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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung von Sinterkörpern aus Aluminiumnitrid und
insbesondere gesinterte Aluminiumnitridgegenstände mit
verbesserten praktischen Eigenschaften, wie einer hohen
Wärmeleitfähigkeit, einer verbesserten Isolationsfähigkeit,
einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten oder dgl.
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Mit der erheblichen Fortentwicklung in der jüngsten Zeit der
LSI-Technologie (Technik des hohen Integrationsgrades) steigt
der Wert der in der IC-Spitze oder -Auflage pro IC-
Packungsgrad entwickelten Wärmemenge aufgrund der starken
Zunahme der LSI-Integration sowie der starken Verringerung
der Größe der IC-Auflage. Dies bedeutet, daß die Fähigkeit
der thermischen Abstrahlung des Substrats eines IC
(integrierten Schaltkreises) an Bedeutung gewinnt.
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Bisher wurden gesinterte Aluminiumoxidkörper als Substrate
für IC-Auflagen verwendet. Ein aus gesintertem Aluminiumoxid
bestehendes Substrat kann jedoch nicht die zunehmende Menge
der in der IC-Auflage entwickelten Wärme verkraften aufgrund
seiner nicht ausreichenden Wärmeleitfähigkeit. Es wurde auch
bereits vorgeschlagen, ein Substrat aus Berylliumoxid mit
einer höheren Wärmeleitfähigkeit zu verwenden anstelle eines
Substrats aus Aluminiumoxid. Das Substrat aus Berylliumoxid
ist jedoch schwierig herzustellen und zu handhaben, da
Berylliumoxid toxische Eigenschaften aufweist.
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Kürzlich wurde das Interesse in der Industrie dem
Aluminiumnitrid zugewandt auf dem Gebiet der
Halbleitertechnik als Anordnungsmaterial für einen
integrierten Schaltkreis oder als Isoliermaterial, da
Aluminiumnitrid (AIN) von Haus aus eine große
Wärmeleitfähigkeit und einen hohen elektrischen Widerstand
aufweist und zugleich ein ungiftiges Material ist. Ein
Einkristall aus Aluminiumnitrid besitzt demzufolge eine hohe
Wärmeleitfähigkeit und einen hohen elektrischen Widerstand.
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Betrachtet man jedoch gesinterte Gegenstände, so weisen
Sinterkörper aus Aluminiumnitrid eine große Porenzahl auf, da
ein Pulver aus zu sinterndem Aluminiumnitrid keine
ausreichenden Sintereigenschaften aufweist, so daß die
relative Dichte (verglichen mit der theoretischen Dichte
eines Einkristalls aus Aluminiumnitrid von 3,26 g/cm³) des
gesinterten Aluminiumnitrids höchstens 70 bis 80% beträgt.
Tritt jedoch eine große Anzahl an Fehlern, wie Poren oder
Verunreinigungen im Sinterkörper auf, so kann keine
ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit erwartet werden, da der
Mechanismus der Wärmeleitfähigkeit in einer isolierenden
Keramik, wie z. B. Aluminiumnitrid hauptsächlich von der
Leitung von Phononen beeinflußt wird, die durch die Fehler
gestreut werden.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, eine Vielzahl von
Sinterhilfen dem pulverförmigen Material aus Aluminiumnitrid
hinzuzufügen, bevor das Material in einer Heißpresse oder
unter Umgebungsdruck gesintert wird, um so gesinterte
Gegenstände mit höherer Dichte und höherer Wärmeleitfähigkeit
zu erhalten. In der Tat konnten erhebliche Verbesserungen in
der Qualität der gesinterten Gegenstände erzielt werden durch
die Zugabe von Sinterhilfen. Z. B. beschreibt die japanische
Patentveröffentlichung Nr. 58-49 510 ein Sinterverfahren bei
welchem Sinterhilfen, wie z. B. Kalziumoxid (CaO), Bariumoxid
(BaO), Strontiumoxid (SrO) oder dgl. dem pulverförmigen
Material zugefügt werden. Die mit diesem Verfahren erzielten
Gegenstände weisen eine hohe Dichte von mehr als 98% auf bei
einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit von 0,10 bis 0,13
cal/cm·sec·Grad (42 bis 54 W/m·K bei Umgebungstemperatur).
Diese Werte der Wärmeleitfähigkeit reichen jedoch noch nicht
aus, um die ständigen Forderungen nach Wärmeabstrahlungen bei
der IC- und LSI-Technologie in der Zukunft zu erfüllen.
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Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 56-94 75 hat
vorgeschlagen, Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) und Siliziumoxid (Sio&sub2;)
oder dgl. als pulverförmiges Material dem Aluminiumnitrid
hinzuzufügen, um einen gesinterten Gegenstand mit hoher
Dichte und hoher Festigkeit zu erhalten. Diese japanische
Patentveröffentlichung beschreibt, daß die erhaltenen
gesinterten Gegenstände eine sehr hohe relative Dichte von
mehr als 98% aufweisen, jedoch eine relativ geringe
Wärmeleitfähigkeit von weniger als 0,07 cal/cm·sec·Grad (29
W/m·K). Daraus resultiert, daß die Bedingungen, die zur
Verbesserung oder Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit erfüllt
sein müssen, nicht nur von der Dichte des gesinterten
Gegenstandes, sondern auch von anderen Faktoren, wie z. B.
der Kristallstruktur oder dgl. abhängen. Die faserige
Struktur, die gemäß dem in der japanischen
Patentveröffentlichung Nr. 56-94 75 beschriebenen Verfahren
erhalten wird, wird als schädlich angesehen und trägt nicht
zum Erhalt einer hohen Wärmeleitfähigkeit bei, obwohl sie die
Festigkeit des gesinterten Gegenstands zu erhöhen scheint.
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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zur Herstellung gesinterter Gegenstände aus
Aluminiumnitrid zu schaffen, welche eine verbesserte
Kristallstruktur aufweisen, um so sowohl eine hohe relative
Dichte von mehr als 95% als auch eine hohe
Wärmeleitfähigkeit von mehr als 150 W/m·K zu erhalten.
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Genauer ausgedrückt ist es ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Sinterkörpern zu
schaffen aus Aluminiumnitrid, die nicht nur eine höhere
Dichte aufweisen, sondern auch verbesserte praktische
Eigenschaften, wie eine hohe Wärmeleitfähigkeit, einen hohen
Isolationswiderstand, eine niedrige dielektrische Konstante
oder dgl., welche für den praktischen Einsatz auf dem Gebiet
der Halbleiter als Isolationsmaterial oder Einbettmaterial
wichtig sind.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfinder haben ausführlich die einzelnen Faktoren beim
Sinterprozeß, wie z. B. die Reinheit und den Anteil der
pulverförmigen Materialien untersucht sowie die Art der
Sinterhilfen, die Kristallstruktur der gesinterten
Gegenstände im Hinblick auf die Herstellung gesinterter
Gegenstände aus Aluminiumnitrid mit hoher Wärmeleitfähigkeit
von mehr als 150 W/m·K und haben schließlich herausgefunden,
daß die Zugabe von Gadoliniumoxid zum pulverförmigen Material
aus Aluminiumnitrid den Sintergrad von Aluminiumnitrid
erheblich beeinflussen, so daß dicht gepackte gesinterte
Gegenstände hergestellt werden können, wobei gleichzeitig die
Wärmeleitfähigkeit stark beeinflußt wird. Die durchgeführte
Analyse mittels Röntgenstrahlenbeugung der erhaltenen
gesinterten Gegenstände ergab, daß ein Korngrenzenbereich im
gesinterten Gegenstand besteht, der hauptsächlich GdAlO&sub3; und
Gd&sub2;O&sub3; aufweist; die Erfinder haben herausgefunden, daß die
Existenz der Korngrenze zu einer erheblichen Verbesserung der
Wärmeleitfähigkeit beiträgt.
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Die vorliegende Erfindung schafft also einen gesinterten
Gegenstand aus Aluminiumnitrid mit hoher Wärmeleitfähigkeit
und ist dadurch gekennzeichnet, daß der gesinterte Gegenstand
erhalten wird durch Sintern von Aluminiumnitridpulver,
welches 5,0 bis 15 Gew.-% Gadoliniumoxid aufweist, wobei der
gesinterte Gegenstand eine Korngrenze aufweist, die
hauptsächlich aus GdAlO&sub3; und Gd&sub2;O&sub3; besteht sowie eine
relative Dichte von mehr als 95% und eine Wärmeleitfähigkeit
von mehr als 150 W/m·K bei Umgebungstemperatur aufweist.
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Der erfindungsgemäße Sinterkörper mit einer hohen
Wärmeleitfähigkeit, der hauptsächlich aus Aluminiumnitrid
besteht, ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß der
Sinterkörper mehr als 0,01 Gew.-%, aber weniger als 1,0
Gew.-% an Gadolinium enthält, berechnet in Werten von Gd&sub2;O&sub3; und
daß die Korngrenze des Sinterkörpers hauptsächlich aus GdAlO&sub3;
+ Gd&sub2;O&sub3; besteht und daß der Sinterkörper eine relative Dichte
von mehr als 95% und eine Wärmeleitfähigkeit bei
Raumtemperatur von mehr als 150 W/m·K aufweist.
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Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zur
Herstellung gesinterter Gegenstände mit hoher
Wärmeleitfähigkeit, gemäß der 85 bis 95 Gew.-%
Aluminiumnitridpulver mit einem Sauerstoffgehalt von 0,1 bis
2 Gew.-% mit 5,0 bis 15 Gew.-% Gadoliniumoxid vermischt
werden, das so erhaltene Gemisch gepreßt wird und der
Preßling anschließend bei 1800 bis 2200ºC in einer nicht
oxidierenden Umgebung gesintert wird, um so einen gesinterten
Gegenstand zu erhalten mit einem Korngrenzenbereich, der
hauptsächlich aus GdAlO&sub3; und Gd&sub2;O&sub3; besteht.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Erfindungsgemäß wird der gesinterte Gegenstand erhalten durch
Sintern eines Pulvergemisches aus 85 bis 95 Gew.-%
Aluminiumnitrid und 5,0 bis 15 Gew.-% Gadoliniumoxid. Beträgt
die Menge an Gadoliniumoxid, welches dem Aluminiumnitrid
hinzuzufügen ist, nicht mehr als 1,0 Gew.-%, so ist es
unmöglich, den gewünschten gesinterten Gegenstand zu
erhalten, da das Gadoliniumoxid verbraucht wird oder mit
Sauerstoff reagiert, welches üblicherweise im Aluminiumnitrid
enthalten ist, so daß die Menge an GdAlO&sub3; und Gd&sub2;O&sub3; nicht
mehr ausreicht, welche erforderlich ist, um die notwendige
relative Dichte und die Wärmeleitfähigkeit zu erzielen.
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Erfindungsgemäß reagiert nämlich das Gadoliniumoxid mit
Aluminiumnitrid und mit dem im Aluminiumnitrid enthaltenen
Sauerstoff während der Sinterstufe, um eine flüssige Phase zu
erzeugen, welche GdAlO&sub3; und Gd&sub2;O&sub3; aufweist. Die gewünschte
Verbesserung der Dichte und der Wärmeleitfähigkeit des
gesinterten Gegenstandes gemäß der Erfindung resultieren aus
dem Sintern in der oben genannten flüssigen Phase. Mit
anderen Worten, die Korngrenze des gesinterten Gegenstandes
besteht hauptsächlich aus GdAlO&sub3; und Gd&sub2;O&sub3;.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung beträgt
der Gehalt an Gadolinium im gesinterten Gegenstand
vorzugsweise mehr als 0,01 Gew.-%, aber weniger als 1,0 Gew.-%,
berechnet in Werten von Gd&sub2;O&sub3;. Die dem Aluminiumnitrid
hinzugefügte Gadoliniumverbindung reagiert mit dem Sauerstoff
im Aluminiumnitrid oder wird verbraucht während des
Sinterverfahrens, wonach nicht-reagiertes Gadolinium aus dem
Sinterkörper austritt oder dieses verläßt, so daß nach dem
Formprozeß des Sinterkörpers der Gehalt an im Sinterkörper
verbliebenen Gadolinium geringer ist als die dem
Ausgangsmaterial hinzugefügte Gadoliniummenge. Der optimale
Gehalt an Gadolinium im Sinterkörper zur Erzielung einer
hohen Wärmeleitfähigkeit beträgt mehr als 0,01 Gew.-%, aber
weniger als 1,0 Gew.-%, berechnet in Werten von Gd&sub2;O&sub3;.
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Insbesondere wenn das Sintern durch eine Heißpresse
ausgeführt wird, kann der verbleibende Gadoliniumgehalt im
Sinterkörper stark verringert werden, um so einen gesinterten
Gegenstand mit den verbesserten Eigenschaften zu erzielen.
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Übersteigt die Menge an Gadoliniumoxid, welche dem
Aluminiumnitrid hinzuzufügen ist, 15 Gew.-%, so überschreitet
der verbleibende Gadoliniumgehalt im gesinterten Gegenstand 1
Gew.-%, woraus eine Verschlechterung des Widerstandes gegen
Oxidierung, des Korrosionswiderstandes oder der
dielektrischen Konstanten resultiert, und damit eine
Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit des gesinterten
Gegenstandes, da die dem Aluminiumnitrid innewohnenden
Eigenschaften beeinträchtigt werden, woraus eine Verringerung
der relativen Dichte des gesinterten Gegenstandes resultiert.
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Dies bedeutet, daß die Menge an Gadoliniumoxid, die dem
Aluminiumnitrid hinzuzufügen ist, zwischen 1,0 und 15 Gew.-%
liegen muß und daß die Menge an im gesinterten Gegenstand
verbleibendem Gadolinium zwischen mehr als 0,01 Gew.-%,
jedoch weniger als 1,0 Gew.-% liegen muß, berechnet in Werten
von Gd&sub2;O&sub3;.
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Das Aluminiumnitridpulver, das gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, enthält weniger als 2 Gew.-% und
kann gemäß dem sog. "Aluminiumoxid-Reduktions-Verfahren"
hergestellt werden, ist jedoch nicht auf das Materialpulver
beschränkt, welches mit diesem Verfahren erzeugt wird. Wenn
die Menge an im Aluminiumnitrid enthaltenen Sauerstoff 2
Gew.-% übersteigt, so enthält der gesinterte Körper
überschüssigen Sauerstoff, unabhängig von der Menge der dem
Aluminiumoxid hinzugefügten Gadoliniumoxid, woraus eine
Phononen-Streuung folgt, so daß keine hohe Wärmeleitfähigkeit
von mehr als 150 W/m·K erhalten wird. Andererseits ist es
unmöglich, ein derartiges Aluminiumnitridpulver zu erzeugen,
welches weniger als 0,1 Gew.-% enthält aus ökonomischen
Gründen mit der vorliegenden Technologie.
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Eine Verbesserung der Dichte und der Wärmeleitfähigkeit des
gesinterten Gegenstandes aus Aluminiumnitrid kann also
erzielt werden durch Kombination des oben erwähnten
Aluminiumnitridpulvers, welches die optimale Menge an
Sauerstoff und Gadoliniumoxid gemäß der Erfindung enthält.
Außerdem tritt innerhalb des Bereichs der Anteile der
Einzelbestandteile der Stoffe gemäß der vorliegenden
Erfindung die Granulation in der Kristallstruktur des
gesinterten Gegenstandes auf, wobei von dieser Granulation
angenommen wird, daß sie zur Verbesserung der
Wärmeleitfähigkeit beiträgt.
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Die Sintertemperatur liegt zwischen 1800 und 2200ºC. Beträgt
die Sintertemperatur weniger als 1800ºC, so kann kein
ausreichendes Sintern stattfinden. Eine höhere
Sintertemperatur wäre beim Sintern von Aluminiumnitrid
wünschenswert. Überschreitet die Sintertemperatur jedoch
2200ºC, so wird ein Zerfallsprozeß des Aluminiumnitrid
übermäßig beschleunigt, so daß die Gewichtsverringerung des
gesinterten Gegenstandes auf einen unwirtschaftlichen Wert
absinkt.
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Die nicht oxidierende Atmosphäre kann erhalten werden mit
wenigstens einem Stickstoffgas, Wasserstoffgas,
Kohlenstoffmonoxidgas, Argongas und Heliumgas.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird der Preßling des Pulvergemisches unter
Druckbedingungen von mehr als 50 kg/cm² mittels einer
Heißpresse durchgeführt in einer nicht oxidierenden
Atmosphäre, um die Eigenschaften des gesinterten
Gegenstandes zu verbessern.
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Der Sinterkörper oder der gesinterte Gegenstand aus
Aluminiumnitrid gemäß der vorliegenden Erfindung kann
verwendet werden als Substrat für integrierte Schaltkreise,
z. B. als Substrat für Trägerkeramiken oder keramische
Einbettmaterialien oder Hybrid-ICs, für Wärmesenken von
Leistungstransistoren, für Leistungsdioden, Laserdioden oder
dgl., für Laserröhren, oder auch als isolierende dünne Filme
an Stelle von Mica-Filmen.
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Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen mittels
Beispielen dargestellt, wobei jedoch die Erfindung nicht auf
diese Beispiele beschränkt ist.
Beispiel 1
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Aluminiumnitridpulver, dessen Sauerstoffgehalt 0,8 Gew.-%
betrug, wurde mit Gadoliniumoxidpulver gemischt, um die in
Tabelle 1 angegebenen Musterzusammensetzungen zu erhalten.
Der Prozentsatz an Gadoliniumoxid in den Mustern betrug
zwischen 5,0 und 15 Gew.-%. Danach wurde das so erhaltene
Pulvergemisch bei einem Druck von 200 kg/cm² zu einem
Preßling verformt. Die Preßlinge wurde bei einer Temperatur
gesintert zwischen 1800 und 2200ºC während drei Stunden bei
Umgebungsdruck. Die relative Dichte und die
Wärmeleitfähigkeit der so erhaltenen gesinterten Gegenstände
sind in Tabelle 1 dargestellt.
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Das Sinterverfahren wurde in einer Stickstoffgasatmosphäre
(1 atm) durchgeführt. Das Vermischen des Gadoliniumoxidpulvers
mit dem Aluminiumnitridpulver wurde während 12 Stunden
mittels einer Kugelmühle durchgeführt.
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Tabelle 1 zeigt deutlich, daß die gesinterten Gegenstände,
die durch Zusatz von 5,0 bis 15 Gew.-% Gadoliniumoxid zum
Aluminiumnitridpulver gemäß der vorliegenden Erfindung
erhalten wurden, durch Sintern des Gemisches bei einer
Temperatur zwischen 1800 und 2200ºC eine höhere Dichte und
eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit von mehr als 150 W/m·K
aufwiesen. Es wurde auch bestätigt, daß eine Korngrenze in
allen Mustern bestand, die hauptsächlich aus GdAlO&sub3; und Gd&sub2;O&sub3;
bestand.
Vergleichsbeispiel 1
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In Vergleichsbeispielen wurden Muster hergestellt unter den
gleichen Bedingungen wie oben im Muster 1 mit Ausnahme des
Prozentsatzes an Gadoliniumoxid und der Sintertemperaturen,
die außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung lagen.
Die Ergebnisse sind als Vergleichsversuche in Tabelle 1
dargestellt.
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Aus Tabelle 1 wird deutlich ersichtlich, daß die Muster der
Vergleichsversuche weder ausreichende Dichte noch eine
verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Wenn z. B. die
Menge an Gadoliniumoxid, das dem Aluminiumnitrid hinzugefügt
wird, nicht ausreichend ist (Muster 1), so wird an der
Korngrenze nur GdAlO&sub3; beobachtet, nicht jedoch Gd&sub2;O&sub3;. Dies
ist der Grund, warum der Vorteil der hohen Wärmeleitfähigkeit
zwar mit der vorliegenden Erfindung bei den gesinterten
Gegenständen erhalten wird, nicht jedoch bei denjenigen der
Vergleichsversuche.
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Wird andererseits eine übermäßige Menge an Gadoliniumoxid
hinzugefügt wie beim Beispiel 7, so verbleibt ein Überschuß
an Gadoliniumoxid im erhaltenen gesinterten Gegenstand als
Rückstand, der die oben erwähnte Phononenstreuung bewirken
kann und damit zu einer Verschlechterung der
Wärmeleitfähigkeit führt. Sind außerdem die
Sintertemperaturen nicht hoch genug wie im Fall der Muster 8
und 16, so kann das Sintern nicht vollständig durchgeführt
werden, so daß die erhaltenen gesinterten Gegenstände eine
sehr geringe Dichte und eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen.
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Beispiel 2
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Das gleiche Pulvergemisch aus Aluminiumnitrid und
Gadoliniumoxid wie im Beispiel 1 wurde unter den gleichen
Bedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, wonach das Sintern
in einer Heißpresse bei 200 kg/cm² durchgeführt wurde bei
1800ºC während zwei Stunden unter Druckbeaufschlagung. Die
Dichte und die Wärmeleitfähigkeit der erhaltenen gesinterten
Gegenstände sind als Beispiele in Tabelle 2 angegeben.
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Im Falle des oben erwähnten Drucksinters sind die
Eigenschaften der erhaltenen gesinterten Gegenstände viel
stabiler als beim drucklosen Sintern.
Vergleichsbeispiel 2
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Das gleiche Drucksintern mittels der Heißpresse wie im
Beispiel 2 wurde ausgeführt, wobei jedoch die
Zusammensetzungen von Aluminiumnitrid und Gadoliniumoxid
außerhalb des Bereichs der Erfindung lagen. Die Ergebnisse
sind als Vergleichsversuche in Tabelle 2 dargestellt.
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Tabelle 2 enthüllt, daß eine höhere Wärmeleitfähigkeit nicht
erhalten werden kann, wenn die Menge des dem Aluminiumnitrid
zugefügten Gadoliniumoxids außerhalb des Bereichs der
vorliegenden Erfindung liegt.
Beispiel 3
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Bei diesem Beispiel wurden Aluminiumnitridpulver, deren
Sauerstoffgehalte unterschiedlich untereinander waren, mit 5
Gew.-% Gadoliniumoxidpulver gemischt. Die Pulvergemische
wurden bei 1900ºC während drei Stunden unter Umgebungsdruck
gesintert. Das Ergebnis ist in Tabelle 3 als Beispiel
dargestellt. Tabelle 3 zeigt, daß verbesserte Eigenschaften
dann erhalten werden, wenn der Sauerstoffgehalt im
Aluminiumnitrid kleiner als 1,5% ist.
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In Tabelle 3 sind die Sauerstoffgehalte im Aluminiumnitrid in
Klammern angegeben.
Vergleichsbeispiel 3
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Im Vergleichsbeispiel lagen die Sauerstoffgehalte im
Aluminiumnitrid außerhalb des Bereichs der vorliegenden
Erfindung, wohingegen das Mischen und Sintern unter den
gleichen Bedingungen wie in Beispiel 3 durchgeführt wurden.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 als Vergleichsversuche
dargestellt.
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Aus Tabelle 3 wird deutlich, daß die Werte der
Wärmeleitfähigkeit der Beispiele gemäß der Vergleichsversuche
sehr niedrig liegen, wenn die Sauerstoffgehalte im
Aluminiumnitrid 2% übersteigen.
Beispiel 4
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Aluminiumnitridpulver, dessen Sauerstoffgehalt 0,4 Gew.-%
betrug, wurde mit Gadoliniumoxidpulver gemischt, um so die in
Tabelle 4 dargestellten Musterzusammensetzungen zu erhalten.
Der Prozentsatz an Gadoliniumoxid in den Mustern betrug
zwischen 0,1 und 15 Gew.-%. Das erhaltene Pulvergemisch wurde
bei einer Temperatur zwischen 1800 und 2200ºC während drei
Stunden in einer Heißpresse mit einem Druck von 100 kg/cm²
gesintert. Die relative Dichte und die Wärmeleitfähigkeit der
erhaltenen gesinterten Gegenstände sind in Tabelle 4
dargestellt.
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Das Sinterverfahren wurde in einer Stickstoffgasatmosphäre
(1 atm) durchgeführt. Das Vermischen des Gadoliniumoxidpulvers
mit dem Aluminiumnitridpulver wurde während 12 Stunden mit
einer Kugelmühle durchgeführt.
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Tabelle 4 läßt deutlich erkennen, daß die gesinterten
Gegenstände, die durch Zusatz von 5,0 bis 15 Gew.-%
Gadoliniumoxid gemäß der vorliegenden Erfindung zum
Aluminiumnitridpulver erhalten wurden sowie durch Sintern des
Gemisches in der Heißpresse bei einer Temperatur zwischen
1800 und 2200ºC eine höhere Dichte und eine verbesserte
Wärmeleitfähigkeit von mehr als 150 W/m·K aufwiesen. Es wurde
auch bestätigt, daß eine Korngrenze hauptsächlich aus GdAlO&sub3;
und Gd&sub2;O&sub3; in allen Mustern besteht.
Vergleichsbeispiele 4
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In Vergleichsbeispielen wurden Muster unter den gleichen
Bedingungen wie im Beispiel 4 hergestellt mit der Ausnahme,
daß die Prozentsätze an Gadoliniumoxid und die
Sintertemperaturen außerhalb des Bereichs der vorliegenden
Erfindung lagen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 als
Vergleichsversuche dargestellt.
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Aus Tabelle 4 geht hervor, daß die Muster der
Vergleichsversuche weder eine ausreichende Dichte noch eine
verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ist beispielsweise
die Menge an Gadoliniumoxid, welches dem Aluminiumnitrid
hinzugefügt wird, nicht ausreichend (Muster 1), so wird
ausschließlich GdAlO&sub3; an der Korngrenze beobachtet, nicht
jedoch Gd&sub2;O&sub3; an dieser Korngrenze. Aus diesem Grund wird auch
der Vorteil der vorliegenden Erfindung, nämlich die höhere
Wärmeleitfähigkeit der gesinterten Gegenstände im Falle der
Vergleichsversuche nicht erzielt.
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Wird andererseits eine übermäßige Menge an Gadoliniumoxid
hinzugefügt, wie es beim Muster 7 der Fall ist, so verbleibt
ein Überschuß an Gadoliniumoxid im erhaltenen gesinterten
Gegenstand als Restbestand. Im Falle des Musters 7 ist dies
dielektrische Konstante auf mehr als 15 vergrößert.
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Sind außerdem die Sintertemperaturen nicht groß genug, wie im
Beispiel der Muster 8, so wird das Sintern nicht vollständig
durchgeführt, so daß der erhaltene gesinterte Gegenstand eine
sehr niedrige Dichte und eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit
aufweist.
TABELLE 1(A)
Muster No. Zusammensetzung Sintern relative Dichte (%) Wärmeleitfähigkeit Korngrenzstruktur gemessen durch Röntgenbeugungsdiagramm Vergleichsversuch Beispiel α: unbekannte Spektralmaxima bei dem Röntgenbeugungsdiagramm
TABELLE 1(B)
Muster No. Zusammensetzung Sintern relative Dichte (%) Wärmeleitfähigkeit Korngrenzstruktur gemessen durch Röntgenbeugungsdiagramm Vergleichsversuch Beispiel α: Spektralmaximum, das nicht durch das Röntgenbeugungsdiagramm analysiert werden kann.
TABELLE 2
Muster No. Zusammensetzung Sintern relative Dichte (%) Wärmeleitfähigkeit Korngrenzstruktur gemessen durch Röntgenbeugungsdiagramm Vergleichsversuch Beispiel α: Spektralmaximum, das nicht durch das Röntgenbeugungsdiagramm analysiert werden kann
TABELLE 3
Muster No. Zusammensetzung (%) Sintern relative Dichte Wärmeleitfähigkeit Vergleichsversuch Beispiel
TABELLE 4
Beispiel Zusammensetzung (%) Sinterbedingung Produkt relative Dichte Wärmeleitfähigk. Korngrenzstruktur gemessen durch Röntgenbeugungsdiagramm Verbleibendes Gd in Werten von Vergleichsversuch Beispiel α: unbekannte Spektralmaxima bei dem Röntgenbeugungsdiagramm