6 bis zu weniger als etwa 9,4 Vol.- %, bezogen auf den Koerper, liegt, und in der Y₃O₃ zumindest in einer durch Roentgen- Diffraktionsanalyse nachweisbaren Menge immer vorhanden ist,

25 und in der Y₄Al₃Og in einer Menge von zumindest etwa 3,4 Vol.- % immer vorhanden ist.

In einer anderen Ausfuehrungsform des erfindungsgemaessen Verfahrens hat das Aluminiumnitrid- PuI-ver in der erfindungsgemaessen Mischung eine Ober-

2 flaeche von mehr als etwa 3,2 bis etwa 6,0 m /g, die Sintertemperatur liegt im Bereich von etwa 1900 bis etwa 2050 ⁰C und die Sinteratmosphaere ist Stickstoff oder eine Mischung aus Stickstoff mit etwa 1 bis etwa 5 Vol.- % Wasserstoff, um einen Sinterkoerper herzustellen, der einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,04

Gew.- % hat, eine Porositaet von weniger als etwa 2 Vol.- % und eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als etwa 1,53 W/cm ⁰K bei 25 ⁰C.

· In einer weiteren Ausfuehrungsform der vorliegenden Erfindung hat das Aluminiumnitrid- Pulver in der erfindungsgemaessen Mischung eine Oberflaeche im Be-

2 reich von mehr als etwa 3,2 bis etwa 6 m /g, die Sintertemperatur liegt im Bereich von etwa 1950 bis etwa 2050 ⁰C und die Sinteratmosphaere ist Stickstoff oder eine Mischung aus Stickstoff mit etwa 1 bis etwa 5 Vol.- % Wasserstoff, um einen Sinterkoerper zu erhalten, der einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,04 Gew.- %, eine Porositaet von weniger als etwa 2 Vol.- % und eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als etwa 1,64 W/cm ⁰K bei 25 ⁰C aufweist.

Der erfindungsgemaesse gesinterte polykristalline Koerper ist ein drucklos gesinterter keramischer Koerper. unter drucklosem Sintern wird in der vorliegenden Anmeldung das Verdichten des desoxidierten Presslings bei Umgebungsdruck verstanden,, d.h. ohne die Anwendung von mechanischem Druck, wobei die Verdichtung zu einem keramischen Koerper mit einer Porositaet von weniger als etwa 10 und vorzugsweise weniger als etwa 5 Vol.- % fuehrt.

Der polykristalline Koerper nach der vorliegenden Erfindung hat das Aussehen eines fluessigphasengesinterten Koerpers, d.h. der Koerper sintert aufgrund der Anwesenheit einer fluessigen Phase, die bei der Sintertemperatur als fluessige Phase vorhanden und reich an Yttrium und Sauerstoff ist und etwas Aluminium und Stickstoff enthaelt. Im wesentlichen alle AlN- Koerner sind abgerundet oder doch merklich oder im wesentlichen abgerundet und haben eine glatte Ober-

flaeche, d.h. sie haben das Aussehen, wie bei einer fluessigphasen- gesinterten Keramik. Bei dem erfindungsgemaessen polykristallinen Koerper haben die AlN- Koerner etwa die gleichen Abmessungen in allen Richtungen und sie sind weder langgestreckt noch scheibenfoermig. Im allgemeinen hat die AlN- Phase eine mittlere Korngroesse von etwa 1 bis etwa 20 ,um. Eine intergranulare sekundaere Phase aus ¥₂°3 ^{oder e}i^ne* Mischung von Y₂O₃ und Y₄Al₃O₉ ist entlang einigen AlN- Korngrenzen vorhanden. Die Morphologie des Gefueges laesst erkennen, dass diese intergranulare sekundaere Phase bei der Sintertemperatur eine Pluessigkeit war.

Der erfindungsgemaesse Sinterkoerper hat eine Porositaet von weniger als etwa 10 und allgemein weniger als etwa 5 Vol.- %, bezogen auf das Volumen des Sinterkoerpers. Vorzugsweise hat der erfindungsgemaesse Sinterkoerper eine Porositaet von weniger als 2 und am bevorzugtesten von weniger als 1 Vol.- %. Poren im Sinterkoerper haben eine geringe Groesse und sie weisen im allgemeinen einen Durchmesser von weniger als etwa 1 ,um auf. Die Porositaet kann durch uebliche metallographische Techniken und durch uebliche Dichtemessungen

25 bestimmt werden.

Bei der vorliegenden Erfindung erhoeht sich die thermische Leitfaehigkeit einer gegebenen Zusammensetzung mit der steigenden Sintertemperatur im Bereich zwischen etwa 1890 und 1950 ⁰C. Die thermische Leitfaehigkeit eines gegebenen Sinterkoerpers nimmt auch mit abnehmender Porositaet zu.

Das erfindungsgemaesse Verfahren ist ein kontrolliertes Verfahren zum Herstellen eines Sinterkoerpers aus Aluminiumnitrid mit einer thermischen Leit

faehigkeit von mehr als 1,00 und vorzugsweise von mehr als 1,42 W/cm ⁰K bei 25 ⁰C. Im allgemeinen ist die thermische Leitfaehigkeit des erfindungsgemaessen polykristallinen Koerpers geringer als die eines hochreinen Einkristalls aus Aluminiumnitrid, die etwa 2,8 W/cm ⁰K bei 25 ⁰C betraegt. Werden das gleiche Verfahren und die gleichen Bedingungen durch das gesamte erfindungsgemaes.se Verfahren hindurch benutzt, dann hat der erfindungsgemaesse Sinterkoerper eine thermische Leitfaehigkeit und eine Zusammensetzung, die reproduzierbar sind und sich nicht merklich voneinander unterscheiden.

Bei dem erfindungsgemaessen Verfahren nimmt Aluminiumnitrid Sauerstoff in einer kontrollierbaren oder im wesentlichen kontrollierbaren Weise auf. Wenn das gleiche Verfahren und die gleichen Bedingungen bei dem erfindungsgemaessen Verfahren benutzt werden, dann ist die vom Aluminiumnitrid aufgenommene Sauerstoffmenge reproduzierbar oder sie differiert nicht merklieh. Im Gegensatz zu Yttrium, Yttriumnitrid und Yttriumhydrid nehmen Yttriumoxyd oder der Vorlaeufer dafuer, keinen Sauerstoff, oder doch zumindest keine merklich Menge Sauerstoff aus der Luft oder anderen Medien auf, die bei dem erfindungsgemaessen Verfahren anwesend sind. Mehr im besonderen nimmt Yttriumoxyd bei dem erfindungsgemaessen Verfahren keine Menge Sauerstoff in irgendeiner Form aus der Luft oder einem anderen Medium auf, die eine merkliche Auswirkung auf die Kontrollierbarkeit oder Reproduzierbarkeit des erfindungsgemaessen Verfahrens hat. Jeglicher Sauerstoff, den das Yttriumoxyd waehrend des erfindunbgsgemaessen Verfahrens aufnehmen koennte, ist so gering, dass er keine Wirkung oder keine merkliche Wirkung auf die thermische Leitfaehigkeit oder Zusammensetzung des erhaltenen Sinter-

35 koerpers hat.

Beispiele von Berechnungen fuer Aequivalentprozente sind die folgenden:

Fuer ein Ausgangs- AlN- Pulver von 89 g, das nach Messungen 2,3 Gew.- % Sauerstoff enthielt, wurde angenommen, dass der gesamte Sauerstoff als Al₃O₃ an Al gebunden war und dass die gemessenen 2,3 Gew.- % Sauerstoff als 4,89 Gew.- % Al₃O₃ vorhanden waren, sodass man annahm, dass das Aluminiumnitrid- Pulver aus 84,65 g AIn und 4,35 g Al₃O₃ zusammengesetzt war.

Eine Mischung wurde hergestellt aus den 89 g des Ausgangs- AlN- Pulvers, 9,7 g ¥₂°3 ^{und 1}^²⁵ 9 freiem Kohlenstoff.

Waehrend des Verarbeitens nahm dieses

AlN- Pulver weiteren Sauerstoff auf anhand von Reaktionen, die aehnlich der folgenden Gleichung (4) waren

(4) 2 AlN + 3H₂O >· Al₃O₃ + NH₃

20 und enthielt danach 2,6 Gew.- % Sauerstoff.

Der erhaltene Pressling hatte nun die folgende Zusammensetzung:

89,11 g AlN- Pulver mit 2,6 Gew.- % Sauerstoff (84,19 g AlN + 4,92 g Al₃O₃), 9,7 g Y₃O₃ und 1,25 g Kohlenstoff.

Es wurde angenommen, dass waehrend der Desoxidation des Presslings der gesamte Kohlenstoff mit dem Al₃O₃ nach der folgenden Gleichung (5) reagiert.

(5) Al₃O₃ + 3C + N₃—»2A1N + 3CO, ..

Bei der vorliegenden Erfindung wird der Kohlenstoff nicht X₃O₃ sondern Al₃O₃ reduzieren.

Nachdem die Reaktion (5) vollstaendig abgelaufen ist, besteht der desoxidierte Pressling nun aus der folgenden Zusammensetzung, die auf der Grundlage der
Umsetzung (5) errechnet wurde:

5 86,43 g AlN- Pulver mit 0,6 Gew.- % Sauerstoff (85,04 g AlN + 1,38 g Al₂O₃) und 9,7 g *₂ ^O3·

Aus dieser gewichtsmaessigen Zusammensetzung
kann die Zusammensetzung in Aequivalentprozent folgen-10 dermassen errechnet werden:

	AlN	Gew.(g) l·	Valenz	lol Aequivalente	Eq = M X V	3	6,224	■ν 1ΠΠΪ
	Al₂O ^Y2°3	85,04	Mole - Gewicht	2,075		3	8,138 χ 10~² 0,258
15	3 1.38 9,7	MW	1,356 χ 10"² 4,296 χ 10"²	3
	Gesamtaequivalente	- 6,564	2
	V =
	M =	(g)
20
	MW =	Molekulargewicht
	Eq =	Aequivalente

25
	Wertigkeiten: Al +



30		Y im desoxidierten Pressling
	Y Η	Zahl der Y-Aequivalente
	Ν -
	0 -

Aequivalentprozent
(6)

Zahl der Y-Aequiv.+ Zahl der Al-Aequiv. 35

χ 100 % = 3,93%

Aequivalentprozent O im desoxidieren Pressling = (7) Zahl der 0- Aequivalente

x 100%

Zahl der O- Aequiv. + Zahl der N- Aequiv.

(8) 8,138 χ 10~² + 0,258

χ 100% = 5,17%

6,564

Dieser desoxidierte Pressling sowie der daraus erhaltene Sinterkoerper enthielten etwa 3,93 Aequivalentprozent Y und etwa 5,17 Aequivalentprozent Sauerstoff.

Um den erfindungsgemaessen Sinterkoerper herzustellen, der 4,0 Aequivalentprozent Y und 5,0 Aequivalentprozent O enthaelt, d.h. der zusammengesetzt ist aus 4 Aequivalentprozent Y, 96 Aequivalentprozent Al, Aequivalentprozent O und 95 Aequivalentprozent N, unter Verwendung eines AlN- Pulvers, das 2,3 Gew.- % Sauerstoff (4,89 Gew.- % Al₃O₃) enthielt, koennen folgende Berechnungen in Gew.- % aus den Aequivalentprozent vorgenommen werden:

100 g = Gewicht des AlN- Pulvers, x g = Gewicht des ¥₂°3~ ^Pulvers'

ζ g = Gewicht des Kohlenstoffpulvers.

Man nimmt an, dass waehrend der Verarbeitung das AlN- Pulver weiteren Sauerstoff nach einer Reaktion aehnlich der folgenden Gleichung (9) aufnimmt und der Pressling vor der Desoxidation 2,6 Gew.- % Sauerstoff (5,52 Gew.- % Al₃O₃) enthaelt und 100,12 g wiegt.

(9) 2 AlN + 3H₂O—^Al₂O₃ + 2NH₃

Nach dem Verarbeiten kann man davon ausgehen, dass der Pressling die folgende Zusammensetzung hat:

Gewicht (g) Mol Aequivalente

2,308 6,923

AlN	94,	59
Al₂O₃	5,	53
Y₂O₃		X
C		Z

0,0542 0,325

4,429 χ

0,833z

4,429 χ 10~³x 0,02657x

Waehrend der Desoxidation reduzieren 3 Mole Kohlenstoff 1 Mol Al₃O₃ und in Gegenwart von Stickstoff bildet das Mol Al₃O₃ 2 Mole AlN nach der folgenden Reaktionsgleichung:

(10) Al₃O₃ + 3C + N₂-»2A1N + 3CO

Nach der Desoxidation hat sich der gesamte Kohlenstoff umgesetzt, und man kann davon ausgehen, dass der Pressling die folgende Zusammensetzung hat 20

	25	AlN	Gewicht (g	)	1665z	2	,308	Mole
AlN	Al₂O₃	94,59 + 2,	275z	1665z	0 4	,0542 ,429	+ 0,0551z
^A12°3 Y₂O₃	^Y2°3	5,53 - 2, X	830z				- 0,02775z x 10"³x
Aequivalente
6,923 + 0,
0,325 - 0,
0,02657x

30T= Gesamtaequivalente = 7,248 + 0,02657 x

(11) Aequivalentfraktion von Y = 0,04 ■ 0,02657 χ

(12) Aequivalentfraktion von O = 0,05 =

0,325-0.1665z + 0,02657x 35

Dann loest man die Gleichungen (11) und (12) fuer χ und ζ und erhaelt:

χ = 11,37 g Y₂°3~ ^Pulver ζ= 1,50 g freier Kohlenstoff.

Ein Koerper mit einer Form, die als Substrat brauchbar ist, d.h. in der Form ,eines flachen duennen Stueckes gleichmaessiger Dicke oder ohne merklichen Unterschied der Dicke, der ueblicherweise als Substrat oder Band bezeichnet wird, kann waehrend des Sinterns seine Flachheit verlieren, z.B. eine Verwerfung erleiden und der erhaltene Sinterkoerper kann eine Waermebehandlung nach dem Sintern erfordern, um ihn wieder flach zu machen und somit brauchbar als Substrat. Dieses Nicht- Flachsein oder Verwerfen tritt mit einiger Wahrscheinlichkeit beim Sintern des Koerpers in Form eines Substrates oder Bandes mit einer Dicke von weniger als etwa 1,8 mm auf, und dieses Verwerfen kann durch eine abflachende Behandlung beseitigt werden, d.h. durch Erhitzen des gesinterten Koerpers als Substrat oder Band unter ausreichend Druck bei einer Temperatur im Sintertemperaturbereich fuer die besondere Zusammensetzung des Koerpers und fuer eine Zeit, die empirisch bestimmbar ist, um den sandwichartig eingezwaengten Koerper unterhalb seiner Sintertemperatur abzukuehlen, bevor man das erhaltene flache Substrat oder Band gewinnt.

Gemaess einer Ausfuehrungsform dieses Abflachverfahrens wird das nicht flache Substrat oder Band sandwichartig zwischen zwei Platten gelegt und von diesen Platten durch eine duenne Schicht von AlN- Pulver getrennt, dann wird der sandwichartig angeordnete Koerper fuer die jeweilige Zusammensetzung auf seine Sintertemperatur erhitzt, d.h. von etwa 1860 bis etwa

2050 ⁰C und zwar in der Sinteratmosphaere, vorzugsweise bei Atmosphaerendruck, d.h. der stickstoffhaltigen, nicht-oxidierenden Atmosphaere, die fuer das Sintern brauchbar ist, und waehrend dieses Erhitzens wird auf den Koerper ein Druck ausgeuebt, der zumindest ausreicht, ihn abzuflachen, wobei der Druck im allgemeinen mindestens etwa 210 Pa betraegt und das Ausueben des Druckes fuer eine Zeitdauer erfolgt, die ausreicht, den sandwichartig angeordneten Koerper abzuflachen. Danach laesst man ihn unterhalb seiner Sintertemperatur abkuehlen, bevor man ihn herausnimmt.

Eine Ausfuehrungsform zum Ausfuehren dieser Abflachungsbehandlung eines gesinterten duennen Koerpers oder Substratbandes umfasst das sandwichartige Anordnen des gesinterten, nicht-flachen Substrates oder Bandes zwischen zwei Platten aus einem Material, die keine merkliche nachteilige Auswirkung auf den Koerper haben, wie aus Molybdaen oder Wolfram, oder einer Legierung, die mindestens etwa 80 Gew.- % Wolfram oder Molybdaen enthaelt. Das sandwichartig angeordnete Substrat oder Band wird von den Platten durch eine duenne Schicht getrennt, vorzugsweise einem nicht zusammenhaengenden üeberzug oder einer nicht zusammenhaengenden Monoschicht aus Aluminiumnitrid- Pulver, die vorzugsweise gerade ausreicht, zu verhindern, dass der Koerper waehrend der Waermebehandlung zum Abflachen an den Oberflaechen der Platten haftet. Im allgemeinen betraegt der ausgeuebte Abflachungsdruck mindestens etwa 210 Pa. Eine Verminderung der Abflachungstemperatur erfordert eine Zunahme beim Abflachungsdruck oder der Abflachungszeit. So ergibt z.B. das Erhitzen des sandwichartig angeordneten Sinterkoerpers auf die Sintertemperatur unter einem Druck von etwa 210 Pa bis zu etwa 3500 Pa fuer eine Stunde in Stickstoff einen flachen Koerper, der brauchbar ist als Substrat, insbesondere

als Traegersubstrat fuer einen Halbleiter, wie ein Silizium- Chip.

Die vorliegende Erfindung ermoeglicht es, einfache, komplexe und/oder hohle keramische Gegenstaende aus polykristallinem Aluminiumnitrid direkt herzustellen. Der erfindungsgemaesse Sinterkoerper kann hergestellt werden in Form eines brauchbaren komplexen Gegenstandes ohne maschinelle Bearbeitung, wie in Form eines undurchlaessigen Tiegels, eines duennwandigen Rohres, eines langen Stabes oder eines kugelfoermigen Koerpers·, eines Bandes oder eines hohlen Gegenstandes. Die Abmessungen des erfindungsgemaessen Sinterkoerpers unterscheiden sich von denen des ungesinterten Koerpers durch das Ausmass der Schrumpfung, d.h. der Verdichtung, die waehrend des Sinterns auftritt.

Der erfindungsgemaesse Keramikkoerper hat eine Anzahl von Anwendungen. In Form eines duennen flachen Stueckes gleichmaessiger Dicke oder ohne merkliche Unterschiede in seiner Dicke, d.h. in Form eines Substrates oder Bandes, ist der erfindungsgemaesse Keramikkoerper besonders brauchbar zum Verpacken von integrierten Schaltungen und als Traegersubstrat fuer eine integrierte Schaltung, insbesondere als Substrat fuer ein halbleitendes Si- Chip zum Einsatz in Computern. Der erfindungsgemaesse Keramikkoerper ist auch brauchbar als ümhuellung fuer Temperatursensoren.

Die Erfindung wird im folgenden durch Beispiele naeher erlaeutert, bei denen das Verfahren folgendermassen ausgefuehrt wurde, sofern in den Beispielen nichts anderes angegeben ist:

Das Aluminiumnitrid- Pulver enthaelt Sauerstoff in einer Menge von weniger als 4 Gew.- %.

Das Aluminiumnitrid- Pulver hatte mit Ausnahme

von Sauerstoff eine Reinheit von mehr als 99 % reinem AlN.

In den Beispielen 9 bis 12 und 33 bis 41 der

Tabelle II hatte das als Ausgangsmaterial eingesetzte ο Aluminiumnitrid- Pulver eine Oberflaeche von 3_r4 m /g (0,541 ,um) und, beruhend auf einer Reihe von mit Kohlenstoffpulver ausgefuehrten Desoxidationen, enthielt es etwa 2,4 Gew.- % Sauerstoff.

In den Beispielen 6 bis 8, 16 bis 22 und 29 bis 31 der Tabelle II und den Beispielen 53A und 53B der Tabelle III hatte das als Ausgangsmaterial eingesetzte Aluminiumnitrid- Pulver eine Oberflaeche von 3,84 m /g (0,479 ,um) und es enthielt 2,1 Gew.- % Sauerstoff, wie durch Neutronen- Aktivierungsanalyse bestimmt wurde.

In den weiteren Beispielen der Tabelle II hatte das Ausgangs- Aluminiumnitrid- Pulver eine Oberflaeche von 4,96 m /g (0,371.Um) und enthielt 2,25 Gew.- % Sauerstoff, wie durch Neutronen- Aktivierungsanalyse bestimmt wurde.

In allen Beispielen der Tabelle II hatte das Y₀Oo- Pulver vor dem Vermischen, d.h. so, wie es erhalten wurde, eine Oberflaeche von etwa 2,75 m /g.

Der in allen Beispielen der Tabellen II und III eingesetzte Kohlenstoff war Graphit. In den Beispielen 29 bis 31, 48, 49 und 52 hatte der Graphit eine Oberflaeche von 25 m /g (0,13 ,um), und in allen uebrigen Beispielen der Tabellen II und III hatte der

2 Graphit eine spezifische Oberflaeche von 200 m /g

30 (0,017 ,um), wie vom Verkaeufer angegeben.

Zum Vermischen der Pulver wurde in allen Beispielen der Tabellen II und III nicht- waessriges Hexan benutzt.

In allen Beispielen der Tabellen II und III, ausgenommen Beipiel 39, war das Mahlmedium heissgepresstes Aluminiumnitrid in der etwaigen Form von Wuer-

■- ■ "?

fein oder Rechtecken mit einer Dichte von etwa 100%. In Beispiel 39 wurde als Mahlmedium Stahl geringen Kohlenstoff gehaltes in Porm von Kugeln benutzt.

In allen Beispielen der Tabellen II und III wurde die gemahlene fluessige Dispersion der gegebenen Pulvermischung bei Umgebungsdruck in Luft unter einer Heizlampe fuer etwa 20 Minuten getrocknet, und waehrend dieses Trocknens nahm die Mischung Sauerstoff aus der Luft auf.

In allen Beispielen der Tabellen II und III wurde die getrocknete gemahlene Pulvermischung in einem Werkzeug in Luft bei Zimmertemperatur unter einem Druck gepresst, um einen Pressling zu ergeben, dessen Dichte etwa 55% der theoretischen Dichte betrug. In den Beispielen 1 bis 4 betrug der Werkzeugdruck etwa 70,3 χ 10 Pa (entsprechend 10 Kpsi) und in allen uebrigen Beispielen betrug er etwa 35,15 χ 10 Pa (entsprechend 5 Kpsi).

In den Beispielen der Tabellen II und III, bei denen der Sinterkoerper als Groesse A oder Groesse B angegeben ist, hatten die Presslinge die Form einer Scheibe, in den Beispielen, in denen der,Sinterkoerper als Groesse C angegeben ist, hatten die Presslinge die Form eines Stabes und in den Beispielen, in denen der Sinterkoerper als Groesse D angegeben ist, hatten die Presslinge die Form eines Substrates, das ein duennes flaches Stueck, wie ein Band, gleichmaessiger Dicke oder zumindest einer Dicke war, die nicht merklich differierte.

In allen Beispielen der Tabellen II und III hatte die gegebene Pulvermischung ebenso wie der daraus hergestellte Pressling eine Zusammensetzung, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt L bis zum Punkt J der Figur 4 lagen.

Die Zusammensetzung der Presslinge aller Beispiele der Tabellen II und III hinsichtlich Y, Al, O

und N in Aequivalentprozent, und zwar vor der Desoxidation, lag ausserhalb der Zusammensetzung, die durch das Vieleck JKLM der Figur 4 definiert und umfasst ist. In allen Beispielen der Tabellen II und III enthielt das Aluminiumnitrid im Pressling vor der Desoxidation Sauerstoff in einer Menge von mehr als etwa 1,4 bis zu weniger als etwa 4,5 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid.

Die Zusammensetzung der desoxidierten Presslinge aller Beispiele der Tabellen II und III, ausgenommen die Beispiele 23, 25, 26, 28, 40, 41 und 42, wurden durch das Vieleck JKLM der Figur 4, aber ohne die Linie MJ, definiert und umfasst.

Die Beispiele in den Tabellen II und III mit der gleichen Zahl, aber den Buchstaben A oder B, bedeuten, dass sie in einer identischen Weise ausgefuehrt wurden, d.h. die Pulvermischungen und die Presslinge wurden in gleicher Weise hergestellt und sie hatten die gleiche Zusammensetzung, die Presslinge wurden unter

20 identischen Bedingungen waermebehandelt, d.h. die

Presslinge wurden Seite an Seite im Ofen angeordnet, so dass man auf diese Beispiele, die zusaetzlich zu ihrer Nummer ein A oder B haben, nur durch ihre Nummer Bezug zu nehmen braucht.

In allen Beispielen der Tabellen II und III wurde die gleiche Atmosphaere benutzt, um die Desoxidation der Presslinge auszufuehren, wie sie zum Sintern der desoxidierten Presslinge eingesetzt wurde, ausgenommen dass die Atmosphaere fuer die Oxidation mit einer Geschwindigkeit von etwa 28,3 l/h dem Ofen zugefuehrt wurde, um die Entfernung der bei der Desoxidation entstehenden Gase zu unterstuetzen, waehrend die Stroemungsgeschwindigkeit waehrend des Sinterns weniger als etwa 2,83 l/h betrug.

Die Atmosphaere waehrend der Waermebehandlung in den Beispielen der Tabellen II und III befand sich

unter Umgebungsdruck, der gleich dem Atmosphaerendruck oder etwa dem Atmosphaerendruck war.

Der Ofen wurde mittels eines Molybdaen- Heizelementes betrieben.

· Die Presslinge wurden in dem Ofen auf eine gegebene Desoxidationstemperatur mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 °C/min erhitzt und dann auf die gegebene Sintertmeperatur mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 °C/min.

In den Beispielen, in denen keine Desoxidation angegeben ist, wurden die Presslinge mit einer.Geschwindigkeit von etwa 100 °C/min auf die angegebene Sintertemperatur erhitzt, ausgenommen in den Beispielen 40 und 41, bei denen das Erhitzen auf die angegebene Sintertemperatur mit einer Geschwindigkeit von etwa °C/min erfolgte.

Die Sinteratmosphaere befand sich bei Umgebungsdruck, d.h. bei atmosphaerischem oder etwa atmosphaerischem Druck.

Nach Beendigung der Waermebehandlung wurden die Proben im Ofen auf etwa Raumtemperatur abgekuehlt.

In den Tabellen II und HI sind,, die Eigenschaften des Sinterkoerpers angegeben, doch wurden bei den Beispielen, bei denen kein Sintern erfolgte, die Eigenschaften des desoxidierten Presslings angegeben.

Alle Beispiele der Tabellen II und III wurden im wesentlichen in der gleichen Weise ausgefuehrt, es sei denn, in den Tabellen II und III oder in der vorliegenden Beschreibung ist etwas anderes angegeben.

Der Kohlenstoffgehalt des Sinterkoerpers oder des desoxidierten Presslings wurde mittels einer ueblichen chemischen Analyse bestimmt.

Auf der Grundlage des vorbestimmten Sauerstoffgehaltes der eingesetzten AlN- Pulver und der bestimmten Zusammensetzungen der erhaltenen Sinterkoer

per, sowie anderer Experimente, wurde errechnet oder geschaetzt, dass in jedem Beispiel in Tabelle II das Aluminiumnitrid im Pressling vor der Desoxidation einen Sauerstoffgehalt aufwies, der etwa 0,3 Gew.- % hoeher war als der des eingesetzten Aluminiumnitrid- Pulvers.

Der gemessene Sauerstoffgehalt wurde durch Neutronen- Aktivierungsanalyse bestimmt und er ist in Gewichtsprozent angegeben, d.h. in Gewichtsprozent, be-

zogen auf das Gewicht des Sinterkoerpers.

in den Tabellen II und III wurde in den Beispielen, bei denen der Sauerstoffgehalt des Sinterkoerpers gemessen wurde, die Zusammensetzung des Sinterkoerpers in Aequivalentprozent errechnet aus der Zusammensetzung des Ausgangspulvers und aus dem angegebenen gemessenen Sauerstoffgehalt des Sinterkoerpers. Es wurde angenommen, dass Y, Al, N bzw. O ihre ueblichen Wertigkeiten von +3, +3, -3 bzw. -2 hatten.

Bei den Sinterkoerpern wurde angenommen, dass die Menge an Y und Al die gleiche war wie beim Ausgangspulver. Es wurde angenommen, dass beim Verarbeiten der Verlust an Stickstoff und der Gewinn an Sauerstoff mengenmaessig nach der folgenden Gesamtg^eichung erfolgt war:

25 (13) AlN + 3/2O₂-^Al₂O₃ + N₂

Waehrend der Desoxidation, so wurde angenommen, trat ein Sauerstoffverlust und ein Stickstoffgewinn gemaess der folgenden Gesamtgleichung auf: 30

(14) Al₂O₃ + 3C + N₂--> 2AlN + 3CO

Der Stickstoffgehalt des Sinterkoerpers wurde bestimmt, indem man den anfaenglichen Sauerstoffgehalt des eingesetzten Aluminiumnitrid- Pulvers sowie den Sauerstoffgehalt des Sinterkoerpers bestimmte, und an-

-"S

nahm, dass die Reaktionen (13) und (14) stattgefunden hatten.

In den Tabellen II und III bedeutet eine Tilde vor dem Sauerstoffgehalt in Aequivalentprozent fuer die Sinterkoerper, dass deren Sauerstoffgehalt nicht gemessen, sondern errechnet wurde. Diese Berechnungen beruhten auf den zusammensetzungen der Pulvermischungen sowie des erhaltenen Sinterkoerpers, und sie wurden fol-

10 gendermassen ausgefuehrt:

Die Beispiele 13A und B (85A und 85 Al) hatten angenommener Weise den gleichen Sauerstoffgehalt in Aequivalentprozent wie Beispiel 15A (85Dl). Von Beispiel 8 (132B) wurde angenommen, dass es den gleichen Sauerstoffgehalt in Aequivalentprozent hatte, wie Beispiel 7 (122P). Beispiel 10 (130C), so nahm man an, hatte den gleichen Sauerstoffgehalt in Aequivalentprozent wie Beispiel 9 (130A). Die Beispiele HA (134A) und 12 (134B) hatten angenommenermassen den gleichen Sauerstoffgehalt in Aequivalentprozent wie Beispiel HB (134A1). Man nahm an, dass die Beispiele 16 (121G), 20 (131A) und 21 (131C) den gleichen Sauerstoffgehalt in Aequivalentprozent hatten, wie Beispiel 19 (121A). Man nahm weiter an, dass Beispiel" 31 (128C) den gleichen Sauerstoffgehalt in Aequivalentprozent hatte, wie Beispiel 29A (128A). Die Beispiele 34 (140C) und 35 (140D) hatten, so nahm man an, den gleichen Sauerstoffgehalt in Aeequivalentprozent wie Beispiel 33 (140A). Von Beispiel 37 (141F) nahm man an, dass es den gleichen Sauerstoffgehalt in Aequivalentprozent hatte, wie Beispiel 36 (141D). Der Sauerstoffgehalt der Beispiele 7 (122P), HB (134A1), 9 (130A), 19 (121Al), 18B (121Pl), 22 (131E), 27B (90Fl), 33 (140A), 36 (141D), 38 (142), 29A (128A) und 39 (148A) wurde nach der folgenden Gleichung

35 errechnet:

(15) 0 = (2,91R + 3,82) ' Y

3,86 worin O = Aequivalentprozente Sauerstoff

Y = Aequivalentprozente Yttrium ⁵ (16) R v/o Y₄Al₂O₃

v/o Y₄Al₂O₉ + v/o Y₂O₃

Von dem Sauerstoffgehalt in Aequivalentprozent der Beispiele 25 (90Bl), 26 (90D2) und 28 (90R) nahm man an, dass es der gleiche war, wie in Beispiel 23 (84P).

Der Sauerstoffgehalt in Aequivalentprozent der Beispiele 43 bis 48, 50, 51 und 53B (Proben 16IA, 164A, 163A, 166A, 168A, 169A, 170B, 162A und 131Dl) wurde nach der folgenden Gleichung errechnet:

O - (2,91 R + 3,82) _Y

3,86 20

Der sauerstoffgehalt des Beispiels 52 in Aequivalentprozent (Probe 174A) wurde aufgrund der Roentgen- Diffraktionsanalysenergebnisse abgeschaetzt.

Der Sauerstoffgehalt des Beispiels 49 in

Aequivalentprozent (Probe 170A) war angenommenermassen der gleiche, wie der Sauerstoffgehalt des Beispiels 50 in Aequivalentprozent (Probe 170B).

Der Gewichtsverlust in den Tabellen II und III ist der Unterschied zwischen dem Gewicht des Presslings nach dem Pressen im Werkzeug und dem Gewicht des erhaltenen Sinterkoerpers.

Die Dichte des Sinterkoerpers wurde nach dem Archimedes- Verfahren bestimmt.

Die Porositaet des Sinterkoerpers wurde bestimmt aufgrund der bekannten theoretischen Dichte des Sinterkoerpers auf der Grundlage seiner Zusammensetzung

und Vergleichen mit der Dichte, die aufgrund der folgenden Gleichung gemessen wurde:

(17) Porositaet = (1 - gemessene Dichte) 100% theoretische Dichte

Die Phasenzusammensetzung des Sinterkoerpers wurde durch optische Mikroskopie und Roentgen- Diffraktionsanalyse bestimmt, und jeder Sinterkoerper war aus eines AlN- Phase in Volumenprozent und den angegebenen Volumenprozent der angegebenen sekundaeren Phasen zusammengesetzt. Die Roentgen- Diffraktionsanalyse hinsichtlich des Volumenprozentgehaltes an sekundaerer Phase ist etwa +/- 20% des angegebenen Wertes genau.

Die thermische Leitfaehigkeit des Sinterkoerpers nach Beispiel 25 (90Bl), 26 (90B2) und 28 (90K) wurde mittels eines Laserblitzes bei etwa 25 ⁰C gemessen.

Die thermische Leitfaehigkeit des Sinterkoerpers aller uebrigen Beispiele wurde bei 25 ⁰C mittels eines Waermestroemungsverfahrens im stationaeren Zustand gemessen, wozu man eine stabfoermige Probe mit 0,4 χ 0,4 χ 2,2 cm benutzte, die aus dem Sinterkoerper geschnitten worden war. Dieses Verfahren wurde von A.Berget im Jahre 1888 entwickelt und es ist beschrieben in einem Artikel G.A.Slack in dem "Encyclopeadic Dictionary of Physics", herausgegeben von J.Thewlis, Pergamon, Oxford, 1961. Bei diesem Verfahren wird die Probe innerhalb einer Hochvakuumkammer angeordnet, mittels eines elektrischen Heizgeraetes wird an einem Ende Waerme zugefuehrt, und die Temperatur wird mit feindrahtigen Thermoelementen gemessen. Die Probe ist von einem Schutzzylinder umgeben. Die absolute Genauigkeit betraegt etwa +/- 3% und die Wiederholbarkeit etwa +/-

1%. Zum Vergleich wurde die thermische Leitfaehigkeit eines Al₀O.,- Einkristalles mit einer aehnlichen Vorrichtung bei etwa 22 C zu 0,44 W/cm K bestimmt.

. In den Tabellen II und III ist die Groesse des erhaltenen Sinterkoerpers als A_f B, C oder D angegeben. Der Koerper der Groesse A hatte die Form einer Scheibe mit einer Dicke von etwa 4,3 mm und einem Durchmesser von etwa 8,1 mm. Der Koerper der Groesse B lag auch als Scheibe vor mit einer Dicke von etwa 6,9 mm und einem Durchmesser von etwa 12,7 mm. Der Koerper der Groesse C hatte die Gestalt eines Stabes mit den Abmessungen etwa 4,1 χ etwa 4,1 χ 43,2 mm. Der Koerper der Groesse D lag in Form eines Substrates vor, d.h. eines duennen Stueckes gleichfoermiger Dicke oder ohne deutlichen unterschied in der Dicke mit einem Durchmesser von etwa 38,1 mm und einer Dicke im bereich von etwa 1,7 bis etwa 0,5 mm.

In allen Beispielen der Tabellen II und III, bei denen der gesinterte Koerper die Groesse C oder D hatte, war der Ausgangspressling durch eine duenne, nicht zusammenhaengende Schicht aus AlN- Pulver von der Molybdaenplatte getrennt.

Die Sinterkoerper der Beispiele 33 bis 38 wiesen eine gewisse Abweichung von der flachen Form auf, d.h. sie zeigten ein gewisses Verwerfen, deshalb wurde jeder einer abflachenden Behandlung unterworfen. Im einzelnen wurde jeder dieser Sinterkoerper sandwichartig zwischen einem Paar von Molybdaenplatten angeordnet. Der Sinterkoerper war von den Molybdaenplatten durch einen duennen, nicht zusammenhaengenden üeberzug oder eine Monoschicht aus Aluminiumnitrid- Pulver getrennt, die gerade ausreichte, das Haften des Sinterkoerpers waehrend der Abflachungsbehandlung an den

Platten zu verhindern. Die obere Molybdaenplatte uebte einen Druck von etwa 770 Pa auf den Sinterkoerper aus. Jeder dieser Sinterkoerper wurde in Stickstoff erhitzt, d.h. der Atmosphaere, die zum Sintern benutzt wurde, und zwar bis zu der in Tabelle II fuer den jeweiligen Koerper angegebenen Sintertemperatur, bei der er etwa eine Stunde gehalten und dann im Ofen auf Zimmertemperatur abgekuehlt wurde. Danach war der Sinterkoerper

flach und hatte eine gleichfoermige Dicke, d.h. seine Dicke differierte nicht merklich. Alle diese flachen Sinterkoerper sind brauchbar als Traegersubstrate fuer einen Halbleiter, wie ein Silizium- Chip.

Beispiel 1

1,65 g ϊ₂θ3~ Pulver ^ur*d 0,216 g Graphitpulver wurden zu 15 g Aluminiumnitrid- Pulver hinzugegeben und die Mischung wurde zusammen mit dem aus Aluminiumnitrid bestehenden Mahlmedium in nicht- waessriges Heptan in einem Kunststoffgefaess angeordnet und fuer etwa 68 h in dem abgeschlossenen Gefaess bei Zimmertemperatur vibrationsgemahlen. Die erhaltene Dispersion wurde in Luft unter einer Heizlampe fuer etwa 20 min getrocknet, und waehrend eines solchen Trochnens nahm das Aluminiumnitrid Sauerstoff aus der Luft auf. Waehrend des Mahlens nahm die Mischung etwa 0,084 g AlN aus dem aus AlN bestehenden Mahlmedium auf.

Aequivalente Anteile der erhaltenen getrockneten Mischung wurden in einem Werkzeug zu Presslingen verarbeitet.

Einer der Presslinge wurde in einem Molybdaen-Schiffchen angeordnet und mit Pulver verpackt, das das gleiche Verhaeltnis zu AlN aufwies, wie der Pressling, das aber keinen Kohlenstoff ent

hielt. Der Pressling wurde in Stickstoff auf 1600 ⁰C erhitzt, bei dieser Temperatur eine Stunde lang gehalten, woraufhin man die Temperatur auf 1900 ⁰C erhoehte, wo man den Pressling wiederum eine Stunde hielt. Dann kuehlte man den erhaltenen Sinterkoerper im Ofen auf etwa Raumtemperatur ab.

Der erhaltene Sinterkoerper hatte einen gemessenen Sauerstoffgehalt von 3,39 Gew.- %, bezogen auf den Koerper, und einen Kohlenstoffgehalt von 0,047 Gew.- %, bezogen auf den Koerper.

Die zusammensetzung des Sinterkoerpers in Aequivalentprozent betrug 6,22 % O und (100 - 6,22 %) oder 93,78 % N, 3,86 % Y und (100 - 3,86 %) oder 96,14 % Al. Diese Zusammensetzung liegt innerhalb des Vieleckes JKLM der Figur 4.

Der Sinterkoerper war zu mehr als 99% dicht und hatte eine Phasenzusammensetzung aus AlN, 1,3 Vol.- % Y₂O₃ und 6,6 Vol.- % Y₄Al₂O₉. Nach anderen Arbeiten ist bekannt, dass diesem Sinterkoerper eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,42 W/cm ⁰K bei 25 ⁰C haben wuerde.
25

Beispiele 2A und 2B

Zwei der in Beispiel 1 hergestellten Presslinge wurden Seite an Seite auf einer Molybdaenplatte angeordnet.

Man erhitzte die Presslinge in Stickstoff auf 1600 ⁰C, wo man sie eine Stunde lang hielt, und dann erhoehte man die Temperatur auf 1900 ⁰C, die wiederum fuer eine Stunde aufrecht erhalten wurde. Die Eigenschaften der erhaltenen Sinterkoerper sind in der Tabelle II angegeben.

-75- "' " ' -3S3A825

Beispiele 3A und 3B

Diese Beispiele der Tabelle Il wurden in der gleichen Weise ausgefuehrt wie die Beispiele 2A und 2B, mit der Ausnahme, dass Wasserstoff anstelle von Stickstoff als Atmosphaere benutzt wurde.

Beispiele 4A und 4B

Diese beiden Beispiele der Tabelle II wurden in gleicher Weise wie die Beispiele 2A und 2B ausgefuehrt, ausgenommen dass keine Desoxidation bei 1600 ⁰C fuer eine Stunde ausgefuehrt wurde.

15 Beispiele 5A und 5B

Diese Beispiele wurde in der gleichen Weise ausgefuehrt, wie die Beispiele 4A und 4B, mit der Ausnahme, dass anstelle von Stickstoff Wasserstoff als Atmosphaere benutzt wurde.

Beispiel 7 ,

1,653 g Y₂ ^O3"* ^{Pulver und} 0*158 g Graphitpulver wurden zu 15,07 g Aluminiumnitrid- Pulver hinzugegeben und die Mischung wurde, zusammen mit aus Aluminiumnitrid bestehendem Mahlmedium, in nicht- waessriges Heptan eingebracht, das Oelsaeure in einer Menge von etwa 0,7 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid, enthielt, und sich in einem Kunststoffgefaess befand. Es wurde fuer 18 h in dem verschlossenen Gefaess bei Raumtemperatur vibrationsgemahlen. Die erhaltene Dispersion wurde in Luft unter einer Heizlampe etwa 20 min getrocknet, und waehrend dieser Zeit nahm das Aluminiumnitrid Sauerstoff aus der Luft auf. Waehrend des Mah-

lens nahm die Mischung 0,85 g AlN aufgrund des Abriebs vom Mahlmedium auf.

Ein Teil der erhaltenen getrockneten Mischung wurde in einem Werkzeug in Luft zu einem Stab gepresst.

Dieser Pressling wurde auf 1500 ⁰C erhitzt, dort fuer eine halbe Stunde gehalten, dann erhoehte man die Temperatur auf 1600 ⁰C, hielt die Temperatur fuer etwa 1 h und erhoehte dann die Temperatur auf 1900 ⁰C, bei der man weiter eine Stunde hielt.

Die Eigenschaften des erhaltenen Sinterkoerpers sind in der Tabelle II angegeben.

in den Beispielen 6 bis 12, 16 bis 22, 29 bis 31 und 33 bis 41 wurden jeweils 0,7 Gew.- % Oelsaeure, bezogen auf das Aluminiumnitrid, zu dem Heptan als Dispersionsmittel hinzugegeben, und die Mahlzeit betrug etwa 18 h. Bei den uebrigen Beispielen gab man keine Oelsaeure hinzu und die Mahlzeit betrug etwa 68 h. 20

Die Beispiele der Tabelle II wurden in der gleichen Weise ausgefuehrt, wie oben fuer die Beispiele 2A und 2B, bzw. fuer Beispiel 7, angegeben, ausser dass in der Tabelle II oder in der vorliegenden Beschreibung etwa anderes angegeben ist.

30

TABELLE

II

Beispiel	Probe	Pulvermischung	Y₀O₁	(Gew.	Desoxidation	Zeit h	,5	"'Sintert	Zeit h	Atmosphäre
		AlN	9,75	C	Temp.-⁰C	1	,5	Temp.-⁰C	1
1	84A	88,98	Il	1,27	1600	1	,5	+ 1900	1	^N2
2A	84B	Il	Il	Il	1600	Il	/5	+ 1900	Il	N₂
2B	84B1	Il	Il	Il	Il	1	,5	+ "	1	^N2
3A	84C	Il	Il	Il	1600	Il		+ 1900	Il	H₂
3B	84C1	Il	Il	Il	Il	-	,5	+ "	1	Il
4A	84D	Il	Il	Il	-	-		1900	Il	^N2
4B	84D1	Il	Il	Il	-	-	Il	1	Il
5A	84E	Il	Il	Il	-	-	1900	Il	^H2
5B	84E1	Il	9,32	Il	-	1	Il	-	Il
6	122E	89,79	Il	0,89	1600	0 1	-	1	N₂
7	122F	Il	Il	Il	1500 1600	0 1	+ 1900	1	^N2
8	132B	Il	9,41	Il	1500 1600	0 1	+ 1950	1	^N2
9	130A	89,46	Il	1,12	1500 1600	0 1	+ 1900	1	N₂
10	130C	Il	9,19	Il	1500 1600	0 1	+ 1950	1	^N2
11A	134A	89,28	Il	1,53	1500 1600	Il	+ 1900		^N2
11B	134A1	Il	Il	Il	Il	0 1	■ 1	1	Il
12	134B	Il	9,70	Il	1500 1600	1	+ 1950	1	^N2
13A	85A	88,65	1,65	1600		+ 1900	^N2

cn co ■t^ oo ro cn

TABELLE II (Fortsetzung der Beispiele 1 bis 13A)

Eigenschaften des Körpers, der gesintert oder nur desoxidiert wurde

Gemessen Äquivalent-% Gewichts- Dichte Porosität Sekundäre Phase

0 (Gew.-%) C (Gew.-%) 0 Y erlast (%) (g/cm³) (%) YN Y₃O₃ Y₄Al₂O₉

1.3 6,6

3.4 4,2

2,2 6,6

1,7 4,6

3,39	0,047	6,22	3,86	2,4	3,40	C 1
2,90	0,019	5,31	3,86	3,4	-	-
-	-	~5,31	3,86	3,4	3,36	1
-	-	~6,83	3,86	12,5	3,39	a
3,72	0,126	6,83	3,86	11,6	-
3,01	0,070	5,51	3,86	3,4	-	-
-	-	— 5,51	3,86	3,4	3,375	a
3,47	0,380	6,36	3,86	10,9	-
-	-	λ>6,36	3,86	11,2	3,385	ii
-	0,029	-	3,66	3,3	1,91	44
-	0,015	~5,7	3,66	-	3,375	<1
-	-	~5,7	3,68	-	3,37	£1
-	0,028	~6,1	3,71	-	3,38	C1
-	-	~6,1	3,71	-	3,38	<1
-	-	-5,1	3,64	-	3,39	<;1
-	0,023	—5,1	3,64	-	-
-	-	~5,1	3,64	-	-	-
—	—	—4,6	3,85	4,0	2,63	22

1,4 5,9 &

1 I

- co

1,7 5,2 1,1 7,4

3,3 4,0

CO

cn ' co

CX)

NJ -

cn

TABELLE II (Fortsetzung der Beispiele 1 bis 13A)

Eigenschaften des Körpers, der gesintert oder nur desoxidiert wurde Thermische Leitfähigkeit Größe W/cm K bei 25 ⁰C

,60
1,71
1,49
1,51
1,51

1,57

A A A A A A A A A A C C C C C A C A

	Probe	Pulvermischung	9,70	(Gew.-%)	Forts.	TABEL	-°C Zeit h	LE II	Zeit h	Atmosphäre	• Ob O •
Beispiel		AlN	Il	C	Desoxidation	1	Sinter-	1
	85A1	88,65	Il	1,65	Temp.	1	Temp . -⁰C	1	N₂
13B	85B	Il	Il	Il	1600	Il	+ 1900	Il	N₂
14A	85B1	Il	Il	Il	1600	1	+ 2000	1	Il
14B	85D1	Il	9,30	Il	It	Il	Il	Il	^N2
15A	85D2	Il	Il	Il	1600	0,5 1	+ 1940	1	Il
15B	121G	89,52	Il	1,18	Il	1	Il	-	N₂
16	121E	Il	Il	Il	1500 1600	1	+ 1900	1	N₂
17	121F	Il	Il 9,39	■ 1	1600	Il	-	Il	Ar + 25 % N₂
18A	121F1	Il	Il	Il	1600	1 0,5 1	+ 1900	1 1	Il
18B	121A1 131A	Il 89,42	Il	Il 1 ,19	Il	0,5 1	Il	1	^N2 N₂
19 20	131C	Il	7,75	Il	1600 1500 1600	0,5 1	+ 1870 + 1870	1	N₂
21	131E	Il	Il	Il	1500 1600		+ 1950	1	Ar + 25% N₂
22	84F	88,98	Il	1 ,27	1500 1600	1	+ 1900	1	Ar
23	84G	Il	9,69	Il	-	Il	1900	Il	Ar
24A	84G1	Il	Il	Il	1600		+ 1900	1	Il
24B	90B1	88,98	Il	1 ,32	Il	1	Il	1	^H2
25	90D2	Il	Il	Il	-	1	1900	1	^H2
26	9OF	Il		Il	1600	Il	+ 1900	Il	^N2
27A	90F1	Il	Il	1600	+ 1820		Z* Il
27B			Il	Il

TABELLE II (Fortsetzung der Beispiele 13B bis 27B)

Eigenschaften des Körpers, der gesintert oder nur desoxidiert wurde

Gemessen Äquivalent-% Gewichts- Dichte Porosität Sekundäre Phase

0 (Gew.-%) C (Gew.-%) 0 Y verlust (%) (g/cm³) (%) YN

—	~4,6	3,85	4,1
0,024	4,51	3,85	5,8
-	~4,51	3,85	5,6
0,015	4,60	3,85	3,5
-	~4,60	3,85	3,5
0,011	^4,3	3,67	-
0,042	. -	3,67	3,8
-	^4,5	3,67	4,6
0,021	^4,5	3,67	4,5
-	~Ά', 3	3,67	4,1
0,007	~4,3	3,70	-
-	~4,3	3,70	-
-	^4,9	3,70	-
0,431	7,13	3,86	4,7
0,372	7,39	3,86	5,5
-	^7,39	3,86	5,6
0,658	~7,1	3,84	8,2
0,418	~7,1	3,84	6,1
-	~5,8	3,84	' 4,0
—	~5,8	3,84	4,0

2,79

18

3,38	^1
3,36	1
3,39	a
1,92	43
3,30	3

3,20 6

3,38 <M

3,34 1

3,31 2

3,36 1

2,68 21

2,67 21

^Y2°3

Y₄Al₂O₉

0,3 6,0 1,8

6,6 2,7

5,1 2,3 6,5 2,0

4,0 3,4 7,2

0,5 7,1 8,5 8,6

2,5 5,9

TABELLE II (Fortsetzung der Beispiele 13B bis 27B)

Eigenschaften des Körpers, der gesintert oder nur desoxidiert wurde
Thermische Leitfähigkeit Größe
W/cm°K bei 25°C

A A A A A

1,64 C

^A . ΐ

α *y

1,48 C

1,73 C

1,59 C

— A

^0,58 B

^0,61 B

GO

A .Ρ

cn

Forts. TABELLE II

Beispiel	Probe	Pulvermischung	It	(Gew.-%)	Il	Desoxidation	C Zeit h	Sinter-	Zeit h	Atmosphäre
		AlN	9,45	C	1,05	Temp,- <	0,5 1	Temp . -°C	1
28	9OK	Il	ti	Il	1500 1600	1	+ 1900	1 .	Ar
29A	128A	89,49	Il	ti	1600	Il	+ 1900	Il	N₂
29B	128A1	Il	Il	Il	Il	1	Il		Il
30	128B	Il	9,52	2,13	1600	0,5 1		1	N₂
31	128C	Il	It	Il	1500 1600		+ 1900	1	N₂
32A	88B	88,35	9,50	1,55	-		2000	It	^N2
32B	88B1	Il	It	Il	-	0,5 1	Il	1	Il
33	140A	88,94	Il	Il	1500 1600	It	+ 1900	Il	^N2
34	140C	Il	9,45	1,60	Il	Il	Il	Il	Il
35	14 0D	Il	Il	It	Il	0,5 1	Il	1	Il
36	141D	88,95	9,49	1 ,61	1500 1600	It	+ 1900	Il	^N2
37	141F	Il	9,76	1,54	Il	0,5 1	Il	1	Il
38	142	88,90	9,19	1,53	1500 1600	0,5 1	+ 1900	1	^N2
39	148A	88,70	Il	It	1500 1600	-	+ 1900	1	^N2
40	134C	89,28	-		1900	ti	^N2
41	134C2	Il	_	Il	Il

CJ OO UT

TABELLE II (Fortsetzung der Beispiele 28 bis 41)

Eigenschaften des Körpers, der gesintert oder nur desoxidiert wurde

Gemessen Äquivalent-% Gewichts- · Dichte Porosität Sekundäre Phase

(Gew.-%) C (Gew.-%) 0

verlust (%) (g/cm )

3,41

~7,1 3,84

0,012 ~4,6 3,72

^4,6 3,72

0,052 - 3,72

-4,6 3,72

^6,25 3,80

0,460 6,25 3,80

^5,9 3,77

~5,9 3,77

-V5,9 3,77

^5,1 3,75

0,014 -v5,1 3,75

0,021 -^5,2 3,77

~6,3 3,88

0,063 - 3,64

0,040 - 3,64

4,7
3,6
3,6
3,3

6,3
6,2

3,26

3,36 1,90 3,37 3,34

3,38 3,38 3,40 3,38

44

YN

5,2

1/8
1/6

4,1

/I" p

8,5 2,3

3,6 4,9

4,0

4,2 4,9

1,1 5,7

(2,6% YAlO₃) 5,0

TABELLE II (Fortsetzung der Beispiele 28 bis 41)

Eigenschaften des Körpers, der gesintert oder nur desoxidiert wurde Thermische Leitfähigkeit Größe W/cm°K bei 25 °C

•^0,48 B

A A A

1,60 A

D (1,7 mm dick)

D (1,02 mm dick)

D (0,51 mm dick)

D (1,53 mm dick)

D (1,4 mm dick)

1,49 C

1,38 C

A (1 mm dick)

Die Beispiele 1, 2, 4A, 4B, 7 bis 12, 14 bis 16, 18 bis 22, 29, 31 und 33 bis 39 der Tabelle II veranschaulichen die vorliegende Erfindung, und die in diesen Beispielen erhaltenen Sinterkoerper, die die vorliegende Erfindung repraesentieren, sind brauchbar zum Verpacken von integrierten Schaltungen, sowie als Substrate fuer Halbleiter, wie ein Silizium- Chip.

Ein Vergleich der Eigenschaften des Sinterkoerpers, der nach Beispiel 1 erhalten wurde, mit denen der Beispiele 2A und 2B zeigt, dass der unterschied im Gewichtsverlust nicht merklich war und dass bei dem erfindungsgemaessen Verfahren der Pressling nicht in PuI-ver eingepackt werden muss, wie dies bei Beispiel 1 geschehen ist, bevor er gesintert wird, um einen merklichen Gewichtsverlust zu vermeiden.

Auf der Grundlage anderer Arbeiten und insbesondere eines Vergleiches der Beispiele 2A und 2B mit den Beispielen 7 und 16, ist es bekannt, dass die Sinterkoerper der Beispiele 2A und 2B eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,42 W/cm ⁰K bei 25 ⁰C haben wuerden.
25

Ein Vergleich des Gewichtsverlustes der Koerper der Beispiele 3A und 3B mit den Beispielen 2A und 2B zeigt, dass das Sintern in Wasserstoff zu einem betraechtlichen Gewichtsverlust und zu einer zu grossen Menge im Sinterkoerper verbliebenen Kohlenstoffes fuehrt. Dies veranschaulicht die Bedeutung der erfindungsgemaess benutzten Stickstoffatmosphaere zum Sintern.

-8T2-

Ein Vergleich der Eigenschaften der Sinterkoerper 4A und 4B mit denen der Beispiele 5A und 5B zeigt, dass die in den Beispielen 5A und 5B benutzte Wasserstoffatmosphaere zu einem sehr viel groesseren Kohlenstoffrueckstand in dem Sinterkoerper fuehrte, sowie einen betraechtlich hoeheren Gewichtsverlust zur Folge hatte. Die Beispiele 5A und 5B illustrieren die Bedeutung der Verwendung einer Stickstoffatmosphaere.

Im Beispiel 6 wurde kein Sintern durchgefuehrt. Beispiel 6 veranschaulicht die Bedeutung der erfindungsgemaess durchgefuehrten Desoxidation des Presslings, wie der geringe Kohlenstoffgehalt des des-

15 oxidierten Presslings zeigt.

Ein Vergleich der Kohlenstoffgehalte der Koerper der Beispiele 6 und 7 zeigt weiter die Wirksamkeit der erfindungsgemaess durchgefuehrten Desoxidation, wie der geringe Kohlenstoffgehalt des Sinterkoerpers nach Beispiel 7 zeigt.

Ein Vergleich der Beispiele 7 und 8 zeigt, dass die hoehere Sintertemperatur im Beispiel 8 zu einem Sinterkoerper mit einer hoeheren thermischen Leitfaehigkeit fuehrte.

Ein Vergleich der Beispiele 9 und 10 zeigt, dass die hoehere Sintertemperatur im Beispiel 10 zu einem Sinterkoerper mit einer etwas hoeheren thermischen Leitfaehigkeit fuehrte.

Ein Vergleich von Beispiel 11A mit Beispiel veranschaulicht, dass die hoehere Sintertemperatur im Beispiel 12 zu einem Sinterkoerper fuehrte, der eine hoehere thermische Leitfaehigkeit aufwies.

-aß-

In den Beispielen 13A und 13B war die Sintertemperatur nicht hoch genug, um die gegebene zusammensetzung, die zwischen den Linien UV und KL der Figur 4 liegt, zu sintern.

Auf der Grundlage anderer Arbeiten und insbesondere eines Vergleiches der Beispiele 14A und 14B mit den Beispielen 8 und 21 ist es bekannt, dass die Sinterkoerper der Beispiele 14A und 14B eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,42 W/cm ⁰K bei 25 ° C haben wuerden.

Die Beispiele 14A und 14B veranschaulichen das erfindungsgemaesse Verfahren, obwohl eine geringe Menge YN- Phase in dem Sinterkoerper gebildet wurde. Im einzelnen zeigt das Aufschneiden des Sinterkoerpers von Beispiel 14A, dass sich diese YN- Phase nur im Zentrum des Koerpers befand, wobei die YN- Phase schwarz war und umgeben wurde von der erfindungsgemaessen Zusammensetzung, die bernsteinfarben war. Die Bildung dieser YN- Phase aufgrund der Dicke des Sinterkoerpers und seiner Zusammensetzung ist durch einen Sauerstoffgradienten verursacht. Vom Zentrum des Sinterkoerpers aus nimmt die Sauerstoffkonzentration gering zu und die Stickstoffkonzentration nimmt etwas ab, was gelegentlich zur Bildung einer geringen Menge YN- Phase im Zentrum des Koerpers fuehrt, wenn dieser eine Zusammensetzung im Vieleck JKLM der Figur 4 hat, die nahe der Linie LK liegt oder sich auf dieser Linie befindet.

Auf der Grundlage anderer Arbeiten und insbesondere eines Vergleiches der Beispiele 15A und 15B mit Beispiel 21 ist es bekannt, dass die Sinterkoerper der Beispiele 15A und 15B eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,42 W/cm ⁰K bei 25 ⁰C haben wuerden.

•Beispiel 26 zeigt, dass trotz einer Desoxidationsstufe die Verwendung der Wasserstoffatmosphaere zu einem Sinterkoerper fuehrt, der eine geringe thermische Leitfaehigkeit hat und eine grosse Menge an Kohlenstoff enthielt.

Beide Beispiele 25 und 26 zeigen, dass Kohlenstoff eine nachteilige Auswirkung auf die thermische Leitfaehigkeit des Sinterkoerpers hat.

In den Beispielen 27A und 27B war die Sintertemperatur fuer die angegebene Zusammensetzung zu gering.
15

Beispiel 28 zeigt, dass der Einsatz einer Argonatmosphaere zu einem Sinterkoerper mit einer geringen thermischen Leitfaehigkeit fuehrt.

Auf der Grundlage anderer Experimente und eines Vergleiches der Beispiele 29A und 29B mit Beispiel 31 ist es bekannt, dass der Sinterkoerper der Beispiele 29A und 29B eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als etwa 1,42 W/cm ⁰K bei 25 °C haben wuerde.

Beispiel 30 veranschaulicht die Wirksamkeit der Desoxidation des Presslings beim erfindungsgemaessen Verfahren.

Beispiel 31 veranschaulicht das erfindungsgemaesse Verfahren.

In den Beispielen 32A und 32B war die Geschwindigkeit, mit der die Presslinge auf 2000 ⁰C erhitzt wurden, nicht geeignet, die Presslinge zu desoxidieren, bevor das Sintern stattfand, wie die grosse

Menge an Kohlenstoff zeigt, die in dem Sinterkoerper des Beispiels 32B verblieben war.

Die Beispiele 33 bis 38 veranschaulichen die vorliegende Erfindung, und sie zeigen die Herstellung von Sinterkoerpern, die als Substrate fuer Silizium- Chips besonders brauchbar sind. Auf der Grundlage anderer Arbeiten und eines Vergleiches der Beispiele 33

bis 38 mit den Beispielen 9 und 11A ist es bekannt, dass die Sinterkoerper der Beispiele 33 bis 38 eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,42 W/cm K bei 25 ⁰C haben wuerden.

Beispiel 39 veranschaulicht die vorliegenden Erfindung. Ein Vergleich von Beispiel 39 mit Beispiel 9 zeigt, dass der Sinterkoerper des Beispiels 39 eine Kohlenstoffmenge nahe 0,02 Gew.- % enthalten haben muss.

■In den Beispielen 40 und 41 wurde der Pressling direkt.auf die angegebene Sintertemperatur mit einer Geschwindigkeit von etwa 190 °c/min erhitzt. Obwohl die Sinterkoerper der Beispiele 40 und 41 eine relativ geringe Menge Kohlenstoff enthalten, war das Aluminiumnitrid in diesen Beispielen nicht ausreichend desoxidiert, wie die Roentgen- Diffraktionsanalyse des Sinterkoerpers nach Beispiel 40 zeigt, der YAlO₃- Phase, aber keine Y₂ ⁰S" ^Pnase enthaelt. Dies zeigt, dass die hohe Aufheizgeschwindigkeit die Reaktionen (3) und/oder (4) favorisierte, und dass die Reaktionen des erfindungsgemaessen Verfahrens nicht zu einem ausreichenden Ausmass stattfanden.

Beispiel 42

Der Sinterkoerper des Beispiels 2B (Probe 84Bl) wurde chemisch auf Y, Al und Stickstoff analy-

2B	(84Bl)	Y	7,59
2B	(84Bl)'	Al	58,56
2B	(84Bl)	N	29,51
2A	(84B)	O	2,90
	Gesamt	₌	98,56

siert. Der Sinterkoerper des Beispiels 2A (Probe 84B) wurde durch Neutronen- Aktivierungsanalyse auf Sauerstoff analysiert. Die Ergebnisse sind im folgenden zusammengestellt:
5

Beispiel Gew.-% Aequivalent-%

3,79 96,22 94,58 2A (84B) O 2,90 5,42

Diese Ergebnisse liegen sehr nahe an den errechneten Aequivalentprozenten fuer Beispiel 2A (Probe 84B), die in Tabelle II angegeben sind, und 5,31 Aequivalentprozent Sauerstoff, und 3,86 Aequivalentprozent Yttrium betragen.

Tabelle III zeigt weitere Beispiele. Insbesondere zeigt die Tabelle III die Zusammensetzung der Pulvermischung, d.h. der hinzugegebenen Pulver in jedem Beispiel, sowie die spezifischen Oberflaechen einiger der zugegebenen Pulver.

In allen Beispielen der Tabelle III wurde OeI-saeure in einer Menge von etwa 0,7 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid, zu dem Heptan als Dispersionsmittel hinzugegeben, und das Mahlen erfolgte fuer eine Zeit von etwa 18 h.

Die Beispiele der Tabelle III wurden im wesentlichen in der gleichen Weise ausgefuehrt, wie oben fuer die Beispiele 2A und 2B oder Beispiel 7 angegeben, wobei Ausnahmen in der Tabelle III oder in der vorlie-

35 genden Beschreibung angegeben sind.

TABELLE

III

Beispiel Probe

Hinzugegebene Pulver (Gew.-%) AlN _ -Υ₂ ^Ο3 - ^c Wärmebehandlung Desoxidation Sinter-.Temp.-C Zeit h Temp.- C Zeit h

Atmosphäre

43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53A

161A 164A 163A 166A 168A 169A 170A 170B 162A 174A 131D

131D1

89,64 (0,9)* 9,71 (2,8)* 0,65

89,70 (0,9)* 9,66 (1,3)* 0,64

89,72 (0,5)* 9,65 (2,8)* 0,63

89,75 (0,5)* 9,65 (0,7)* 0,60

89,74 (0,5)* 9,68**

89,72 (0,5)* 9,68 (0,6)*

88,83 (0,5)* 9,60 (0,6)*

Il Il

89,62 (1 ,6)* 9,65**

88,52 (1,2)* 9,57 (0,6)*

89,42 9,39 1,19

0,57 1600

***
0,60 1600

***
1,57 1600

0,73 1600

***
1,91 1600

1	+ 1900
1	+ 1900
1	+ 1900
1	+ 1900
1	+ 1900
1	+ 1900
1	+ 1960
1	+2000
1	+ 1900
1	+ 2000
0,5 1	+ 1900

^N N

25%

* die spezifische Oberfläche des zugegebenen Pulvers in m /g ist in Klammern angegeben. ** Y₉(CO-)., χ 3H₉O als Quelle für Y₉O- zugegeben. *** spezifische Oberfläche von C = 25 m /g.

Forts. TABELLE III

Gemessen
(Gew.-%)

Eigenschaften des Sinterkörpers

Äquivalent-% Gewichts- Dichte etwaige Poro- % Sekundäre Phase C (Gew.-%) O Y verlust % (g/cm ) sität (%)

YN Y₂O₃	Y₄Al₂O₉
2,2	6,7
- ' 2,4	5,4
2,7	5,2
2,2	7,4
2,6	4,5
2,0	6,9
4,6	3,2
2,6	4,1
M),7 5,6	-1,3

0,014

•v5,9	3,81
^5,7	3,79
•v5,6	3,78
^5,9	3,78
^5,6	3,79
^6,0	3,80
^4,9	3,80
-^4,9	3,80
^5,5	3,79
^3,8	3,80
'νδ,ο	3,70
-v-6,0	3,70

3,37

3,38

3,32

3,38

3,09

3,37

2,4

3,18

3,30

3,33

3,35

ce>

2,8

1/2

5,8

Forts. TABELLE

III

Eigenschaften des Sinterkörpers

Thermische Leitfähigkeit Größe W/cm bei 25°C

1,46
1,45
,40
1,42
1,29
1,41

1,52

C C C C C C C C C C C A oo

oo

'S

CO cn GO 4>OO NJ cn

Alle Beispiele der Tabelle III veranschaulichen die vorliegende Erfindung, ausgenommen die Beispiele 49.und 52. Die Sinterkoerper, die nach den Beispielen der Tabelle III erhalten wurden, zeigen, dass die vorliegende Erfindung brauchbar ist zum Verpacken integrierter Schaltungen, sowie zur Verwendung als Substrate fuer Halbleiter, wie ein Siliziumchip. Im besonderen zeigen die Beispiele 43 bis 46, 48, 50, 51 und 53A und 53B die Brauchbarkeit verschiedener Groessen von Aluminiumnitrid- und Yttriumoxid- Pulver. Die Beispiele 4-7 und 51 zeigen die Brauchbarkeit eines Vorlaeufers fuer Yttriumoxid. Die Beispiele 53A und 53B zeigen die Brauchbarkeit einer Atmosphaere, die aus einer Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff besteht.

In Beispiel 49 war die Sintertemperatur fuer die dortige Zusammensetzung und Teilchengroesse zu gering.

In Beispiel 52 war fuer die dortige Zusammensetzung zuviel Kohlenstoff zugegeben worden.

in der US-PS 44 78 785 (und einer ausgeschiedenen Anmeldung daraus mit der Serial No. 629 666 vom 11. Juli 1984) ist ein Verfahren offenbart, das das Bilden einer Mischung aus Aluminiumnitrid- Pulver und freiem Kohlenstoff umfasst, bei dem das Aluminiumnitrid einen vorbestimmten Sauerstoffgehalt von mehr als etwa 0,8 Gew.- % hat, und bei dem der freie Kohlenstoff mit diesem Sauerstoff reagiert und ein desoxidiertes Pulver oder einen Pressling ergibt, dessen Sauerstoffgehalt im Bereich von mehr als etwa 0,35 bis etwa 1,1 Gew.- %

liegt, und dessen Sauerstoffgehalt um mindestens 20 Gew.- % geringer ist als der vorgenannte vorbestimmte Sauerstoffgehalt, wobei die Mischung oder ein Pressling daraus erhitzt werden, um Kohlenstoff und Sauerstoff unter Bildung des desoxidieren Aluminiumnitrids umzusetzen, und man anschliessend den Pressling aus desoxidiertem Aluminiumnitrid unter Bildung eines Keramikkoerpers sintert, dessen Dichte groesser als 85 % der theoretischen Dichte ist, und der eine thermische Leit-

faehigkeit von mehr als 0,5 W/cm ⁰K bei 22 ⁰C hat.

In der üS-Patentanmeldung mit der Serial No. 667 516 vom 1. 11. 1984 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Keramikkoerpers aus Aluminiumnitrid offenbart, dessen Zusammensetzung durch das Vieleck FJDSR der Figur 4 der genannten Anmeldung, aber ohne die Linie RF, definiert und umfasst ist, wobei der Koerper weiter eine Porositaet von weniger als etwa 4 Vol.- % und eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,25

W/cm ⁰K bei 25 ⁰C hat, und das Verfahren die folgenden Stufen umfasst:

Herstellen einer Mischung aus Aluminiumnitrid- Pulver, das Sauerstoff enthaelt, aus Yttriumoxid und freiem Kohlenstoff, Formen eines Presslings aus der Mischung, wobei Mischung und Pressling eine zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt D bis zum Punkt F der Figur 4 der genannten US-Patentanmeldung liegen, der Pressling eine zusammensetzung an Y, Al, 0 und N in Aequivalentprozent ausserhalb der Zusammensetzung hat, die durch das Vieleck FJDSR der Figur 4 der US-Patentanmeldung Serial No. 667 516, definiert und umfasst ist, das Aluminiumnitrid in dem Pressling Sauerstoff in einer Menge von mehr als etwa 1,95 bis weniger als etwa 5,1 Gew.- /%, bezogen auf das Aluminiumnitrid, enthaelt, man den Pressling bis zu einer Temperatur erhitzt, bei

der seine Poren noch offen bleiben, um den freien Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff umzusetzen, wobei ein desoxidierter Pressling entsteht, dessen Zusammensetzung hinsichtlich Al, Y, 0 und N in Aequivalentprozent durch das Vieleck FJDSR, aber ohne die Linie RP, der Figur 4 der US-Patentanmeldung, Serial No. 667 516, definiert und umfasst ist, und man schliesslich den desoxidierten Pressling bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1870 bis etwa 2050

10 ⁰C unter Bildung des Keramikkoerpers sintert.

In der US-Patentanmeldung, Serial No. 675 048 vom 26. 11. 1984 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Keramikkoerpers aus Aluminiumnitrid offenbart, dessen Zusammensetzung durch das Vieleck PONKJ, aber ohne die Linien KJ und PJ der Figur 4 der zuletzt genannten US-Patentanmeldung definiert und umfasst ist, wobei der Koerper eine Porositaet von weniger als etwa 4 Vol.- % und mindestens eine thermische Leitfaehigkeit von 1,5 W/cm ⁰K bei 25 °C hat, wobei das Verfahren die folgenden Stufen umfasst:

Herstellen einer Mischung aus Aluminiumnitrid- Pulver, das Sauerstoff enthaelt, aus Yttriumoxid und freiem Kohlenstoff, Herstellen eines Presslings aus der Mischung, wobei Mischung und Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Y und Al im Bereich zwischen den Punkten K und P der Figur 4 der US-Patentanmeldung der Serial No. 675 048 liegen, der Pressling eine Zusammensetzung an Y, Al, O und N in Aequivalentprozent ausserhalb der Zusammensetzung hat, die durch das Vieleck PONKJ der Figur 4 der US-Patentanmeldung, Serial No. 675 048 definiert und umfasst ist, dass Aluminiumnitrid in dem Pressling Sauerstoff in einer Menge von mehr als etwa 1,4 bis weniger als etwa 4,5 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid, enthaelt, man den Pressling bis zu einer Tempe-

ratur erhitzt, bei der seine Poren offen bleiben, um den freien Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff umzusetzen und einen desoxidierten Pressling zu bilden, der eine Zusammensetzung hat, bei der die Aequivalentprozente an Al, Y, 0 und N durch das Vieleck PONKJ, aber ohne die Linien KJ und PJ der Figur 4 der US-Patentanmeldung, Serail No. 675 048 definiert und umfasst wird, Sintern des desoxidierten Presslings bei einer Temperatur von etwa 1900 bis etwa 2050 ⁰C unter Bildung des Keramikkoerpers, wobei die genannte Sintertemperatur eine Sintertemperatur fuer die jeweilige Zusammensetzung des desoxidierten Presslings ist.

In der US-Patentanmeldung mit der Serial No.

679 414 vom 7. 12. 1984 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Keramikkoerpers aus Aluminiumnitrid offenbart, wobei der Koerper eine Zusammensetzung hat, die durch das Vieleck PJPAl, aber ohne die Linien JF und AlF der Figur 4 der Serial No. 679 414 definiert und umfasst ist, der Koerper weiter eine Porositaet von weniger als etwa 4 Vol.- % und eine minimale thermische Leitfaehigkeit von 1,42 W/cm ⁰K bei 25 °£ hat, wobei das Verfahren umfasst das Herstellen einer Mischung aus sauerstoffhaltigem Aluminiumnitrid- Pulver, Yttriumoxid und freiem Kohlenstoff, das Verarbeiten der Mischung zu einem Pressling, wobei Mischung und Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich zwischen den Punkten J und Al der Figur 4 der Anmeldung Serial No.

679 414 liegen, der Pressling eine Zusammensetzung an Y, Al, 0 und N in Aequivalentprozent ausserhalb der Zusammensetzung hat, die durch das Vieleck PJFAl der Figur 4 der US-Patentanmeldung Serial No. 679 414 definiert und umfasst ist, das Aluminiumnitrid in dem Pressling Sauerstoff in einer Menge von mehr als etwa 1,42 bis weniger als etwa 4,7 Gew.- %, bezogen auf das

.99·

Aluminiumnitrid, enthaelt, man den Pressling bis zu einer Temperatur erhitzt, bei der seine Poren offenbleiben, um den freien Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff umzusetzen, um einen desoxidierten Pressling zu bilden, der desoxidierte Pressling eine Zusammensetzung hat, bei der die Aequivalentprozente von Al, Y, 0 und N durch das Vieleck PJFAl, aber ohne die Linien JP und AlF der Figur 4 der US-Patentanmeldung, Serial No. 679 414 definiert und umfasst sind, und man den desoxidierten Pressling bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1880 bis etwa 2050 ° C sintert, wobei die minimale Sintertemperatur sich erhoeht von etwa 1880 ⁰C fuer eine Zusammensetzung, die definiert und umfasst ist durch das Vieleck A3JFA2, ausgenommen die Linien A3J, JF und A2F, bis auf etwa 1925 ⁰C fuer eine Zusammensetzung beim Punkt P der Figur 4 der Serial No. 679 414, wobei man einen Keramikkoerper enthaelt, und die angewendete Sintertemperatur eine Sintertemperatur fuer die zusammensetzung des

20 desoxidierten Presslings ist.

In der US-Patentanmeldung mit der Serial NO. 682 468 vom 17. 12. 1984 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Keramikkoerpers aus Aluminiumnitrid offenbart, dessen Zusammensetzung durch das Vieleck LTlDM. aber ohne die Linien LM und DM der Figur 4 der Serial No. 682 468 definiert und umfasst ist, und der Koerper weiter eine Porositaet von weniger als etwa 4 Vol.- % und eine minimale thermische Leitfaehigkeit von 1,27 W/cm ⁰K bei 25 ° C aufweist, wobei das Verfahren umfasst das Herstellen einer Mischung aus sauerstoffhalt igem Aluminiumnitrid- Pulver, Yttriumoxid und freiem Kohlenstoff, das Herstellen eines Presslings aus der Mischung, wobei Mischung und Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt Tl bis zum

Punkt M der Figur 4 der Serial No. 682 468 liegen, der Pressling eine Zusammensetzung an Y_f Al, 0 und N in Aequivalentprozent ausserhalb der zusammensetzung hat, die durch das Vieleck LTlDM der Figur 4 der Serial No.

682 468 definiert und umfasst ist, das Aluminiumnitrid im Pressling Sauerstoff in einer Menge von mehr als etwa 1,85 bis weniger als etwa 4,50 Gew.- %,, bezogen auf das Aluminiumnitrid, enthaelt, man den Pressling bis zu einer Temperatur erhitzt, bei der seine Poren offenbleiben, um den freien Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff unter Bildung eines desoxidierten Presslings umzusetzen, der desoxidierte Pressling eine Zusammensetzung hat, bei der die Aequivalentprozente von Al, Y, 0 und N durch das Vieleck LTlDM, aber ohne die Linien LM und DM der Figur 4 der Serial No. 862 468 definiert und umfasst sind, und man den desoxidierten Pressling bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1890 bis etwa 2050 ⁰C sintert, wobei die minimale Sintertemperatur von etwa 1890 ⁰C fuer eine Zusammensetzung benachbart der Linie DM bis auf etwa 1970 ⁰C fuer eine Zusammensetzung auf der Linie TlL zunimmt und man einen Keramikkoerper, erhaelt, wobei die angewendete Sintertemperatur fuer die jeweilige Zusammensetzung des desoxidierten Presslings eine Sinter-

25 temperatur ist.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Keramikkoerpers hoher thermischer Leitfaehigkeit Patentansprueche

1.Verfahren zum Herstellen eines Keramikkoerpers aus gesintertem polykristallinen! Aluminiumnitrid mit einer Zusammensetzung, die durch das Vieleck JKLM der Figur 4, aber ohne die Linie MJ einzuschliessen, definiert ist, wobei der Koerper weiter eine Porositaet von weniger als etwa 10 Vol.- % des Koerpers aufweist und eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,00 W/cm ⁰K bei 25 ⁰C, mit den folgenden Stufen: (a) Bilden einer Mischung aus einem sauerstoffhaltigen Aluminiumnitrid-Pulver, Yttriumoxid und freiem Kohlenstoff, Formen der Mischung zu einem Pressling, wobei Mischung und Pressling eine Zusammensetzung haben, in der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium

im Bereich vom Punkt L bis zum Punkt J der Figur 4 liegen, das Yttrium im Bereich von mehr als etwa 2,5 Aequivalent-% bis etwa 4,9 Aequivalent-% vorhanden ist, das Aluminium im Bereich von etwa 95,1 Aequivalent-% bis zu weniger als etwa 97,5 Aequivalent-% vorhanden

ist und der Pressling eine Zusammensetzung von Y, Al, O und N in Aequivalentprozent ausserhalb der Zusammensetzung aufweist, die durch das Vieleck JKLM der Figur 4 definiert ist,

(b) Erhitzen des Presslings in einer stickstoffhaltigen, nicht-oxidierenden Atmosphaere bei einer Temperatur von etwa 1350 ⁰C bis zu einer Temperatur, die ausreicht, den Pressling zu desoxidieren, die aber noch unterhalb der Temperatur liegt, bei der sich die Poren schliessen, wodurch eine Umsetzung des freien Kohlenstoffes mit dem im Aluminiumnitrid vorhandenen Sauerstoff erfolgt, die einen desoxidierten Pressling hervorbringt, wobei der desoxidierte Pressling eine Zusam- - mensetzung aufweist, bei der die Aequivalent-Prozente

von Al, Y, O und N durch das Vieleck JKLM der Figur 4, aber ohne die Linie MJ einzuschliessen, definiert sind und der freie Kohlenstoff in einer Menge*vorhanden ist, die zur Herstellung des desoxidierten Presslings fuehrt, und

25 (c) Sintern des desoxidierten Presslings in einer

stickstoffhaltigen, nicht-oxidierenden Atmosphaere bei einer Temperatur von mindestens etwa 1860 C, wobei der polykristalline Koerper entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stickstoffhaltige Atmosphaere in Stufe (b) ausreichend Stickstoff enthaelt, um die Desoxidation des Aluminiumnitrids zur Bildung des Sinterkoerpers zu erleichtern.

.·»,.· ■■■

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stickstoffhaltige Atmosphaere in Stufe (c) ausreichend Stickstoff enthaelt, um einen merklichen Gewichtsverlust des Aluminiumnitrids zu verhindern.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei umgebungsdruck ausge-

10 fuehrt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumnitrid in dem Pressling in Stufe (a) vor der Desoxidation nach Stufe (b) Sauerstoff in einer Menge enthaelt, die im Bereich von mehr als etwa 1 Gew.-% bis zu weniger als etwa 4,5 Gew.-%, bezogen auf das Aluminiumnitrid, liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumnitrid in Stufe (a) eine spezifische Oberflaeche aufweist, die im Bereich bis zu

ο
etwa 10 m /g liegt und der freie Kohlenstoff eine

spezifische Oberflaeche aufweist, die groesser ist als 25

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung und der Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt U bis zum Punkt J der Figur 4 liegen, wobei das Yttrium in dem Pressling vorhanden ist im Bereich von mehr als etwa 2,5 Aequivalent-% bis zu etwa 4,35 Aequivalent-%, das Aluminium in dem Pressling vorhanden ist von etwa 95,65 Aequivalent-% bis zu weniger als etwa 97,5 Aequivalent-% und der Sinterkoerper und der desoxidierte Pressling eine Zusammensetzung aufweisen, bei der die

Aequivalentprozent von Al, Y, O und N durch das Vieleck UMJV der Figur 4, aber ohne die Linie MJ, definiert sind.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung und der Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt L bis zum Punkt J liegen, die Punkte L und J der Figur 4 aber nicht einschliessen, der Yttriumgehalt des Presslings im Bereich von mehr als etwa 2,5 Aequivalent-% bis weniger als etwa 4,9 Aequivalent-% liegt, der Aluminiumgehalt des Presslings im Bereich von mehr als etwa 95,1 Aequivalent-% bis weniger als etwa 97,5 Aequivalent-% liegt, und der Sinterkoerper und der desoxidierte Pressling aus einer Zusammensetzung bestehen, bei der die Aequivalentprozent von Al, Y, O und N durch das Vieleck JKLM der Figur 4, aber ohne die Linien MJ und LK, definiert ist.

9.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung und der Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozent von Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt L bis zum Punkt K der Figur 4 liegen, der Yttriumgehalt des Presslings im Bereich von etwa 4,4 Aequivalent-% bis etwa 4,9 Aequivalent-% liegt, der Aluminiumgehalt des Presslings im Bereich von etwa 95,1 Aequivalent-% bis etwa 95,6 Aequivalent-% liegt, und wobei der Sinterkoerper und der desoxidierte Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalent-Prozente von Al, Y, O und N durch die Linie LK der Figur 4 definiert sind.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sintertemperatur im Bereich von etwa 1900 bis etwa 2050 ⁰C liegt.

11. Verfahren zum Herstellen eines gesinterten Keramikkoerpers aus polykristallinem Aluminiumnitrid mit einer Zusammensetzung, die durch das Vieleck UMJV der Figur 4, aber ohne die Linie MJ, definiert ist, der Koerper eine Porositaet von weniger als etwa 10 Vol.-% des Koerpers sowie eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,00 W/cm ⁰K bei 25 ⁰C aufweist, mit den folgenden Stufen:

(a) Bilden einer Mischung aus einem sauerstoffhaltigen Aluminiumnitrid- Pulver, Yttriumoxid und freiem Kohlenstoff, wobei der freie Kohlenstoff eine spezifische

Oberflaeche von mehr als etwa 20 m /g hat, das Aluminiumnitrid- Pulver in der Mischung eine spezifische

2 2

Oberflaeche von etwa 3,4 m /g bis etwa 10 m /g aufweist, Formen der Mischung zu einem Pressling, wobei Mischung und Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt U bis zum Punkt J der Figur 4 liegen, der Yttriumgehalt im Bereich von mehr als etwa 2,5 b Aequivalent-% bis etwa 4,35 Aequivalent- % liegt, der ' Aluminiumgehalt im Bereich von etwa 95,65 Aequivalent- % bis weniger als etwa 97,5 Aequivalent- % liegt, der Pressling eine Zusammensetzung an Y, Al, O und N in Aequivalentprozent ausserhalb der Zusammensetzung aufweist, die durch das Vieleck JKLM der Figur 4 definiert ist, das Aluminiumnitrid in dem Pressling Sauerstoff in einer Menge im Bereich von mehr als etwa 1,4 Gew.- % bis weniger als etwa 4,5 Gew.- %, bezogen auf das AIu-

30 miniumnitrid aufweist,

(b) Erhitzen des Presslings bei Umgebungsdruck in einer stickstoffhaltigen, nicht oxidierenden Atmosphaere, die mindestens etwa 25 Vol.- % Stickstoff enthaelt, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 1350 C bis zu einer Temperatur, die ausreicht, den Pressling zu desoxidieren, die aber noch unterhalb der Temperatur liegt,

bei der sich die Poren schliessen, wodurch der freie Kohlenstoff mit dem im Aluminiumnitrid vorhandenen Sauerstoff umgesetzt wird und ein desoxidierter Pressling entsteht, der desoxidierte Pressling eine Zusammensetzung aufweist, bei der Aequivalentprozente von Al, Y, 0 und N durch das Vieleck UMJV der Figur 4, aber ohne die Linie MJ, definiert sind, das Aluminiumnitrid in dem Pressling vor der Desoxidation mittels des Kohlenstoffes einen Sauerstoffgehalt im Bereich von mehr als etwa 1,4 Gew.- % bis weniger als etwa 4,5 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid, hat und der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die zur Herstellung des oxidierten Presslings ausreicht, und (c) Sintern des desoxidierten Presslings bei ümgebungsdruck in einer stickstoffhaltigen, nicht-oxidierenden Atmosphaere, die mindestens etwa 25 Vol.- % Stickstoff enthaelt, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1900 bis etwa 2050 ⁰C unter Bildung des polykristallinen Koerpers.

12. Verfahren zum Herstellen eines gesinterten Keramikkoerpers aus polykristallinem Aluminiumnitrid in einer Zusammensetzung, die durch das Vieleck JKLM der Figur 4, aber ohne die Linie MJ, definiert und umfasst ist, der Koerper eine Porositaet von weniger als etwa 10 Vol.- % und eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,00 W/cm ⁰K bei 25⁰C aufweist, mit den Stufen:
(a) Bilden einer Mischung aus einem sauerstoffhaltigen Aluminiumnitrid- Pulver, Yttriumoxid oder einem Vorlaeufer dafuer und einem kohlenstoffhaltigen Additiv, ausgewaehlt aus der Gruppe bestehend aus freiem Kohlenstoff, einem kohlenstoffhaltigen organischen Material, das sich bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50 bis etwa 1000 ⁰C thermisch zersetzt, um freien Kohlenstoff und gasfoermiges Zersetzungsprodukt zu bilden,

das verdampfte. Formen der Mischung zu einem Pressling, wobei Mischung und Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt L bis zum Punkt J der Figur 4 liegen, der Yttriumgehalt im Bereich von mehr als etwa 2,5 Aequivalent- % bis etwa 4,9 Aequivalent- % liegt, der Aluminiumgehalt im Bereich von etwa 95,1 Aequivalent- % bis zu weniger als etwa 97,5 Aequivalent- % liegt, der Pressling eine Zusammensetzung an Y, Al, O und N in Aequivalentprozent ausserhalb der Zusammensetzung hat, die durch das Vieleck JKLM der Figur 4 definiert und umfasst ist,

(b) Erhitzen des Presslings in einer nicht oxidierenden Atmosphaere bis zu einer Temperatur von bis zu etwa 1200 °C, wobei Yttriumoxid und freier Kohlenstoff gebildet werden,

(c) Erhitzen des Presslings in einer stickstoffhaltigen, nicht oxidierenden Atmosphaere bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1350 ⁰C bis zu einer Temperatür, die ausreicht, den Pressling zu desoxidieren, die aber noch unterhalb der Temperatur liegt, bei der sich die Poren schliessen, wodurch der freie Koholenstoff mit dem im Aluminiumnitrid vorhandenen Sauerstoff umgesetzt wird unter Bildung eines desoxidierten Presslings, der eine Zusammensetzung hat, bei der die Aequivalentprozente von Al, Y, O und N durch das Vieleck JKLM der Figur 4, aber ohne die Linie MJ, definiert und umfasst sind, und der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die zur Bildung des desoxidierten Press-

30 lings ausreicht, und

(d) Sintern des desoxidierten Presslings in einer

stickstoffhaltigen, nicht-oxidierenden Atmosphaere bei einer Temperatur von mindestens etwa . dung eines polykristallinen Koerpers.

einer Temperatur von mindestens etwa 1860 C zur BiI-

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die stickstoffhaltige Atmosphaere in Stufe (c) eine ausreichende Menge Stickstoff enthaelt, um die Desoxidation des Aluminiumnitrids zur Bildung des Sinterkoerpers zu erleichtern.

14. Verfahren nach Anspruch 12_r dadurch gekennzeichnet, dass die stickstoffhaltige Atmosphaere in Stufe (d) eine ausreichende Menge Stickstoff enthaelt, um einen merklichen Gewichtsverlust an Aluminiumnitrid zu verhindern.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es bei Umgebungsdruck ausgefuehrt

wird.

16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumnitrid des Presslings in Stufe (a) vor der Desoxidation nach Stufe (c) Sauerstoff in einer Menge enthaelt, die im Bereich von mehr als etwa 1,0 Gew.- % bis zu weniger als etwa 4,5 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid, liegt.

17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumnitrid in Stufe (a) ei-

2 ne spezifische Oberflaeche von bis zu etwa 10 m /g

und der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberflaeche 30

2 ne spezifische Oberflaeche von bis zu etwa 10 m /g

:oi 2 von mehr als etwa 10 m /g hat.

18. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mischung und Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt U bis zum Punkt J der Figur 4 liegen, der Yttriumgehalt des Presslings im Bereich von mehr als etwa 2,5 Aequiva-

lent- % bis etwa 4,35 Aequivalent- % liegt, der Aluminiumgehalt des Presslings im Bereich von etwa 95,65 Aequivalent- % bis weniger als etwa 97,5 Aequivalent- % liegt, der Sinterkoerper und der desoxidierte Pressling aus einer zusammensetzung bestehen, bei der die Aequivalentprozente von Al, Y, 0 und N durch das Vieleck UMJV der Figur 4, aber ohne die Linie MJ, definiert und umfasst sind.

19. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mischung und Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich zwischen den Punkten L und J liegen, die Punkte L und J der Figur 4 aber nicht einschliessen, der Yttriumgehalt des Presslings im Bereich von mehr als etwa 2,5 Aequivalent- % bis weniger als etwa 4,9 Aequivalent-- % liegt, der Aluminiumgehalt des Presslings im Bereich von mehr als etwa 95,1 Aequivalent- % bis weniger als etwa 97,5 Aequivalent- % liegt, und wobei der Sinterkoerper und der desoxidierte Pressling eine Zusammensetzung aufweisen, bei der die Aequivalentprozente von Al, Y, O und N durch das Vieleck JKLM der Figur 4, aber ohne die Linien MJ und LK, definiert und umfasst werden.

20. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mischung und Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt L bis zum Punkt K der Figur 4 liegen, der Yttriumgehalt des Presslings im Bereich von etwa 4,4 bis etwa 4,9 Aequivalent- % liegt, der Aluminiumgehalt des Presslings im Bereich von etwa 95,1 bis etwa 95,6 Aequivalent- % liegt, und wobei Sinterkoerper und desoxidierter Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Al, Y, O und N durch die Linie LK der Figur 4 definiert sind.

21. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Sintertemperatur im Bereich von 1900 bis etwa 1960 ⁰C liegt.

22. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Sinterkoerpers aus polykristallinem Aluminiumnitrid mit einer Zusammensetzung, die durch das Vieleck UMJV der Figur 4, aber ohne die Linie MJ, definiert und umfasst ist, der Koerper eine Porositaet von weniger als etwa 10 Vol.- % und eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,00 W/cm ⁰K bei 25 ⁰C hat, mit den folgenden Stufen:
(a) Bilden einer Mischung aus einem sauerstoffhaltigen Aluminiumnitrid- Pulver, Yttriumoxid, oder einem Vorlaeufer dafuer, und einem kohlenstoffhaltigen Additiv, ausgewaehlt aus der Gruppe bestehend aus freiem Kohlenstoff, einem kohlenstoffhaltigen organischen Material und deren Mischungen, wobei das kohlenstoffhaltige organische Material bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50 bis etwa 1000 ⁰C unter Bildung von freiem Kohlenstoff und gasfoermigem Zersetzungsprodukt, das verdampfte, thermisch zersetzbar ist, der freie Kohlenstoff eine spezifische Oberflaeche von mehr als etwa 2

m /g hat, das Aluminiumnitrid- Pulver eine spezifische Oberflaeche im Bereich von etwa 3,4 bis etwa 10

m /g hat, Formen der Mischung zu einem Pressling, wobei Mischung und Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich vom Punkt U bis zum Punkt J der Figur liegen, der Yttriumgehalt im Bereich von mehr als etwa 2,5 Aequivalent- % bis etwa 4,35 Aequivalent- % liegt, der Aluminiumgehalt im Bereich von etwa 95,65 Aequivalent- % bis weniger als etwa 97,5 Aequivalent- % liegt, der Pressling eine Zusammensetzung an Y, Al, O und N in Aequivalentprozent ausserhalb der Zusammensetzung hat,

• /M ·

die durch das Vieleck JKLM der Figur 4 definiert ist, das Aluminiumnitrid in dem Pressling Sauerstoff in einer Menge im Bereich von mehr als etwa 1,4 bis weniger als etwa 4,5 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid,

5 enthaelt,

(b) Erhitzen des Presslings in einer nicht oxidierenden Atmosphaere bei einer Temperatur von bis zu etwa 1200 ⁰C, um dadurch Yttriumoxid und freien Kohlenstoff zu bilden,

(c) Erhitzen des Presslings bei Umgebungsdruck in einer stickstoffhaltigen, nicht oxidierenden Atmosphaere, die mindestens etwa 25 Vol.- % Stickstoff enthaelt, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1350 ⁰C bis zu einer Temperatur, die ausreicht, den Pressling zu desoxidieren, die aber noch unterhalb der Temperatur liegt, bei der das Verschliessen der Poren eintritt, wodurch der freie Kohlenstoff mit im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff reagiert unter Bildung eines desoxidierten Presslings, wobei der desoxidierte Pressling eine Zusammensetzung hat, bei der die Aequivalentprozente von Al, Y, O und N durch das Vieleck UMJV der Figur 4, aber ohne die Linie MJ, definiert und umfasst sind, das Aluminiumnitrid des Presslings vor der Desoxidation mit dem Kohlenstoff einen Sauerstoffgehalt im Bereich von mehr als etwa 1,4 bis weniger als etwa 4,5 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid, aufweist, und der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die zur Herstellung des desoxidierten Presslings ausreicht, und (d) Sintern des desoxidierten Presslings bei ümgebungsdruck in einer stickstoffhaltigen, nicht-oxidierenden Atmosphaere, die mindestens etwa 25 Vol.- % Stickstoff enthaelt, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1900 bis etwa 2050 ⁰C unter Bildung des polykristallinen Koerpers.

23. Verfahren zum Herstellen eines keramischen Sinterkoerpers aus polykristallinem Aluminiumnitrid mit einer Zusammensetzung/ die durch das Vieleck UMJV nach Figur 4, aber ohne die Linie MJ, definiert und umfasst ist, der Koerper eine Porositaet von weniger als etwa 5 Vol.- % und eine thermische Leitfaehigkeit von mehr als 1,42 W/cm ⁰K bei 25⁰C hat, mit den folgenden Stufen:

ο Oberflaeche von mehr als etwa 20 m /g aufweist, das

Aluminiumnitrid- Pulver in der Mischung eine spezifisehe Oberflaeche im Bereich von etwa 3,4 bis etwa 10

m /g hat, Formen der Mischung zu einem Pressling, wobei Mischung und Pressling eine Zusammensetzung haben, bei der die Aequivalentprozente von Yttrium und Aluminium im Bereich von U bis zum Punkt J der Figur 4 liegen, der Yttriumgehalt im Bereich von mehr als etwa 2,5 bis etwa 4,35 Aequivalent- % liegt, der Aluminiumgehalt im Bereich von etwa 95,65 bis weniger als. etwa 97,5 Aequivalent- % liegt, der Pressling eine Zusammensetzung an Y, Al, O und N in Aequivalentprozent ausserhalb der Zusammensetzung aufweist, die durch das Vieleck JKLM der Figur 4 definiert ist, das Aluminiumnitrid des Presslings Sauerstoff in einer Menge von mehr als etwa 1,4 bis weniger als etwa 4,5 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid aufweist,

(b) Erhitzen des Presslings bei Umgebungsdruck in einer stickstoffhaltigen, nicht-oxidierenden Atmosphaere, die mindestens etwa 25 Vol.- % Stickstoff enthaelt, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 1350 C bis zu einer Temperatur, die ausreicht, den Pressling zu desoxidieren, die aber noch unterhalb der Temperatur liegt, bei der sich die Poren schliessen, wodurch der freie

Kohlenstoff sich mit dem im Aluminiumnitrid vorhandenen Sauerstoff umsetzt und einen desoxidierten Pressling bildet, der desoxidierte Pressling eine Zusammensetzung hat, bei der die Aequivalentprozente von Al, Y, 0 und N durch das Vieleck UMJV der Figur 4, aber ohne die Linie MJ, definiert sind, das Aluminiumnitrid t3es Presslings vor der Desoxidation durch den Kohlenstoff einen Sauerstoffgehalt im Bereich von mehr als etwa 1,4 bis weniger als etwa 4,5 Gew.- %, bezogen auf das Aluminiumnitrid hat, und der freie Kohlenstoff in einer Menge vorhanden ist, die zu dem desoxidierten Pressling fuehrt, und

(c) Sintern des desoxidierten Presslings bei Umgebungsdruck in einer stickstoffhaltigen, nicht oxidierenden Atmosphaere, die mindestens etwa 25 Vol.- % Stickstoff enthaelt, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1900 ⁰C bis etwa 205
linen Koerpers.

25 30

⁰C bis etwa 2050 ⁰C unter Bildung des polykristal-

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