DE3650264T2

DE3650264T2 - Aluminiumnitridsinterkörper und Verfahren zu seiner Herstellung.

Info

Publication number: DE3650264T2
Application number: DE3650264T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Anzai; Akihiro Horiguchi; Hiroshi Imagawa; Hiroshi Inoue; Mituo Kasori; Kazuo Shinozaki; Takeshi Takano; Akihiko Tsuge; Fumio Ueno
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-06-28
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1995-08-24
Anticipated expiration: 2006-06-28
Also published as: US4883780A; EP0207465A3; EP0207465B1; EP0207465A2; DE3650264D1; DE3684821D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sinterkörper aus Aluminiumnitrid und ein Verfahren zu seiner Herstellung, insbesondere einen Sinterkörper aus Aluminiumnitrid, der dicht und ausgezeichnet in seiner Wärmeleitfähigkeit ist, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Da sich Aluminiumnitrid (AlW) wenig in seiner Festigkeit verschlechtert und ausgezeichnet in der chemischen Beständigkeit ist, wird es einerseits als hitzefestes Material verwendet und gilt andererseits als vielversprechendes Material für wärme-dissipierende Platten von Halbleitervorrichtungen durch die Nutzung seiner Eigenschaften einer hohen Wärmeleitfähigkeit und guten elektrischen Isolierung. AlN mit den oben beschriebenen Eigenschaften hat gewöhnlich keinen Schmelzpunkt und zersetzt sich bei einer hohen Temperatur von nicht weniger als 2200ºC und wird daher in Form eines Sinterkörpers mit Ausnahme der Verwendung als dünner Film verwendet.
Dieser AlN-Sinterkörper wird gewöhnlich durch Formung und Sintern eines AlN-Pulvers hergestellt. Wenn jedoch das AlN- Pulver alleine verwendet wird, ist seine Sinterfähigkeit nicht gut und es ist daher unmöglich, einen Sinterkörper zu erhalten, der dicht ist oder eine hohe Dichte hat, mit Ausnahme des Falls, daß ein Heißpreßverfahren eingesetzt wird. Daher ist es im Fall der Sinterung unter Atmosphärendruck die allgemeine Praxis, ein Oxid eines Selten-erdmetalls oder ein Oxid eines Erdalkalimetalls als Sinterhilfe zum AlN-Pulver zuzusetzen, um dadurch den Sinterkörper dichter zu machen.
Eine solche Zugabe einer Sinterhilfe hat sicherlich die Dichte des Sinterkörpers in beträchtlichem Ausmaß verbessert. Andererseits ist bis heute die Wärmeleitfähigkeit solcher AlN-Sinterkörper aufgrund des Vorliegens von Sauerstoff und anderer Verunreinigungen und von Grenzflächen der AlN- Kristallpartikel niedriger als erwartet. Das Problem ist nämlich, daß die theoretische Wärmeleitfähigkeit von AlN 320 W/m K beträgt, wohingegen die eines AlN-Sinterkörpers höchstens 40 W/m K beträgt.
EP-A-0 075 857 offenbart einen gesinterten Aluminiumkörper, der Aluminiumnitrid, ein Erdalkalimetalloxid und Kohlepulver umfaßt. Das Erdalkalimetalloxid kann mit Titan oder Zirconium kontaminiert sein.
Daher wurden zum Zweck der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von AlN-Sinterkörpern verschiedene Versuche unternommen. Jedoch wurden bisher keine AlN- Sinterkörper, die hinreichend zufriedenstellend sind, erhalten.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines AlN-Sinterkörpers mit einer hohen Dichte und einer hohen Wärmeleitfähigkeit und eines Verfahrens zu seiner Herstellung durch Lösung der oben beschriebenen Probleme, die bisher auftraten.
Um dieses Ziel zu erreichen, führten die Erfinder dieser Erfindung ausgedehnte Untersuchungen über die Beziehungen zwischen Sinteradditiven, die zu AlN-Pulvern zugesetzt werden, und den Dichten und Wärmeleitfähigkeiten der resultierenden Sinterkörper durch, was zu den folgenden Entdeckungen führte.
Es wurde nämlich die Tatsache entdeckt, daß, wenn die Sinterung unter Zusatz eines Übergangselements der Gruppen IVa, Va, VIa, VIIa und VIII des Periodensystems oder einer Verbindung, die die obigen Elemente enthält, als Sinterhilfe zusammen mit einer Verbindung eines Erdalkalimetalls zu einem AlN-Pulver ausgeführt wird, es möglich wird, bei einer niedrigeren Temperatur zu sintern, als es mit herkömmlichen Verfahren der Fall wäre, bei denen ein Erdalkalimetalloxid einzeln zugesetzt wird, und daß der resultierende AlN- Sinterkörper dicht ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat.
D.h., der Aluminiumnitrid-Sinterkörper der vorliegenden Erfindung umfaßt
(a) Aluminiumnitrid,
(b) eine Aluminium-Verbindung eines Erdalkalimetalls ausgewählt aus Ba, Ca und Sr, und
(c) mindestens ein Element, ausgewählt aus den Übergangselementen der Gruppen Va, VIa, VIIa und VIII des Periodensystems und/oder mindestens eine Verbindung, die ein solches Element enthält;
und das Verfahren zur Herstellung des Aluminiumnitrid- Sinterkörpers umfaßt die Mischung von Aluminiumnitrid mit:
(i) einer Erdalkalimetall-Verbindung; und
(ii) mindestens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Übergangselement der Gruppen Va, VIa, VIIa und VIII des Periodensystems und/oder mindestens einer Verbindung, die dieses Element enthält;
und dann Formung und Sinterung der Mischung.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 und Fig. 3 sind charakteristische Diagramme, die die Beziehungen der Sintertemperatur von AlN-Sinterkörpern, die in den Beispielen 11 und 12 und in den Vergleichsbeispielen 11, 12 und 13 hergestellt wurden, zu ihren Dichten zeigen; und
Fig. 2 und Fig. 4 sind charakteristische Diagramme, die die Beziehungen der Sintertemperatur von AlN-Sinterkörpern, die in den Beispielen 11 und 12 und in den Vergleichsbeispielen 11, 12 und 13 hergestellt wurden, zu ihren Wärmeleitfähigkeiten zeigen.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Die mikroskopische Beobachtung des AlN-Sinterkörpers der vorliegenden Erfindung zeigt, daß an den Grenzflächen der AlN-Kristallpartikel Verbindungen wie beispielsweise eine Aluminium-Verbindung eines Erdalkalimetalls und/oder ein Oxid einer Aluminium-Verbindung eines Erdalkalimetalls und/oder ein Oxyfluorid davon, und Verbindungen, die ein Übergangselement der Gruppen IVa, Va, VIa, VIIa und VIII im Periodensystem enthalten, gebildet werden.
Im oben beschriebenen AlN-Sinterkörper werden, wenn dieses Erdalkalimetallelement z.B. Calcium (Ca) ist, Verbindungen wie 6Al&sub2;O&sub3; CaO, 2Al&sub2;O&sub3; CaO, Al&sub2;O&sub3; CaO und dgl. produziert. Wenn ferner dieses Übergangselement oder diese Verbindung Zr oder ZrO&sub2; ist, werden die Verbindungen, die dieses Übergangselement enthalten, zu ZrN oder einer unbekannten Phase usw., während wenn dieses Übergangselement oder diese Verbindung Ti oder TiO&sub2; ist, die Verbindungen zu TiN, einer unbekannten Phase etc. werden.
Außerdem beträgt in solchen AlN-Sinterkörpern der Zusammensetzungsanteil der Hauptkomponente, der AlN- Kristallpartikel, vorzugsweise 80 bis 99,98 Gew.% bezogen auf den ganzen Körper. Wenn dieser Zusammensetzungsanteil weniger als 80 Gew.% beträgt, können die Charakteristika des AlN selbst nicht ausreichend erhalten werden, wohingegen, wenn der Anteil 99,98 Gew.% übersteigt, es schwierig wird, zu ermöglichen, daß die Additive ihre Effekte in ausreichendem Maße erreichen.
Als nächstes wird das Verfahren zur Herstellung eines AlN- Sinterkörpers der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Der Kern des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung umfaßt die Mischung der Hauptkomponente Aluminiumnitrid mit mindestens einer Verbindung, die ein Erdalkalimetall einschließt, als erstem Additiv und mindestens einem Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Übergangselement der Gruppen IVa, Va, VIa, VIIa und VIII im Periodensystem oder einer Verbindung, die die obigen Elemente enthält, als zweitem Additiv; und dann Formung und Sinterung der Mischung.
An erster Stelle ist als AlN-Pulver, das eine Hauptkomponente ist, die Verwendung eines solchen Pulvers, das 0,001 bis 7 Gew.% Sauerstoff enthält, besonders bevorzugt, wenn die Sinterfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit in Betracht gezogen wird. Das Erdalkalimetall, das im ersten Additiv enthalten ist, ist Ca, Sr und Ba. Eine Art oder zwei oder mehrere Arten dieser Elemente werden zu diesem AlN-Pulver zugesetzt. Als Verbindung dieser Elemente sind ein Oxid, ein Nitrid, ein Fluorid und eine Substanz, die sich in eine der oben erwähnten Verbindungen durch das Sintern umwandelt, bevorzugt. Als Substanz, die beispielsweise in ein Oxid durch Sinterung umgewandelt wird, können ein Carbonat, ein Nitrat, ein Oxalat, ein Hydroxid usw. dieser Elemente erwähnt werden.
Als Übergangselement, das im zweiten Additiv enthalten ist, kann ein beliebiges Element verwendet werden, so lange es zu den Gruppen IVa (Ti, Zr und Hf), Va (V, Nb und Ta), VIa (Cr, Mo und W) oder VIIa (Mn und Re) oder VIII (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir und Pt) gehört, und es werden, wie es beim ersten Additiv der Fall war, eine oder zwei oder mehrere Arten der oben erwähnten Elemente zu diesem AlN-Pulver als Verbindungspulver zugesetzt. Darüber hinaus ergibt unter diesen Übergangselementen die Verwendung eines Elements der Gruppe Vla, d.h. Ti, Zr oder Hf, einen AlN-Sinterkörper, der nicht nur eine hohe Dichte und eine gute Wärmeleitfähigkeit sondern auch eine extrem hohe Festigkeit hat. Unter ihnen sind Zr und Ti besonders bevorzugt. Wenn andererseits unter den oben erwähnten Übergangselementen eines verwendet wird, das zur vierten Periode oder Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co oder Ni gehört, bei einer Sintertemperatur von weniger als bei herkömmlichen Temperaturen, z.B. bei 1600 bis 1650ºC, verwendet wird, kann ein AlN-Sinterkörper hergestellt werden, der eine hohe Dichte und eine gute Wärmeleitfähigkeit hat.
Die oben erwähnten ersten und zweiten Additive werden vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 18 Gew.% und 0,01 bis 15 Gew.%, stärker bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 15 Gew.% bzw. 0,01 bis 10 Gew.%, ausgedrückt als Oxide der jeweiligen Elemente, zugesetzt. Darüber hinaus beträgt die Gesamtmenge beider Additive vorzugsweise 0,02 bis 20 Gew.%, stärker bevorzugt 0,02 bis 18 Gew.%. Wenn die Additivmenge weniger als 0,01 Gew.% für jedes Additiv beträgt, üben die Additive ihre Effekte nicht ausreichend aus, wohingegen, wenn die Mengen übermäßig hoch sind, nicht nur die Hitzebeständigkeit und die Eigenschaften hoher Festigkeit verschlechtert werden, sondern auch die Wärmeleitfähigkeit herabgesetzt wird, was nicht bevorzugt ist. Wenn die Menge des zweiten Additivs groß ist, besteht die Gefahr, daß die elektrischen Isolierungseigenschaften der Produkte nachteilig herabgesetzt werden.
Alle mittleren Partikeldurchmesser der AlN-Pulver und der Pulver des ersten und zweiten Additivs betragen nicht mehr als 5 um, vorzugsweise nicht mehr als 4 um.
Nachstehend wird ein Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines AlN-Sinterkörpers der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Zunächst wird ein Pulver aus einer oben beschriebenen Erdalkalimetall-Verbindung und mindestens einem Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den Gruppen IVa bis VIII im Periodensystem, oder einer Verbindung, die die obigen Elemente enthält, als Sinteradditiv zu einem AlN-Pulver in einer vorbestimmten Menge zugesetzt und anschließend unter Verwendung einer Kugelmühle etc. gemischt. Zur Sinterung können ein Sinterverfahren unter Atmosphärendruck, das Heißpreßverfahren etc. eingesetzt werden. Wenn ein Sinterverfahren bei Atmosphärendruck eingesetzt wird, wird ein Bindemittel zur Pulvermischung zugesetzt und die resultierende Mischung geknetet, granuliert, klassiert und dann geformt. Als Formungsverfahren können eine Druckformung unter Verwendung einer Formdüse, Druckformung unter hydrostatischem Druck, Folienformung etc. angewandt werden. Und dann wird ein Formstück unter einem N&sub2;-Gasstrom zur Entfernung des Bindemittels erhitzt, gefolgt von Sintern unter Atmosphärendruck. Die Sintertemperatur wird normalerweise auf 1650 bis 1800ºC festgesetzt, dies hängt jedoch von den Arten der verwendeten Additive ab.
Wenn andererseits das Heißpreßverfahren eingesetzt wird, kann ein direktes Heißpressen des gemischten Materials unter Verwendung einer Kugelmühle etc. eingesetzt werden.
Obwohl der verbessernde Effekt der vorliegenden Erfindung auf die Wärmeleitfähigkeit eines AlN-Sinterkörpers und sein die Sintertemperatur senkender Effekt bisher unbekannt waren, nimmt man jedoch an, daß die Ursache der erhöhten Wärmeleitfähigkeit wie folgt ist.
Eine Hauptursache der Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit ist namlich, daß im AlN-Sinterkörper der vorliegenden Erfindung das Oxynitrid von Al (AlON) und der Polytyp von AlN (27R Typ) kaum gebildet werden. Die Ergebnisse der Forschungen durch die Erfinder zeigen, daß alle Sinterkörper, in denen AlON und 27R Typ gebildet werden, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit haben.
Die Bildung von AlON und 27R Typ wird durch die Reinheit des AlN-Pulvers, der Atmosphäre in einem Sinterofen und der Art und Menge der zugesetzten Sinterhilfe beeinflußt. Ein Vergleich von Sinterkörpern, die unter Verwendung des selben AlN-Pulvers und unter den selben experimentellen Bedingungen hergestellt wurden, zeigt jedoch, daß im Vergleich zu dem Fall, daß ein herkömmliches Seltenerdmetalloxid und ein Erdalkalimetalloxid zugesetzt werden, der Sinterkörper der vorliegenden Erfindung offensichtlich weniger oder kein AlON und 27R Typ darin gebildet aufweist.
Andererseits wird die Senkung der Sintertemperatur vermutlich durch die Tatsache verursacht, daß in der vorliegenden Erfindung die Sinterung durch Erzeugung einer flüssigen Phase bei niedrigerer Temperatur abläuft, als wenn ein Oxid eines Seltenerdmetalls und ein Oxid eines Erdalkalimetalls einzeln zugesetzt werden.
Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Sinterkörper durch die Inkorporierung eines Übergangselements, das das zweite Additiv ist, gefärbt und der Farbton kann außerdem in Abhängigkeit der zugesetzten Elementarten, -mengen und -kombinationen variiert werden. Im allgemeinen beträgt nämlich das Molverhältnis von Al/N in einem AlN-Material nicht notwendigerweise 1 und kann in vielen Fällen reich an Al sein. Wenn daher ein solches Material verwendet wird, wird die Farbe eines Sinterkörpers grau oder schwarz. Je reicher darüber hinaus das Material an Al ist, desto mehr tritt einerseits Schwarzfärbung auf und desto geringer wird die Wärmeleitfähigkeit auf der anderen Seite. Daher wird, je näher das Molverhältnis von Al/N in einem AlN-Material an 1 herankommt und je geringer die Mengen der darin enthaltenen Verunreinigungen sind, die Wärmeleitfähigkeit desto höher und um so weißere oder durchsichtige Sinterkörper werden erhalten. Das bedeutet, daß herkömmlich, wenn die Herstellung eines Sinterkörpers mit einer höheren Leitfähigkeit versucht wird, die Farbe des resultierenden Sinterkörpers notwendig weiß oder durchsichtig ist, während wenn die Herstellung eines gefärbten Sinterkörpers versucht wird, die Wärmeleitfähigkeit herabgesetzt wird. Im Gegensatz dazu ermöglicht es die erfindungsgemäße gleichzeitige Zugabe eines Erdalkalimetalls und eines Übergangsmetalls, einen Sinterkörper mit verschiedenen Farben durch geeignete Wahl der Art oder Kombination der zugegebenen Elemente herzustellen, während eine hohe Wärmeleitfähigkeit durch die Verwendung eines AlN-Materials, dessen Molverhältnis von Al/N nahe 1 beträgt und das eine kleine Menge Verunreinigungen enthält, erhalten bleibt. Beispielsweise entwickelt die Zugabe von Cr&sub2;O&sub3; etc. eine dunkelgraue Farbe, wohingegen die Zugabe von TiO&sub2; eine braune Farbe entwickelt. Andererseits ergibt die gleichzeitige Zugabe von TiO&sub2; und Cr&sub2;O&sub3; einen dunkelgrauen bis schwarzen Sinterkörper. Somit ist es erfindungsgemäß möglich, einen AlN-Sinterkörper herzustellen, der eine gewünschte Farbe zeigt. Der so gefärbte AlN- Sinterkörper hat die Vorteile, daß er höher in seiner thermischen Abstrahlung ist, wodurch die Eigenschaft der Hitzedissipation weiter verbessert wird, daß Licht, das ein Faktor für Fehler in einem Halbleiterschaltkreis wird, abgeschirmt wird und es möglich wird, ungleichmäßiges Sintern etc. während der Herstellung durch die Färbung zu vermeiden, wodurch das Aussehen der Produkte verbessert werden kann. Beispiele

Referenzbeispiel 1

Zu einem AlN-Pulver, das 3,6 Gew.% Sauerstoff als Verunreinigung enthält und einen mittleren Partikeldurchmesser von 2,2 um hat, wurden als erstes Additiv 3 Gew.% Y&sub2;O&sub3; mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2,5 um und als zweites Additiv 0,5 Gew.% ZrO&sub2; mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 3 um zugesetzt und die Mischung gemahlen und unter Verwendung einer Kugelmühle zur Herstellung eines Materials gemischt. Als nächstes wurden zu diesem Material 7 Gew.% Paraffin als Bindemittel zugesetzt und die Mischung granuliert und anschließend das resultierende Granulat unter einem Druck von 300 kg/cm² preßgeformt, so daß ein Grünkörper mit 50 x 50 x 8 mm hergestellt wurde. Dieser Grünkörper wurde unter einer Stickstoffgasatmosphäre auf 700ºC zur Entfernung des Paraffins erhitzt. Weiterhin wurde der resultierende Körper in einen Behälter aus Kohlenstoff gestellt und unter Stickstoffgasatmosphäre einer Atmosphärendrucksinterung bei 1800ºC während 2 h unterworfen. Die Dichte des resultierenden AlN-Sinterkörpers wurde gemessen. Außerdem wurde eine Scheibe mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 2,5 mm durch Mahlen aus dem Sinterkörper hergestellt und die Wärmeleitfähigkeit durch ein Laserblitzverfahren unter Verwendung der Scheibe als Probe gemessen.
Andererseits wurden sechs rechteckige Stäbe mit einer Breite von 3 mm, einer Dicke von 3 mm und einer Länge von 40 mm durch Mahlen aus dem erhaltenen Sinterkörper hergestellt und die Dreipunkt-Biegefestigkeit unter Verwendung der rechteckigen Stäbe als Proben zur Messung der Biegefestigkeit unter den Bedingungen eines Unterstützungspunktabstands von 20 mm und einer Quergeschwindigkeit von 0,5 mm/min gemessen.

Referenzbeispiel 2

Zunächst wurden zu einem AlN-Pulver, das 3,6 Gew.% Sauerstoff als Verunreinigung enthielt und einen mittleren Partikeldurchmesser von 2,2 um hatte, 1,5 Gew.% TiO&sub2; mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2,8 um als erstes Additiv und 1,5 Gew.% Y&sub2;O&sub3;-Pulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2,5 um als zweites Additiv gegeben und die resultierende Mischung durch eine Kugelmühle zur Herstellung eines Materials vermahlen und gemischt. Dann wurden 7 Gew.% Paraffin zu diesem Material gegeben und das resultierende Material granuliert und anschließend das Granulat unter einem Druck von 500 kg/cm² zu einem Grünkörper von 30 x 30 x 8 mm preßgeformt. Als nächstes wurde dieser Grünkörper auf 700ºC unter Stickstoffatmosphäre zur Entfernung des Paraffins erhitzt. Dann wurde der resultierende Grünkörper in einen Kohlenstoffbehälter gestellt und einer Atmosphärendrucksinterung unter Stickstoffgasatmosphäre bei 1700ºC während 2 h unterworfen, so daß ein AlN-Sinterkörper hergestellt wurde.
Für den resultierenden Sinterkörper werden ähnlich wie in Referenzbeispiel 1 die Dichte und Wärmeleitfähigkeit in Tabelle 3 gezeigt.

Beispiele 1 bis 8 und Vergleichsbeispiele 1 bis 5

Durch Veränderung der Art des AlN-Pulvers und der Art der Additivpulver wurden AlN-Sinterkörper in ähnlicher Weise wie im oben beschriebenen Referenzbeispiel 2 hergestellt und anschließend die jeweiligen Dichten und Wärmeleitfähigkeiten gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 3 zusammen mit dem Partikeldurchmesser und Sauerstoffgehalt jedes AlN-Pulvers, der Art der Additive, dem Partikeldurchmesser und der Menge, die von jedem Additiv zugegeben wurde, gezeigt. Tabelle 3 AlN-Pulver Erstes Additiv Zweites Additiv Mittlerer Partikeldurchmesser (um) Sauerstoffgehalt (Gew.%) Zusammensetzung (Gew.%) Art Beispiel Vergleichsbeispiel Tabelle 3 (Fortsetzung) AlN-Pulver Erstes Additiv Zweites Additiv Mittlerer Partikeldurchmesser (um) Sauerstoffgehalt (Gew.%) Zusammensetzung (Gew.%) Art Vergleichsbeispiel Tabelle 3 (Fortsetzung) Dichte (g/cm³) Wärmeleitfähigkeit (W/m K) Beispiel Vergleichsbeispiel

Beispiel 9

Durch Veränderung der Art des AlN-Pulvers und der Art des Sinteradditivpulvers wurde ein AlN-Sinterkörper ähnlich wie im oben erwähnten Referenzbeispiel 2 hergestellt und die jeweiligen Dichten und Wärmeleitfähigkeiten wurden in ähnlicher Weise gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 4 zusammen mit dem Partikeldurchmesser und Sauerstoffgehalt jedes AlN-Pulvers und der Art und Menge des jeweils zugegebenen Sinteradditivs gezeigt. Tabelle 4 AlN-Pulver Additiv Mittlerer Partikeldurchmesser (um) Sauerstoffgehalt (Gew.%) Zusammensetzung (Gew.%) Zusammensetzung des Additivs Zugegebene Menge (Gew.%) Dichte (g/cm³) Wärmeleitfähigkeit (W/m k) Beispiel

Referenzbeispiel 3

Zu dem in Referenzbeispiel 1 verwendeten AlN-Pulver wurden 1,5 Gew.-Teile Y&sub2;O&sub3; mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2,5 um und 1,5 Gew.% NiO mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 2,5 um gegeben und die Mischung unter Verwendung einer Kugelmühle vermahlen und gemischt, um ein Material herzustellen. Als nächstes wurde das Materialpulver unter einem Druck von 500 kg/cm² zu einem Grünkörper mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Dicke von 10 mm preßgeformt. Und dann wurde der Grünkörper in einen Kohlenstoffbehälter gestellt und einer Heißpreßsinterung unter Stickstoffgasatmosphäre bei einer Temperatur von 1700ºC und unter einem Druck von 400 kg/cm² 1 h unterworfen. Ähnlich wie in Referenzbeispiel 1 wurden die Dichte und Wärmeleitfähigkeit des resultierenden Sinterkörpers gemessen.

Beispiel 10 und Vergleichsbeispiele 6 bis 10

Durch Veränderung der Art des AlN-Pulvers und der Art der Sinteradditivpulver in verschiedener Weise wurden AlN- Sinterkörper ähnlich wie im oben erwähnten Referenzbeispiel 3 hergestellt und anschließend die jeweiligen Dichten und Wärmeleitfähigkeiten gemessen. Die Ergebnisse werden in Tabelle 5 gezeigt, zusammen mit dem Partikeldurchmesser und Sauerstoffgehalt jedes AlN-Pulvers, der Art der Additive, dem Partikeldurchmesser und der Menge, die von jedem Additiv zugegeben wurde. Tabelle 5 AlN-Pulver Erstes Additiv Zweites Additiv Mittlerer Partikeldurchmesser (um) Sauerstoffgehalt (Gew.%) Zusammensetzung (Gew.%) Art Beispiel Vergleichsbeispiel Tabelle 5 (Fortsetzung) Dichte (g/cm³) Wärmeleitfähigkeit (W/m K) Beispiel Vergleichsbeispiel

Referenzbeispiel 4

Zunächst wurden zu einem AlN-Pulver, das 1,4 Gew.% Sauerstoff als Verunreinigung enthielt und einen mittleren Partikeldurchmesser von 1,2 um hatte, 5 Gew.% eines Mischpulvers aus TiO&sub2; und Y&sub2;O&sub3; (Gewichtsverhältnis = 1:1) gegeben und die resultierende Mischung durch eine Kugelmühle zur Herstellung eines Materials gemahlen und gemischt. Und dann wurden 7 Gew.% Paraffin zu diesem Material zugegeben und das resultierende Material granuliert und anschließend das Granulat unter einem Druck von 500 kg/cm² zu Grünkörpern von 30 x 30 x 8 mm preßgeformt. Als nächstes wurden diese Grünkörper auf 700ºC unter Stickstoffgasatmosphäre zur Entfernung des Paraffins erhitzt. Dann wurden die resultierenden Grünkörper in einen Kohlenstoffbehälter eingebracht und einer Atmosphärendrucksinterung unter einer Stickstoffgasatmosphäre bei 1600ºC, 1650ºC, 1700ºC, 1750ºC bzw. 1800ºC während 2 h unterworfen, so daß 5 Arten von AlN- Sinterkörpern hergestellt wurden.

Referenzbeispiel 5

Zu einem in Referenzbeispiel 4 verwendeten AlN-Pulver wurden 4 Gew.% eines Mischpulvers aus TiO&sub2; und CaCO&sub3; (Gewichtsverhältnis = 1:1, ausgedrückt als TiO&sub2; : CaO) gegeben und die resultierende Mischung zur Herstellung eines Materials durch eine Kugelmühle vermahlen und gemischt. Dann wurden 7 Gew.% Paraffin zu diesem Material zugegeben und das resultierende Material granuliert und anschließend das Granulat unter einem Druck von 500 kg/cm² zu Grünkörpern von 30 x 30 x 8 mm preßgeformt. Dann wurden diese Grünkörper auf 700ºC unter einer Stickstoffgasatmosphäre zur Entfernung des Paraffins erhitzt. Dann wurden die resultierenden Grünkörper in einen Kohlenstoffbehälter gegeben und einer Atmosphärendrucksinterung unter Stickstoffgasatmosphäre bei 1600ºC, 1650ºC, 1700ºC, 1750ºC bzw. 1800ºC während 2 h unterworfen, so daß 5 Arten von AlN-Sinterkörpern hergestellt wurden.

Vergleichsbeispiel 11

Fünf Arten von AlN-Sinterkörpern wurden ähnlich wie in Referenzbeispiel 5 hergestellt, außer daß ein Material verwendet wurde, das durch Zugabe von 4 Gew.% CaCO&sub3;, ausgedrückt als CaO, zum selben AlN-Pulver, wie es im oben erwähnten Referenzbeispiel 5 verwendet wurde, hergestellt wurde.

Referenzbeispiel 6

Fünf Arten von AlN-Sinterkörpern wurden durch Herstellung von Grünkörpern und Produktion von Sinterkörpern bei verschiedenen Temperaturen ähnlich wie in Referenzbeispiel 4 mit Ausnahme der Zugabe von 5 Gew.% eines Mischpulvers aus NiO und Y&sub2;O&sub3; (Gewichtsverhältnis = 1:1) zum selben AlN- Pulver, wie es in Referenzbeispiel 4 verwendet wurde, erhalten.

Vergleichsbeispiel 12

Fünf Arten von AlN-Sinterkörpern wurden ähnlich wie in Referenzbeispiel 6 hergestellt, mit Ausnahme der Verwendung eines Materials, das durch Zugabe von 5 Gew.% NiO allein zum selben AlN-Pulver, wie es im oben erwähnten Referenzbeispiel 6 verwendet wurde, hergestellt worden war.

Beispiel 11

Fünf Arten von AlN-Sinterkörpern wurden durch Sinterung bei verschiedenen Temperaturen ähnlich wie in Beispiel 4 hergestellt, außer daß ein Material verwendet wurde, das durch Zugabe von 4 Gew.% eines Mischpulvers von NiO und CaCO&sub3; (Gewichtsverhältnis ausgedrückt als NiO : CaO = 1:1) zum selben AlN-Pulver, wie es im oben erwähnten Referenzbeispiel 4 verwendet wurde, hergestellt worden war.
Dann wurde wie bei den AlN-Sinterkörpern des Beispiels 11 der vorliegenden Erfindung und der Vergleichsbeispiele 11 und 12 die Untersuchung der Beziehungen der Dichten und der Wärmeleitfähigkeiten zur Sintertemperatur ausgeführt, so daß sich die charakteristischen Kurven, die in Fig. 1 oder Fig. 2 gezeigt werden, ergaben. Darüber hinaus ist A in Fig. 1 oder Fig. 2 eine charakteristische Kurve von Beispiel 11 der vorliegenden Erfindung, B ist eine charakteristische Kurve von Vergleichsbeispiel 11 und C ist eine charakteristische Kurve von Vergleichsbeispiel 12.
Wie aus Fig. 1 und Fig. 2 hervorgeht, können bei den AlN- Sinterkörpern der vorliegenden Erfindung erhöhte Dichten und Wärmeleitfähigkeiten bei niedrigeren Sintertemperaturen erhalten werden und ihre Herstellungskosten können auf niedrigerem Niveau kontrolliert werden als die bei herkömmlichen AlN-Sinterkörpern.

Beispiel 12

Zu einem AlN-Pulver mit 2,4 Gew.% Sauerstoff als Verunreinigung und einem mittleren Partikeldurchmesser von 1,6 um wurde ein Mischpulver aus CaCO&sub3; und Fe&sub2;O&sub3; (Gewichtsverhältnis Fe&sub2;O&sub3; : CaO = 3:7) in einer Menge von 4 Gew.% als CaO + Fe&sub2;O&sub3; gegeben und, ähnlich wie im oben erwähnten Referenzbeispiel 4, die Mischung bei einer Temperatur von 1600ºC, 1650ºC, 1700ºC, 1750ºC bzw. 1800ºC 2 h gesintert und bei jedem der resultierenden AlN-Sinterkörper die Dichte und Wärmeleitfähigkeit gemessen, wobei die Ergebnisse durch die Kurve A in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt werden.

Vergleichsbeispiel 13

Zu Vergleichszwecken wurde unter Verwendung eines Pulvermaterials, das durch Zugabe von 7,14 Gew.% (4,0 Gew.% als CaO) CaCO&sub3; zum selben AlN-Pulver wie in Beispiel 12 hergestellt worden war, und einem Pulvermaterial, das durch Zugabe von 4 Gew.% Y&sub2;O&sub3; hergestellt worden war, die Sinterung bei den jeweiligen Temperaturen auf ähnliche Weise wie oben ausgeführt und die Dichten und Wärmeleitfähigkeiten der resultierenden Sinterkörper gemessen; die Ergebnisse davon werden durch Kurve B bzw. Kurve C in Fig. 3 und Fig. 4 angezeigt.
Wie aus Fig. 3 und Fig. 4 hervorgeht, kann bei der Herstellung der Sinterkörper der vorliegenden Erfindung die Sintertemperatur stark herabgesetzt werden und eine hohe Dichte und eine gute Leitfähigkeit können erreicht werden;
Daher können seine Herstellungskosten auf niedrigerem Niveau kontrolliert werden als bei herkömmlichen AlN-Sinterkörpern.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, sind die Aluminiumnitrid-Sinterkörper der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete Produkte mit hoher Dichte und guter Wärmeleitfähigkeit. Und in Abhängigkeit der zuzugebenden Additive, insbesondere von der Art des Übergangselements, dem erwähnten zweiten Additiv, können ihnen solche Eigenschaften wie extreme Festigkeit, Sinterfähigkeit bei niedriger Temperatur usw. verliehen werden. Außerdem können in Abhängigkeit von der Art solcher Übergangselemente und ihrer Kombination die erfindungsgemäßen Sinterkörper in verschiedener Weise gefärbt werden, was den Bereich ihrer Verwendung erweitert und es zudem ermöglicht, eine Senkung ihrer Ausbeute, die durch Ungleichmäßigkeiten bei der Sinterung etc. verursacht wird, zu vermeiden. Infolgedessen ist ihr industrieller Wert äußerst hoch und sie sind insbesondere für hitze-dissipierende Platten von Halbleitervorrichtungen verwendbar.

Claims

1. Aluminiumnitrid-Sinterkörper, welcher umfaßt:

(a) Aluminiumnitrid,

(b) eine Aluminium-Verbindung eines Erdalkalimetalls, ausgewählt aus Ba, Ca und Sr, und

(c) mindestens ein Element, ausgewählt aus den Übergangselementen der Gruppen Va, VIa, VIIa und VIII des Periodensystems, und/oder mindestens eine Verbindung, die ein solches Element enthält.

2. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 1, worin der Aluminiumnitrid-Gehalt 80 bis 99,98 Gew.% beträgt.

3. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 1, worin der Gehalt der Aluminium-Verbindung eines Erdalkalimetalls 0,01 bis 18 Gew.%, ausgedrückt als Oxid des Erdalkalimetalls, beträgt.

4. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 1, worin der Gehalt der Verbindung, die mindestens eine Elementart, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den Übergangselementen der Gruppen Va, VIa, VIIa und VIII des Periodensystems enthält, 0,01 bis 15 Gew.%, berechnet als das Oxid dieses Elements, beträgt.

5. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 1, worin die Übergangselemente der Gruppen Va, VIa, VIIa und VIII mindestens ein Element sind, das aus der Gruppe aus Ni, Cr, Mn, Fe, Co und V ausgewählt wird.

6. Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Anspruch 1, worin die Aluminium-Verbindung eines Erdalkalimetalls ein Oxid und/oder ein Oxyfluorid ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid- Sinterkörpers, umfassend die Mischung von Aluminiumnitrid mit:

(i) einer Erdalkalimetall-Verbindung; und

(ii) mindestens einem Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Übergangselementen der Gruppe Va, VIa, VIIa und VIII des Periodensystems, und/oder mindestens einer Verbindung, die dieses Element enthält; und dann Formung und Sinterung der Mischung.

8. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid- Sinterkörpers gemäß Anspruch 7, worin der Gesamtgehalt der Erdalkalimetall-Verbindung 0,01 bis 18 Gew.%, berechnet als das Oxid dieses Erdalkalimetalls, beträgt.

9. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid- Sinterkörpers gemäß Anspruch 7, worin der Gesamtgehalt eines Übergangselements der Gruppen Va, VIa, VIIa und VIII oder einer Verbindung, die dieses Element enthält, 0,01 bis 15 Gew.%, berechnet als das Oxid dieses Elements, beträgt.

10. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid- Sinterkörpers gemäß Anspruch 7, worin die erwähnte Erdalkalimetall-Verbindung ein Oxid, ein Nitrid, ein Fluorid oder eine Substanz, die in eine Verbindung dieser Arten durch Sinterung umgewandelt wird, oder eine Kombination daraus ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid- Sinterkörpers gemäß Anspruch 7, worin diese Verbindungen, die ein Übergangselement der Gruppen Va, VIa, VIIa und VIII des Periodensystems enthalten, ein Oxid, ein Nitrid, ein Fluorid oder eine Substanz, die in eine Verbindung dieser Arten durch Sintern umgewandelt wird, oder eine Kombination daraus sind.

12. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid- Sinterkörpers gemäß Anspruch 7, wobei dieses Aluminiumnitrid 0,001 bis 7 Gew.% Sauerstoff enthält.

13. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid- Sinterkörpers gemäß Anspruch 7, wobei der mittlere Partikeldurchmesser eines Pulvers, das zum Sintern verwendet wird, nicht mehr als 5 um beträgt.

14. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid- Sinterkörpers gemäß Anspruch 7, worin das Übergangselement der Gruppen Va, VIa, VIIa und VIII des Periodensystems mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe aus Ni, Cr, Mn, Fe, Co und V, ist.

15. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid- Sinterkörpers gemäß Anspruch 7, wobei der Körper eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 65 W/m K hat.