DE3800749A1

DE3800749A1 - Aluminiumnitrid-sinterkoerper hoher waermeleitfaehigkeit und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3800749A1
Application number: DE3800749A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Horiguchi; Fumio Ueno; Mitsuo Kasori; Yoshiko Sato; Masaru Hayashi; Hiroshi Endo; Kazuo Shinozaki; Akihiko Tsuge
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-01-13
Filing date: 1988-01-13
Publication date: 1988-07-21
Also published as: US4847221A; DE3800749C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Aluminiumnitrid- bzw. AlN- Sinterkörper hoher Wärmeleitfähigkeit und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Aluminiumnitrid besitzt unter Normaldruck keinen Schmelzpunkt und zersetzt sich bei einer Temperatur von 2500°C oder höher. Aluminiumnitrid wird daher als Sinterkörper, außer bei Einkristall-Dünnschichten, verwendet.

Die mechanische Festigkeit eines Aluminiumnitrid- bzw. AlN- Sinterkörpers ist bei hohen Temperaturen kaum beeinträchtigt; die Beständigkeit eines solchen Sinterkörpers gegen bestimmte Chemikalien ist ausgezeichnet. Aufgrund dieser Eigenschaften wird der AlN-Sinterkörper als wärmebeständiger oder warmfester Werkstoff eingesetzt; wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird er auch als Strahler- oder (Wärme-)Abstrahlmaterial bei Halbleiteranordnungen und wegen seiner guten elektrischen Isoliereigenschaften als Schaltungsplatten- Isoliermaterial verwendet.

Ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper wird normalerweise durch Formen und Brennen eines Aluminiumnitridpulvers erhalten. Bei Verwendung eines sehr feinen AlN-Pulvers (Teilchengröße: 0,3 µm oder weniger) kann ein praktisch vollständig dichter oder verdichteter bzw. kompakter Aluminiumnitrid- Sinterkörper ohne Verwendung eines Sinterzuschlags erhalten werden. Da jedoch in einer Oxidschicht auf der Oberfläche des Roh- oder Ausgangspulvers vorhandener Sauerstoff sich beim Sintern in das AlN-Gitter einlagert oder in Al-O-N- Verbindungen übergeht, beträgt die maximale Wärmeleitfähigkeit des Sinterkörpers ohne Verwendung eines Sinterzuschlags etwa 100 W/m · K. Bei Verwendung eines AlN-Pulvers (Teilchengröße: 0,5 µm oder größer) sind die Sintereigenschaften nicht besonders gut. Es ist daher schwierig, in einem ein Heißpressen ausschließenden Verfahren ohne Zugabe eines Sinterzuschlags einen vollständig dichten (full-densed) Sinterkörper zu erhalten. Zur Gewinnung eines Aluminiumnitrid- Sinterkörpers bei normalem Druck wird als Sinterzuschlag ein Metalloxid Seltener Erden oder ein Erdalkalimetalloxid zugesetzt, um die Dichte des Sinterkörpers zu erhöhen und eine Einlagerung (consolidation) von verunreinigendem Sauerstoff in der Oberflächenschicht des AlN- Ausgangspulvers zu verhindern (JP-PSen 60-127 267, 61-10 071 und 60-71 575). Da ein solcher Sinterzuschlag mit dem Verunreinigungs- Sauerstoff in der Oberflächenschicht des AlN- Ausgangspulvers unter Begünstigung des Flüssigphasensintern reagiert, kann die Dichte des Sinterkörpers erhöht werden. Außerdem wird dieser Sauerstoff (durch Sauerstoffanlagerung) als Korngrenzenphasen an den Außenseiten des AlN-Korns fixiert, wodurch eine hohe Wärmeleitfähigkeit realisiert werden kann.

Durch Zugabe eines Sinterzuschlags zum AlN-Ausgangspulver werden Dichte und Wärmeleitfähigkeit des letztlich erhaltenen Aluminiumnitrid-Sinterkörpers verbessert. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt jedoch nur höchstens etwa 150 W/m · K aufgrund der Korngrenzen-Oxidphasen (d. h. zweite oder sekundäre Phasen in bezug auf die AlN-Phase als Hauptphase), die als Ergebnis der Zugabe des Sinterzuschlags und der unvollständig eingefangenen oder angelagerten Sauerstoffatome entstehen. Die Wärmeleitfähigkeit ist wesentlich geringer als die theoretische Wärmeleitfähigkeit von 320 W/m · K des Aluminiumnitrids.

Trotz zahlreicher Versuche, die Wärmeleitfähigkeit eines Aluminiumnitrid-Sinterkörpers zu verbessern, wurden diesbezüglich noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Aluminiumnitrid-Sinterkörpers ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit sowie eines Verfahrens zu seiner Herstellung.

Gegenstand der Erfindung ist ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper mit hoher Wärmeleitfähigkeit, bestehend im wesentlichen aus einer AlN-Einzelphase mit 0,01-8000 ppm (Teile pro Million Teile) (Gewichtsverhältnis; dies gilt, soweit nicht anders angegeben, für alle in der folgenden Beschreibung angegebenen ppm-Werte) an Seltenen Erden- Elementen und weniger als 2000 ppm Sauerstoff.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid-Sinterkörpers, bestehend im wesentlichen aus AlN-Einzelphase mit 0,01-8000 ppm Seltener Erden-Elemente und weniger als 2000 ppm Sauerstoff, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Formkörper, hergestellt durch Mischen und Ausformen eines Aluminiumnitridpulvers mit weniger als 7 Gew.-% Sauerstoff und einer mittleren Teilchengröße von 0,05-5 µm und mit 0,01-15 Gew.-% an Verbindungen Seltener Erden, bezogen auf den Gehalt an Seltenen Erden-Elementen, oder ein AlN-Sinterkörper mit Oxidkorngrenzenphasen (oxide grain boundary phases) von 0,01-15 Gew.-% Seltener Erden- Elemente und 0,01-20% Sauerstoff sowie (Seltenen Erden-Element)-Al-O-Verbindungsphasen und/oder (Seltenen Erden-Element)-O-Verbindungsphasen 4 h lang oder länger in einer reduzierten Atmosphäre bei einer Temperatur von 1550-2050°C gebrannt wird.

Im Hinblick auf die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit beträgt der Gehalt an Seltenen Erden-Elementen vorzugsweise 0,01-1000 ppm und derjenige der Sauerstoff-Verunreinigung vorzugsweise weniger als 1000 ppm. Vom Standpunkt praktischer Anwendung liegt der Gehalt an Seltenen Erden- Elementen vorzugsweise bei 10-3000 ppm. Der Gehalt an Sauerstoff-Verunreinigungen im Sinterkörper und der Gehalt an Kationen-Verunreinigungen in den Ausgangspulvern muß minimiert werden, weil diese, wenn sie in großen Mengen- (anteilen) vorhanden sind, die Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigen.

Die Dichte des erfindungsgemäßen Aluminiumnitrid-Sinterkörpers beträgt vorzugsweise 3,120-3,285 g/cm³. Wenn die Dichte unterhalb dieser Werte liegt, kann der Sinterkörper nicht ausreichend verdichtet (densed) werden. Falls dagegen die Dichte über diesen Werten liegt, ist der Gehalt an Verunreinigungsbestandteilen unerwünscht vergrößert. Vorzugsweise liegt die Dichte des Sinterkörpers im Bereich von 3,259-3,264 g/cm³.

Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Sinterkörpers stützt sich auf die folgenden Hauptfaktoren: Reinheit und mittlere Teilchengröße eines Aluminiumnitrid- Ausgangspulvers, Sinterzuschlag, Sinterzeit und Sinteratmosphäre.

Als Hauptbestandteil wird ein Aluminiumnitrid-Ausgangspulver eines Sauerstoffgehalts von 7 Gew.-% oder weniger, praktisch von 0,01-7 Gew.-% und einer mittleren Teilchengröße von 0,05-5 µm verwendet.

Als Sinterzuschläge werden Seltene Erden-Verbindungen (Verbindungen von Y; Sc, Ce und Dy; bevorzugt Yttriumverbindungen) eingesetzt. Beispiele für Seltene Erden- Elementverbindungen sind Oxide, Nitride, Fluoride, Oxyfluoride, Oxynitride von Seltenen Erden-Elementen oder Verbindungen, die durch Sintern in solche Verbindungen überführt werden können. Die durch Sintern in solche Verbindungen überführbaren Verbindungen sind z. B. Carbonate, Nitrate, Oxalate oder Hydride von Seltenen Erden-Elementen.

Bezogen auf den Gehalt an Seltenen Erden-Elementen werden 0,01-15 Gew.-% Seltene Erden-Verbindungen zugesetzt. Wenn dieser Gehalt weniger als 0,01 Gew.-% beträgt, kann der Sinterkörper nicht vollverdichtet (densed) werden, und Sauerstoff kann sich im AlN-Korn einlagern. In einem solchen Fall kann kein Sinterkörper einer hohen Wärmeleitfähigkeit erzielt werden. Falls jedoch der genannte Gehalt 15 Gew.-% übersteigt, bleibt die Grenzphase im Sinterkörper erhalten, so daß ein Einzelphasen-AlN-Sinterkörper nicht erhalten werden kann. Da das Volumen der Korngrenzenphasen groß ist, bleiben im Sinterkörper Hohlräume oder Poren zurück, wenn die Korngrenzenphasen durch das Sintern beseitigt werden. Außerdem vergrößert sich dabei der Schrumpfgrad erheblich, und der Sinterkörper kann sich in unerwünschter Weise verformen. Bevorzugt liegt der Gehalt an Seltenen Erden-Verbindungen im Bereich von 0,5-10 Gew.-%.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein ein Gemisch aus einem solchen AlN-Pulver und Seltenen Erden-Verbindungen enthaltender Formkörper unter den noch zu beschreibenden Bedingungen gesintert werden. Wahlweise kann anstelle des genannten Formkörpers ein Sinterkörper, der AlN als Hauptphase, 0,01-15 Gew.-% Seltene Erden-Elemente und 0,01-20 Gew.-% Sauerstoff, (Seltene Erden-Elemente)-Al-O- Verbindungsphasen und/oder (Seltene Erden-Elemente)-O- Verbindungen enthält, nach einem an sich bekannten Verfahren (vgl. z. B. JP-PS 61-117 160) hergestellt und gebrannt werden.

Das Sintern erfolgt in einer reduzierenden Atmosphäre, insbesondere in einer gasförmigen Stickstoff enthaltenden Atmosphäre. Die reduzierende Atmosphäre enthält vorzugsweise gasförmiges CO, gasförmiges H₂ und/oder C (gasförmig oder in fester Phase).

Wenn das Material in einer oxidierenden Atmosphäre gesintert wird, wird eine Korngrenzenphasenreinigung durch insbesondere Kohlenstoff nicht bewirkt, wobei infolge der Einlagerung (consolidation) von Sauerstoff und der Bildung einer Variantenphase keine hohe Wärmeleitfähigkeit erzielt wird. Die Sinteratmosphäre kann eine Niederdruck-, Hochdruck- oder Normaldruckatmosphäre sein.

Die Sintertemperatur liegt im Bereich von 1550-2050°C, vorzugsweise im Bereich von 1700-2050°C. Wenn die Sintertemperatur unter 1550°C liegt, wird ein vollständig dichter oder verdichteter Sinterkörper kaum erhalten. Da weiterhin die (noch zu beschreibende) Erzeugung von Kohlenstoffgas aus der Sinterkammer reduziert ist, bleiben die Korngrenzenphasenoxide erhalten. Falls dagegen die Sintertemperatur über 2050°C liegt, erhöht sich der Dampfdruck von AlN selbst, so daß der erhaltene Sinterkörper nicht dicht oder verdichtet werden kann. Zudem kann sich dabei aufgrund der Reaktion zwischen Aluminium und Kohlenstoff ein Aluminiumcarbonat (Al₄C₃) bilden. Die (Seltenen Erden-Elemente)- O-Verbindungen werden reduziert, und es kann eine Nitridphase entstehen. Die Sintertemperatur liegt daher vorteilhaft bei 1800-2000°C und bevorzugt bei 1800-1950°C.

Die übliche Sinterzeit ist normalerweise kurz, d. h. sie liegt im Bereich von 1-3 h. Wenn das Material während einer derart kurzen Zeit in der reduzierenden Atmosphäre gesintert wird, ist es möglich, den Aluminiumnitrid-Sinterkörper zu verdichten (to dense) und Sauerstoffatome an der Oberflächenschicht des Ausgangspulvers an den Korngrenzenphasen zu fixieren. Die Korngrenzenphasen existieren jedoch an der Kante zwischen dem AlN-Korn und an einem Tripelpunkt; in diesem Fall kann ein nur aus AlN-Einzelphase bestehender Sinterkörper nicht realisiert werden. Wenn die (noch zu beschreibende) Kohlenstoffgasatmosphäre nicht vorgesehen ist, kann die Grenzenphase nicht beseitigt werden, auch wenn das Material während einer langen Zeitspanne gesintert wird. Für die Erzielung einer AlN-Einzelphase ist eine Zeitspanne von 4 h oder mehr, vorzugsweise 6 h oder mehr und bevorzugt 12 h oder mehr nötig.

Das Sintergehäuse kann durch ein Aluminiumnitrid-, Aluminiumoxid- oder Mo-Gehäuse gebildet sein (JP-PS 61-146 769). Bei Verwendung eines solchen Gehäuses verbleiben im Sinterkörper (Seltene Erden-Elemente)-Al-O-Verbindungsphasen, so daß häufig ein Sinterkörper einer hohen Wärmeleitfähigkeit nicht erzielt werden kann. Aus diesem Grund wird bevorzugt ein Gehäuse eingesetzt, in welchem während des Sintervorgangs eine Kohlenstoffgasatmosphäre entstehen kann. Ein solches Gehäuse kann ein vollständig aus Kohlenstoff bestehendes Gehäuse, ein Kohlenstoffgehäuse mit einer aus AlN, BN oder W bestehenden Bodenplatte zum Tragen des Werkstücks oder ein Aluminium(oxid)gehäuse mit einer Kohlenstoffabdeckung sein. Die Kohlenstoffgasatmosphäre wird so eingestellt, daß im Sintertemperaturbereich von 1550-2050°C ein Dampfdruck von 1×10^-6 bis 5×10^-2 Pa vorliegt. Das Kohlenstoffgas vermag die Korngrenzenphasen, wie (Seltene Erden-Elemente)-Al-O-, d. h. Dreifachelemente-Verbindungen aus dem Sinterkörper zu beseitigen. Demzufolge besteht dann ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper aus einer AlN-Einzelphase, und er besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit.

Das Innenvolumen der Sinterkammer wird so bestimmt, daß ein Verhältnis (Innenvolumen/Volumen des Sintermaterials) 1×10⁰ bis 1×10⁷ beträgt. Wenn das Innenvolumen diesen Bereich übersteigt, verringert sich der Kohlenstoffdampfdruck nahe der (des) Probe oder Prüflings (sample), und die Korngrenzenphasen-Beseitigungswirkung des Kohlenstoffs wird verschlechtert. Vorzugsweise liegt das Volumenverhältnis im Bereich von 5×10° bis 1×10⁵.

Im folgenden sind eine Verbesserungswirkung bezüglich der Wärmeleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Aluminiumnitrid- Sinterkörpers und die Reinigung des Aluminiumnitrid-Sinterkörpers, die durch die Beseitigung der Korngrenzenphasen, wie der (Seltenen Erden-Elemente)-Al-O-Verbindungen, bewirkt wird, beschrieben. Der genaue Mechanismus der obigen Erscheinung ist derzeit noch nicht voll geklärt. Auf der Grundlage ausgedehnter, erfindungsgemäß durchgeführter Untersuchungen läßt sich der Verbesserungsfaktor bezüglich der Wärmeleitfähigkeit etwa wie folgt definieren.

Nachstehend ist ein Einfang- oder Anlagerungseffekt für Sauerstoffverunreinigungen im AlN-Ausgangspulver durch Zugabe von Seltenen Erden-Elementen beschrieben. Wenn Seltene Erden-Verbindungen als Sinterzuschlag zugesetzt werden, kann die Sauerstoffverunreinigung an der Kante (at the edge) zwischen dem AlN-Korn und am Tripelpunkt in Form von (Seltenen Erden-Elemente)-Al-O-Verbindungen o. dgl. fixiert oder angelagert werden. Damit kann die Einlagerung oder der Einschluß (consolidation) von Sauerstoff im AlN-Gitter verhindert werden, ebenso wie die Entstehung eines Oxinitrids (AlON) von AlN und von Mehrtyp-AlN (27R-Typ). Wie erfindungsgemäße Untersuchungen gezeigt haben, weisen Sinterkörper mit AlON und 27R-Typ geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Wenn daher die Ursache für die Beeinträchtigung der hohen Wärmeleitfähigkeit beseitigt wird, kann ein Sinterkörper einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden.

Wenn Y als Seltene Erden-Element gewählt wird, wird Sauerstoffverunreinigung (oder verunreinigender Sauerstoff) in Form von Verbindungen wie 3Y₂O₃ · 5Al₂O₃, Y₂O₃ · Al₂O₃ und 2Y₂O₃ · Al₂O₃ angelagert. Die Anlagerung (trapping) findet in den ersten drei Stunden des Sintervorgangs statt, wobei die Wärmeleitfähigkeit einen Höchstwert von etwa 150 W/m · K erreichen kann.

Nach Ablauf von drei Stunden nach Sinterbeginn werden die (Seltene Erden-Elemente)-O-Verbindungen (z. B. Y₂O₃) und/oder die (Seltene Erden-Elemente)-Al-O-Verbindungen (z. B. 2Y₂O₃ · Al₂O₃) auf der Oberfläche des Sinterkörpers durch in der reduzierenden Atmosphäre vorhandenen (vorhandenes) gasförmigen Stickstoff, gasförmigen Kohlenstoff und/oder gasförmiges CO reduziert und nitriert und in (Seltene Erden-Elemente)-N-Verbindungen (z. B. YN) und/oder AlN umgewandelt.

Durch die Reduzier/Nitrierreaktion an der Oberfläche des Sinterkörpers tritt ein Konzentrationsgradient oder -gefälle in den (Seltenen Erden-Elemente)-O-Verbindungen und/oder den (Seltenen Erden-Elemente)-Al-O-Verbindungen auf. Der Konzentrationsgradient veranlaßt die AlN ausschließende zweite Phase, sich durch die Grenzflächen zur Oberfläche des Sinterkörpers zu verlagern. Infolgedessen besteht der Sinterkörper nur aus einer AlN-Einzelphase ohne zweite Phasen (oder sekundäre Phasen), wodurch die Wärmeleitfähigkeit beträchtlich erhöht wird. Dies beruht darauf, daß die als thermischer Widerstand wirkenden Korngrenzenphasen beseitigt sind. Während des Sinterns für 4 h oder mehr wächst das AlN-Korn im Sinterkörper. Wenn das AlN-Korn anwächst, verringert sich vergleichsweise die Zahl der als thermischer Widerstand wirkenden Grenzflächen, und der erhaltene Sinterkörper weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit geringerer Phonon-Streuung auf.

Durch zweckmäßige Einstellung anderer Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Aluminiumnitrid- Sinterkörper mit Durchlässigkeit für Strahlung im nahen Ultraviolettbereich realisiert werden.

Ein Aluminiumnitridpulver mit einer Kristallgitterkonstante (498,00-498,20 pm) der c-Achse des hexagonalen Kristallgitters wird als Roh- oder Ausgangspulver verwendet, während als Sinterzuschläge Yttriumverbindungen und Yttriumfluorid eingesetzt werden. Das erhaltene Gemisch wird 4 h lang oder länger bei einer Temperatur von 1850-1950°C in einer Stickstoffatmosphäre gesintert, die gasförmigen Kohlenstoff (in einer Menge) von 1×10^-6 bis 5×10^-4 enthält und einen Stickstoffdruck von 9331-101 308 Pa (70-760 Torr) aufweist. Der dabei erhaltene polykristalline Körper weist im Vergleich zu einem herkömmlichen polykristallinen Aluminiumnitridkörper (Sinterkörper) einen geringen Gehalt an Variantenphasen (variant phases) auf. Der erfindungsgemäße Sinterkörper enthält ein sehr reines und voll dichtes oder verdichtetes Korn und weist eine Durchlässigkeit für einen Wellenlängenbereich im nahen Ultraviolettbereich von 300 nm oder mehr bis zum sichtbaren Bereich von 850 nm auf.

Die für eine hohe Durchlässigkeit des Aluminiumnitrid- Sinterkörpers für Strahlung im nahen Ultraviolettbereich (300-400 nm) erforderlichen Bedingungen sind so festgelegt, daß der Sinterkörper ein polykristalliner Körper aus hexagonalem Aluminiumnitridkristallkorn ist, daß die Kristallgitterkonstante des polykristallinen Körpers längs der c-Achse 497,98-498,20 pm beträgt, daß die Menge der Variantenphasen an den Korngrenzen weniger als 2 Gew.-% beträgt, daß die Porosität 1% oder weniger beträgt, daß der polykristalline Körper eine Dichte von 3,255-3,275 g/cm³ aufweist, daß der Sauerstoffgehalt 0,2 Gew.-% oder weniger beträgt und daß der Gehalt an Übergangsmetallelementen (Mn, Tc, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir und Pt) der Gruppen VIIa und VIIIa des Periodensystems 0,1 Gew.-% oder weniger beträgt.

Der erhaltene Aluminiumnitrid-Sinterkörper weist eine hohe Durchlässigkeit in einem einen nahen Ultraviolettbereich einschließenden Lichtenergiebereich auf, weil die physikalisch- chemische Reinheit des Kristallkorns sehr hoch ist, d. h. der Anteil der Gitterdefekte und der Verunreinigung(en) ist sehr klein, und weil die Kristallgitterkonstante (497,95-498,20 pm) des Hexagonalkristall- Aluminiumnitrids längs der c-Achse derjenigen (498,16 pm) des perfekten AlN-Einkristalls ähnlich ist.

Das oben beschriebene Ergebnis wird mit dem Verfahren erzielt, bei dem ein Ausgangspulver aus Aluminiumnitrid- Kristallkorn mit einer sehr kleinen Menge eingelagerten Sauerstoffs und kationischer Verunreinigung eingesetzt wird, Sauerstoff und die kationische Verunreinigung sich beim Sintern nicht in das Aluminiumnitridkorn einlagern (consolidated) und die kationische Verunreinigung in Form einer festen Lösung an der Außenseite des polykristallinen Körpers beseitigt ist.

Lichtabsorption und Streuung innerhalb des Kristallkorns im polykristallinen Körper sind sehr gering. Ultraviolettabsorption als Folge des eingelagerten oder verfestigten Sauerstoffs im AlN-Kristallkorn und der durch den eingelagerten Sauerstoff hervorgerufenen Gitterdefekte ist im Kristallkorn des polykristallinen Körpers ebenfalls sehr gering. Der Sinterkörper weist daher einen weiten Transparenzbereich von Strahlung im nahen Ultraviolettbereich bis zu Infrarotstrahlung auf. Zudem enthält der Sinterkörper nur einen geringen Anteil an Variantenphase, und seine Porosität ist sehr gering, was eine Erhöhung der Durchlässigkeit begünstigt.

Der beschriebene polykristalline Aluminiumnitridkörper kann nur dann realisiert werden, wenn die verschiedenen, vorstehend beschriebenen Bedingungen erfüllt sind. Insbesondere kann eine hohe Durchlässigkeit für Strahlung im nahen Ultraviolettbereich erzielt werden, wenn die Gitterkonstante des hexagonalen Kristallgitters längs der c-Achse 497,95-498,20 pm, der Sauerstoffgehalt mindestens 0,7 Gew.-% und die Porosität 1% oder weniger betragen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1, 3, 5, 7 und 10 graphische Darstellungen von Röntgenbeugungsbildern des Sinterkörpers,

Fig. 2, 4 und 6 Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von Bruchflächen von Sinterkörpern und

Fig. 8 und 9 graphische Darstellungen der Durchlässigkeitseigenschaften.

Beispiel 1

4 Gew.-%, bezogen auf Yttriumanteil, Y₂O₃ einer mittleren Teilchengröße von 0,9 µm werden als Sinterzuschlag zu einem AlN-Pulver mit 1,0 Gew.-% Sauerstoff als Verunreinigung und einer mittleren Teilchengröße von 0,6 µm zugesetzt und zur Erzeugung eines Ausgangsmaterials mittels einer Kugelmühle damit vermischt. Dem Ausgangsmaterial werden 4 Gew.-% eines organischen Bindemittels zugesetzt, und das entstandene Gemisch wird granuliert und unter einem Druck von 49 000 kPa (500 kg/cm²) zur Herstellung eines Preßlings einer Größe von 38×38×10 mm verpreßt. Das Verpressen kann durch Formpressen, hydrostatisches Pressen oder Bandgießen (tape casting) erfolgen. Der Preßling wird in einer Stickstoffgasatmosphäre zur Beseitigung des Bindemittels auf 700°C erwärmt, wobei ein entfetteter Körper erhalten wird. Letzterer wird in ein Kohlenstoffgehäuse (Sintergehäuse A) mit einer mit einem BN-Pulver beschichteten AlN-Bodenplatte eingebracht. Das Gehäuse A besitzt eine Größe von 12 cm (Durchmesser) ×6,4 cm (Höhe). Das Innenvolumen des Gehäuses beträgt 720 cm³. Das Verhältnis des Innenvolumens des Gehäuses A zum Volumen des AlN-Sinterkörpers beträgt etwa 5×10¹. Das Ausgangsmaterial wird im Sintergehäuse 96 h lang in der Stickstoffgasatmosphäre bei einer Temperatur von 1900°C und Normaldruck gesintert. Sodann werden Dichte und Teilchengröße des erhaltenen AlN-Sinterkörpers gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt. Durch Zurechtschneiden des Sinterkörpers wird eine Scheibe eines Durchmessers von 10 mm und einer Dicke von 3,3 mm als Prüfling hergestellt. Die Wärmeleitfähigkeit des Prüflings wird nach einer Laserblitzmethode gemessen (mittels eines Geräts TC-3000 der Firma Shinku Riko). Die Meßtemperatur beträgt 25°C. Das Meßergebnis ist ebenfalls in Tabelle I angegeben. Der Aluminiumnitrid- Sinterkörper nach Beispiel 1 besitzt eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von mehr als 200 W/m · K.

Der erhaltene Sinterkörper wird auch einer Elementaranalyse unterworfen. Die Analyse auf Yttrium erfolgt nach einer spektroskopischen ICP-Methode (mittels des Geräts PS-1200A der Firma Seiko Denshi Kogyo). Die kationische Verunreinigung wird mittels chemischer Analyse bestimmt. Die Sauerstoff- Verunreinigung wird mittels einer Neutronenaktivierungsanalyse gemessen (mittels des Geräts NAT-200-IC der Firma TOSHIBA). Die Sinterbedingungen und die Eigenschaften des Sinterkörpers sind in Tabelle I zusammengefaßt. Außerdem wird der Sinterkörper einer Röntgenbeugungsanalyse unterworfen (Rotor Flex RU-200 der Firma Rigaku Denki; Goniometer CN2173D5; Cu- Röntgenstrahler, 50 kV und 100 mA). Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt und die entsprechende Rasterelektronenmikroskop- Aufnahme der Sinterkörperbruchfläche ist in Fig. 2 veranschaulicht (aufgenommen mit dem Gerät JSM-T20 der Firma Nihon Denshi).

Der erfindungsgemäße AlN-Sinterkörper besteht ausschließlich aus AlN-Kristallkorn; andere Phasen sind nicht festzustellen. Die Ziffern 1 in Fig. 1 und 4 in Fig. 4 geben einen AlN-Beugungspeak bzw. das AlN-Korn an.

Beispiele 2 bis 6

AlN-Sinterkörper werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1, jedoch mit geänderten Mengenanteilen der Sinterzuschläge hergestellt. Die Eigenschaften der Sinterkörper werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt.

Beispiele 7 und 8

AlN-Sinterkörper werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1, jedoch mit geänderten Anteilen der Sinterzuschläge und geänderten Sintertemperaturen hergestellt. Die Eigenschaften der Sinterkörper werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt.

Beispiele 9 und 10

AlN-Sinterkörper werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1, jedoch mit geänderten Sintertemperaturen hergestellt. Die Eigenschaften der Sinterkörper werden wiederum auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt.

Beispiel 11

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise in Beispiel 1 hergestellt, nur mit dem Unterschied daß die Teilchengröße des AlN-Ausgangspulvers, der Gehalt an Sauerstoff-Verunreinigung und die Sintertemperatur geändert werden. Die Eigenschaften des Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise ermittelt; die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt.

Beispiele 12 und 13

AlN-Sinterkörper werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit Änderung der Anteile der Sinterzuschläge, der Sintertemperaturen und der Sinteratmosphären. Die Eigenschaften der Sinterkörper werden wiederum auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle I aufgeführt.

Beispiel 14

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch unter Änderung des Anteils des Sinterzuschlags, der Sintertemperatur und der Sinterzeit. Die auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 ermittelten Eigenschaften des Sinterkörpers sind in Tabelle I zusammengefaßt.

Beispiele 15 bis 17

AlN-Sinterkörper werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1, jedoch mit geänderten Sinterzeiten hergestellt. Die auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 ermittelten Eigenschaften der Sinterkörper sind in Tabelle I zusammengefaßt.

Beispiel 18

Y₂O₃ (1 Gew.-%, bezogen auf Yttriumanteil) einer mittleren Korngröße von 0,9 µm wird als Sinterzuschlag einem AlN- Pulver mit 1,5 Gew.-% Sauerstoff und einer mittleren Teilchengröße von 1,5 µm zugesetzt. Das Ausformen und Entfetten erfolgt auf dieselbe Weise wie in den vorhergehenden Beispielen. Es wird ein Sintergehäuse A aus demselben Werkstoff wie in Beispiel 1 und mit den Innenabmessungen von 38,5×38,5×10,7 mm benutzt. In diesem Sintergehäuse wird das Ausgangsmaterial 24 h lang bei einer Temperatur von 1800°C in gasförmigem Stickstoff eines Drucks von 980 kPa (10 atm) gesintert. Die Bewertung des erhaltenen Sinterkörpers erfolgt auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1; die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt.

Beispiel 19

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 18 hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß das Sintergehäuse A die Innenabmessungen von 43×44×15 mm aufweist und die Sinterzeit geändert ist. Der erhaltene Sinterkörper wird auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise untersucht; die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt.

Beispiel 20

Die Verfahrensstufen zur Herstellung eines Ausgangsmaterials bis zur Entfettung werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt. Das Ausgangsmaterial wird in einem Sintergehäuse A der Abmessungen 700 mm (Durchmesser)×380 mm 192 h lang in einer Niederdruck-Stickstoffgasatmosphäre (9,8 kPa bzw. 0,1 atm) bei 1900°C gesintert. Die Eigenschaften des erhaltenen Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt.

Beispiel 21

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 20 hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß ein Sintergehäuse A der Abmessungen 15 mm (Durchmesser) ×6 mm verwendet und die Sinterzeit geändert ist. Der erhaltene Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 untersucht; die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt.

Beispiel 22

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1, jedoch unter Verwendung eines Kohlenstoff- Sintergehäuses (Sintergehäuse B) mit einer BN-Bodenplatte, hergestellt. Der erhaltene Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 untersucht; die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengefaßt.

Beispiel 23

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 22 hergestellt, jedoch mit Änderung der Teilchengröße des AlN-Ausgangspulvers und des Gehalts an Sauerstoff-Verunreinigung. Die Eigenschaften des erhaltenen Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 untersucht; die Ergebnisse sind wiederum in Tabelle I zusammengefaßt.

Beispiel 24

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch unter Verwendung eines Kohlenstoff- gehäuses (Sintergehäuse C) mit einer Innenwand aus Kohlenstoff. Die Eigenschaften des hergestellten Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 bewertet; die Ergebnisse sind in Tabelle I angegeben.

Beispiel 25

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 24 hergestellt, jedoch mit Änderung der Teilchengröße des AlN-Ausgangspulvers und des Gehalts an Sauerstoff- Verunreinigung. Die Eigenschaften des so erhaltenen Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 bestimmt; die Ergebnisse erscheinen in Tabelle I.

Beispiel 26

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1, jedoch mit Änderung der Sintertemperatur, der Sinterzeit und der Sinteratmosphäre hergestellt. Die Eigenschaften des erhaltenen Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 bestimmt oder bewertet; die Ergebnisse erscheinen in Tabelle I.

Beispiel 27

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit Änderung der Sinterzeit und Anwendung einer Niederdruck-Sinteratmosphäre (9,8 kPa bzw. 0,1 atm) in Form einer N₂+H₂ (5%)-Atmosphäre. Die Eigenschaften des erhaltenen Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 bestimmt; die Ergebnisse erscheinen in Tabelle I.

Beispiele 28 bis 34

AlN-Sinterkörper werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß bezüglich der zugesetzten Kationen ein Übergang auf verschiedene Seltene Erden- Elemente erfolgt. Die Eigenschaften der erhaltenen Sinterkörper werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 bestimmt; die Ergebnisse sind in Tabelle II zusammengefaßt.

Beispiele 35 bis 142

Verschiedene Bedingungen der Herstellung von AlN-Sinterkörpern werden geändert; die Eigenschaften der Sinterkörper werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 bestimmt; die Ergebnisse erscheinen in Tabelle III.

Beispiel 143

5 Gew.-% (bezogen auf Yttriumanteil) Y₂O₃ einer mittleren Teilchengröße von 0,9 µm und 1 Gew.-% YF₃ werden als Sinterzuschläge einem AlN-Pulver zugesetzt, das eine Gitterkonstante (498,07 pm) des hexagonalen Kristallgitters längs der c-Achse aufweist, 1,0 Gew.-% Sauerstoff als Verunreinigung enthält und eine mittlere Teilchengröße von 1,9 µm besitzt. Die Sinterzuschläge werden mittels einer Kugelmühle mit dem AlN-Pulver zur Zubereitung eines Ausgangsmaterials vermischt. Dem Ausgangsmaterial werden 4 Gew.-% eines organischen Bindemittels zugemischt, und das erhaltene Gemisch wird granuliert. Das granulierte Gemisch wird zur Herstellung eines Preßlings einer Größe von 38×38×10 mm unter einem Druck von 98 000 kPa (1000 kg/cm²) verpreßt. Dieser Preßling wird in einer Stickstoffgasatmosphäre auf 700°C erwärmt, um das Bindemittel auszutreiben (d. h. Entfettung). Der entfettete Körper wird in ein Kohlenstoff-Gehäuse (Sintergehäuse A) mit einer mit einem BN-Pulver beschichteten AlN-Bodenplatte eingebracht. Das Gehäuse A weist die Abmessungen von 12 cm (Durchmesser) ×6,4 cm und ein Innenvolumen von 720 cm³ auf. Das Verhältnis des Innenvolumens des Gehäuses A zum Volumen des AlN-Sinterkörpers beträgt etwa 5×10¹. Das Ausgangsmaterial wird 200 h lang bei 1870°C und Normaldruck in einer Stickstoffgasatmosphäre (93 310 Pa bzw. 700 Torr) gesintert. Dichte und Teilchengröße des erhaltenen polykristallinen AlN-Körpers werden gemessen. Durch Ausschneiden aus dem polykristallinen Körper wird eine Scheibe eines Durchmessers von 10 mm und einer Dicke von 3,0 mm angefertigt und als Prüfling benutzt. Die Wärmeleitfähigkeit des Prüflings wird nach einer Laserblitzmethode gemessen (Gerät TC-3000 der Firma Shinku Riko). Die Meßtemperatur beträgt 25°C.

Die Gitterkonstanten des Aluminiumnitrid-Ausgangsmaterialpulvers und des polykristallinen Aluminiumnitrid-Körpers werden mittels des Geräts Rotor Flex Ru-200 und des Goniometers CN2173D5 (der Firma Rigaku Denki) gemessen, nachdem 10-20 Gew.-% Si-Pulver (NBS SRM 640 Standardprobe) dem Pulver oder dem pulverisierten polykristallinen Körper zugemischt wurden. In diesem Fall wird ein Röntgenstrahler aus Cu mit K _α₁, 50 kV und 150 mA benutzt. Eine Winkelkorrektur wird mittels zweier Si-Beugungspeakwerte im Bereich von 100°<2R<126° und sechs Beugungspeaks des hexagonalen Aluminiumnitrids im Bereich von 100°<2R<126° unter Berechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt. Die Meßtemperatur beträgt 25°C±1°C. Bekanntlich enthalten (Meß-)Werte der berechneten Gitterkonstanten Fehler von ±0,05 pm. Der Sauerstoffgehalt im polykristallinen Körper wird mittels Neutronenaktivierungsanalyse bestimmt (Gerät NAT-200-IC der Firma TOSHIBA). Eine Elementaranalyse des polykristallinen Körpers erfolgt nach einer spektroskopischen Methode (Gerät SPS-1200A der Firma Seiko Denshi Kogyo) und mittels chemischer Naßanalyse. Porosität und Teilchengröße des polykristallinen Körpers werden mittels Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme gemessen (Gerät JSM-T20 der Firma Nihon Denshi); die Durchlässigkeit des polykristallinen Körpers wird wie folgt gemessen bzw. bestimmt: Ein polykristalliner Prüfling (Durchmesser: 20 mm-12 mm) einer Dicke von 0,1-0,5 mm, durch Ausschneiden aus dem oben erwähnten polykristallinen Körper angefertigt, wird zur Messung seiner Durchlässigkeit benutzt, indem er in eine Ulbricht'sche Kugel in einem selbstaufzeichnenden Spektrophotometer des Typs Cary 17 (Fig. 8) eingebracht wird.

Die Dichte des polykristallinen Körpers wird mittels des Auftriebs als scheinbare Dichte anhand einer Gewichtsdifferenz des polykristallinen Körpers in Luft und in destilliertem Wasser bestimmt.

Die Bedingungen für die Herstellung des polykristallinen Körpers sind in Tabelle IV angegeben; seine Eigenschaften erscheinen in Tabelle V.

Die Herstellungsbedingungen und die Eigenschaften der polykristallinen Körper (Beispiele 144 bis 146) sind ebenfalls in Tabellen IV bzw. V zusammengefaßt.

Kontrollbeispiele 1 bis 7

Nach dem Verfahren gemäß Beispiel 143 hergestellte, entfettete AlN-Körper werden in ein Sintergehäuse A oder ein AlN- Gehäuse D eingebracht und bei Normaldruck 2 - 200 h lang bei 1800- 1950°C in einer N₂-Atmosphäre gesintert, wobei polykristalline Sinterkörper erhalten werden. Die Herstellungsbedingungen für diese polykristallinen Körper und ihre Eigenschaften sind in den Tabellen IV bzw. V zusammengefaßt. Das Meßergebnis der Durchlässigkeit des polykristallinen Körpers nach Kontrollbeispiel 1 erscheint in Fig. 9. Da die Gitterkonstante längs der c-Achse des hexagonalen Kristallgitters kleiner ist als 497,85 pm, weist der polykristalline Körper eine geringe Durchlässigkeit auf; seine Wärmeleitfähigkeit beträgt weniger als 195 W/m · K.

Für die Gewinnung eines AlN-Sinterkörpers einer hohen Wärmeleitfähigkeit muß offensichtlich die Gitterkonstante des Aluminiumnitrid-Ausgangsmaterialpulvers 498,00-498,20 pm längs der c-Achse des hexagonalen Kristallgitters betragen; außerdem müssen der YF₃-Sinterzuschlag zugegeben werden und das Sintern in reduzierender Kohlenstoffatmosphäre über eine lange Zeitspanne (4 h oder mehr) hinweg erfolgen.

Vergleichsbeispiele 1 bis 3

Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellte AlN-Sinterkörper werden in Sintergehäuse A, B und C eingesetzt und zur Gewinnung von Sinterkörpern 2 h lang bei 1900°C in einer N₂-Gasatmosphäre gesintert. Die Eigenschaften dieser Sinterkörper sind in Tabelle VI zusammengefaßt. Das Ergebnis einer Röntgenbeugungsanalyse des Sinterkörpers erscheint in Fig. 3. Darin bezeichnet die Ziffer 2 ein Y-Al-O-Verbindungs-Beugungspeak. Eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Schnittfläche des Sinterkörpers ist in Fig. 4 dargestellt. Dabei bezeichnet die Ziffer 4 das AlN-Korn; die Ziffer 5 bezeichnet eine Y-Al-O-Verbindung (Grenzenphase). Gemäß diesen Ergebnissen ist eineYttrium als zweite oder sekundäre Phase (second phase) enthaltende Verbindung zu beobachten; der erhaltene Sinterkörper besteht nicht nur aus Einzelphasen- AlN. Die Wärmeleitfähigkeit des Sinterkörpers beträgt daher 170 W/m · K oder weniger.

Wenn die Sinterzeit kürzer ist als 4 h, ist die Beseitigung der Grenzenphase mittels der Verwendung des Kohlenstoff- Gehäuses unzureichend. Ersichtlicherweise ist somit ein langzeitiger Sintervorgang (4 h oder mehr) erforderlich, um einen AlN-Sinterkörper einer hohen Wärmeleitfähigkeit zu erhalten.

Vergleichsbeispiele 4 bis 6

Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellte entfettete AlN-Körper werden in ein AlN-Gehäuse (Sintergehäuse D) mit einer AlN-Innenwand für Vergleichsbeispiel 4, ein Aluminiumoxidgehäuse (Sintergehäuse E) mit einer Aluminiumoxid- Innenwand für Vergleichsbeispiel 5 bzw. ein Wolframgehäuse (Sintergehäuse F) mit einer Wolfram-Innenwand für Vergleichsbeispiel 6 eingebracht; diese AlN-Körper werden zur Herstellung von Sinterkörpern 96 h lang bei 1900°C in einer N₂-Gasatmosphäre gesintert. Die Eigenschaften dieser Sinterkörper sind in Tabelle VI aufgeführt. Das Ergebnis einer Röntgenbeugungsanalyse des Sinterkörpers nach Vergleichsbeispiel 4 erscheint in Fig. 5; eine Rasterelektronenmikroskop- Aufnahme seiner Bruchfläche ist in Fig. 6 dargestellt. Die Ziffern 2 und 3 bezeichnen dabei Peaks der Y-Al-O- bzw. Al-O-N-Verbindungen. Dabei ist eine Yttrium als zweite Phase enthaltende Verbindung zu beobachten, und der resultierende Sinterkörper besteht nicht nur aus Einzelphasen-AlN. Seine Wärmeleitfähigkeit beträgt 168 W/m · K oder weniger.

Falls keine Sintergehäuse, deren Innenteile zumindest teilweise aus Kohlenstoff bestehen, verwendet werden, läßt sich ein AlN-Sinterkörper einer hohen Wärmeleitfähigkeit nicht herstellen. Es ist mithin wichtig, die Kohlenstoffatmosphäre anzuwenden.

Vergleichsbeispiel 7

Ein AlN-Pulver der in Beispiel 1 verwendeten Art wird unter einem Druck von 49 000 kPa (500 kg/cm²) zu einem Preßling einer Größe von 30×30×10 mm verpreßt. Dieser Preßling wird in ein Kohlenstoff-Gehäuse eingesetzt und zur Gewinnung eines Sinterkörpers einer Heißpreßsinterung für 1 h bei 1900°C und einem Druck von 39 200 kPa (400 kg/cm²) in der Stickstoffgasatmosphäre unterworfen. Die Eigenschaften des Sinterkörpers sind in Tabelle VI aufgeführt. Ein Röntgenbeugungsergebnis dieses Sinterkörpers ist in Tabelle VII aufgeführt. Dabei ist eine Al-O-N-Verbindung 3 als zweite (oder sekundäre) Phase zu beobachten, und der erhaltene Sinterkörper wird nicht als nur aus Einzelphasen-AlN bestehend festgestellt. Die Wärmeleitfähigkeit dieses Sinterkörpers beträgt nur 80 W/m · K.

Wenn keine Seltene Erden-Verbindung zugesetzt ist, reagiert AlN mit der Sauerstoff-Verunreinigung auf der Oberfläche des AlN-Ausgangspulvers unter unerwünschter Bildung der Al-O-N-Verbindung, welche die Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigt. Es ist daher wesentlich, daß dem AlN-Ausgangsmaterial die Seltene Erden-Verbindung zugesetzt wird.

Beispiel 201

4 Gew.-% Y₂O₃ (bezogen auf Yttriumgehalt) einer mittleren Korngröße von 0,9 µm werden als Sinterzuschlag zu einem 1,2 Gew.-% Sauerstoff als Verunreinigung enthaltenden und eine mittlere Teilchengröße von 0,8 µm besitzenden AlN- Pulver zugesetzt und zur Zubereitung eines Ausgangsmaterials in einer Kugelmühle damit vermischt. Dem Ausgangsmaterial werden 4 Gew.-% eines organischen Bindemittels zugemischt, und das so gebildete Gemisch wird granuliert und unter einem Druck von 49 000 kPa (500 kg/cm²) zu einem Preßling der Abmessungen 38×38×10 mm verpreßt. Der Preßling wird in einer Stickstoffgasatmosphäre zum Austreiben des Bindemittels auf 700°C erwärmt, wobei ein entfetteter (oder entgaster) Körper erhalten wird, der in ein Kohlenstoff-Gehäuse (Sintergehäuse A) eingesetzt wird, das eine mit einem BN-Pulver beschichtete AlN-Bodenplatte aufweist. Die Größe des Gehäuses A beträgt 12 cm (Durchmesser) ×6,4 cm. Sein Innenvolumen beträgt 430 cm³. Das Verhältnis des Innenvolumens des Gehäuses A zum Volumen des AlN-Sinterkörpers beträgt etwa 3×10¹. Das Ausgangsmaterial wird im Gehäuse in der Stickstoffgasatmosphäre 24 h lang bei einer Temperatur von 1950°C gesintert. Dichte und Teilchengröße des so erhaltenen AlN-Sinterkörpers werden gemessen; die Ergebnisse sind in Tabelle VII (Teil 1) zusammengefaßt. Aus dem Sinterkörper wird eine als Prüfling dienende Scheibe eines Durchmessers von 10 mm und einer Dicke von 3,3 mm ausgeschnitten. Die Wärmeleitfähigkeit des Prüflings wird nach der Laserblitzmethode gemessen (TC-3000 der Firma Shinku Riko). Die Meßtemperatur beträgt 25°C. Das entsprechende Meßergebnis ist ebenfalls in Tabelle VII (Teil 1) angegeben. Der Aluminiumnitrid-Sinterkörper nach Beispiel 1 bzw. 201 weist eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von mehr als 200 W/m · K auf.

Der hergestellte Sinterkörper wird auch einer Elementaranalyse unterworfen. Der Yttriumgehalt wird nach einer spektroskopischen ICP-Methode bestimmt (Gerät SPS-1200A der Firma Seiko Denki Kogyo). Die kationische Verunreinigung wird mittels chemischer Analyse bestimmt. Die Sauerstoff- Verunreinigung wird mittels Neutronenaktivierungsanalyse bestimmt (mittels eines 160 cm-Cyclotrons der Firma Rikagaku Kenkyu-sho). Die Sinterbedingungen und Eigenschaften des Sinterkörpers sind in Tabelle VII (Teil 1) angegeben. Der Sinterkörper wird auch einer Röntgenbeugungsanalyse unterworfen (Gerät Rotor Flex RU-200 der Firma Rigaku Denki; Goniometer CN2173D5; Cu-Röntgenstrahler von 50 kV und 100 mA). Die Ergebnisse sind in Fig. 10 dargestellt. Als zweite (oder sekundäre) Phase wird eine Y-N- Verbindung (Ziffer 6) festgestellt. Die Ziffer 1 bezeichnet einen AlN-Beugungspeak.

Beispiele 202-205

AlN-Sinterkörper werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 hergestellt, jedoch unter Änderung der jeweiligen Gehalte oder Anteile der Sinterzuschläge. Die Eigenschaften der Sinterkörper werden nach der in Beispiel 201 beschriebenen Methode festgestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle VII (Teil 1) zusammengefaßt.

Beispiel 206

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 hergestellt, jedoch mit Änderung der Teilchengröße des AlN-Ausgangspulvers, des Gehalts an Sauerstoff-Verunreinigung und der Sintertemperatur. Die Eigenschaften des Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle VII (Teil 1) zusammengefaßt.

Beispiele 207 und 208

AlN-Sinterkörper werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201, jedoch mit Änderung der Sintertemperaturen, hergestellt. Die Eigenschaften der Sinterkörper werden auf dieselbe Weise, wie in Beispiel 201 beschrieben, bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle VII (Teil 1) angegeben.

Beispiele 209 bis 211

AlN-Sinterkörper werden wiederum auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201, jedoch mit Änderung der Sinterzeiten, hergestellt. Die Eigenschaften der Sinterkörper werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle VII (Teil 1) angegeben.

Beispiele 212 bis 215

AlN-Sinterkörper werden wiederum auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201, jedoch unter Änderung der Sinteratmosphäre, hergestellt. Die Eigenschaften der Sinterkörper werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 bestimmt, und die Ergebnisse sind in Tabelle VII (Teil 1) angegeben.

Beispiel 216

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 18 hergestellt, jedoch unter Verwendung eines Sintergehäuses A der Innenabmessungen von 38,5×38,5×10,7 mm. Der so hergestellte Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle VII (Teil 1) angegeben.

Beispiel 217

Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 18 wird ein AlN-Sinterkörper hergestellt, jedoch unter Verwendung eines Sintergehäuses A der Innenabmessungen von 700 mm (Durchmesser) ×380 mm und unter Änderung der Sinterzeit. Der erhaltene Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 untersucht. Die Ergebnisse erscheinen in Tabelle VII (Teil 1).

Beispiel 218

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 hergestellt, wobei jedoch der Sinterkörper eine Größe von 15 mm (Durchmesser)×6 mm aufweist und ein Sintergehäuse A der Abmessungen 306 mm (Durchmesser)×380 mm verwendet wird. Der so erhaltene Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 untersucht. Die Ergebnisse sind wiederum in Tabelle VII (Teil 1) zusammengefaßt.

Beispiel 219

Auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise wird ein AlN- Sinterkörper hergestellt, jedoch unter Verwendung eines Kohlenstoff-Sintergehäuses B mit einer BN-Bodenplatte. Der hergestellte Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 untersucht. Die Ergebnisse erscheinen in Tabelle VII (Teil 1).

Beispiel 220

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 hergestellt, jedoch unter Verwendung eines Kohlenstoff- Gehäuses (Sintergehäuse C) mit einer Innenwand aus Kohlenstoff. Die Eigenschaften dieses Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 untersucht. Die Ergebnisse erscheinen in Tabelle VII (Teil 1).

Vergleichsbeispiele 11 bis 13

Auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise hergestellte AlN- Sinterkörper werden in Sintergehäuse A, B und C eingebracht und zur Gewinnung von Sinterkörpern 2 h lang in einer N₂- Gasatmosphäre bei 1950°C und Normaldruck gesintert. Die Eigenschaften dieser Sinterkörper sind in Tabelle VII (Teil 2) angegeben.

Wenn dabei die Sinterzeit kürzer ist als 4 h, ist die Beseitigung der Grenzenphase mittels des Kohlenstoffgehäuses ungenügend. Hieraus ergibt sich, daß ein langfristiger (4 h oder mehr) Sintervorgang erforderlich ist, um einen AlN- Sinterkörper einer hohen Wärmeleitfähigkeit herzustellen.

Vergleichsbeispiele 14 bis 16

Auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise hergestellte, entfettete AlN-Körper werden in ein AlN-Gehäuse (Sintergehäuse D) mit einer AlN-Innenwand (Vergleichsbeispiel 14), ein Aluminiumoxid-Gehäuse (Sintergehäuse E) mit einer Aluminiumoxid-Innenwand (Vergleichsbeispiel 15) bzw. ein Wolfram-Gehäuse (Sintergehäuse F) mit einer Wolfram-Innenwand (Vergleichsbeispiel 16) eingebracht und zur Gewinnung von Sinterkörpern 24 h lang in einer N₂-Gasatmosphäre bei 1950°C und Normaldruck gesintert. Die Eigenschaften dieser Sinterkörper erscheinen in Tabelle VII (Teil 2). Dabei werden Y-Al-O-Verbindungen als zweite Phase festgestellt; Die Wärmeleitfähigkeit des jeweils hergestellten Sinterkörpers beträgt nur 160 W/m · K oder weniger.

Wenn keine Sintergehäuse, deren Innenteile zumindest teilweise aus Kohlenstoff bestehen, verwendet werden, läßt sich ein AlN-Sinterkörper einer hohen Wärmeleitfähigkeit nicht herstellen. Die Anwendung der (reduzierenden) Kohlenstoffatmosphäre ist daher von großer Bedeutung.

Vergleichsbeispiel 17

Ein AlN-Pulver der in Beispiel 1 verwendeten Art wird einer Preßformung unter einem Druck von 49 000 kPa (500 kg/cm²) zur Gewinnung eines Preßlings einer Größe von 30×30×10 mm unterworfen. Dieser Preßling wird in ein Kohlenstoff-Gehäuse eingesetzt und 1 h lang in einer Stickstoffgasatmosphäre bei 1900°C und einem Druck von 39 200 kPa (400 kg/cm²) einer Heißpreßsinterung unterworfen, wobei ein Sinterkörper erhalten wird. Dessen Eignschaften sind in Tabelle VII (Teil 2) angegeben. Dabei wird eine Al-O-N- Verbindung als zweite Phase festgestellt; die Wärmeleitfähigkeit des Sinterkörpers beträgt nur 77 W/m · K.

Wenn keine Verbindung Seltener Erden zugesetzt ist, reagiert das AlN mit der Sauerstoff-Verunreinigung auf der Oberfläche des AlN-Ausgangspulvers, wobei in unerwünschter Weise die Al-O-N-Verbindung entsteht, welche die Wärmeleitfähigkeit verschlechtert. Es ist daher wichtig, die Verbindung Seltener Erden dem AlN-Ausgangsmaterial zuzusetzen.

Beispiel 221

Es wird ein AlN-Sinterkörper auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß das Kation eines Sinterzuschlags durch Sc ersetzt und Sc₂O₃ einer mittleren Teilchengröße von 0,9 µm zugesetzt wird. Die Eigenschaften des so hergestellten Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 bestimmt bzw. untersucht. Die Ergebnisse finden sich in Tabelle VII (Teil 3). Die Meßergebnisse der folgenden Beispiele sind ebenfalls in Tabelle VII (Teil 3) zusammengefaßt.

Beispiel 222

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 221 hergestellt, jedoch unter Änderung des Gehalts an Sinterzuschlag. Die Eigenschaften des so hergestellten Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 bestimmt.

Beispiel 223

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 221 hergestellt, jedoch unter Änderung von Sinterzeit und -temperatur. Die Eigenschaften des so erhaltenen Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise bestimmt.

Beispiel 224

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 hergestellt, wobei jedoch das Kation eines Sinterzuschlags durch Ce ersetzt und CeO₂ einer mittleren Korngröße von 1,0 µm zugesetzt wird. Die Eigenschaften des so erhaltenen Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 bestimmt.

Beispiel 225

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 224 hergestellt, wobei jedoch der Gehalt oder Anteil an Sinterzuschlag geändert wird. Die Eigenschaften dieses Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise bestimmt.

Beispiel 226

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 224, jedoch unter Änderung der Sinterzeit und -temperatur, hergestellt. Die Eigenschaften des so erhaltenen Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise bestimmt.

Beispiel 227

Ein AlN-Sinterkörper wird auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß das Kation des Sinterzuschlags durch Dy ersetzt und Dy₂O₃ einer mittleren Teilchengröße von 1,0 µm zugesetzt wird. Die Eigenschaften des so erhaltenen Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 bestimmt.

Beispiel 228

Ein AlN-Sinterkörper wird auf die in Beispiel 227 beschriebene Weise, jedoch unter Änderung des Gehalts oder Anteils an Sinterzuschlag, hergestellt. Die Eigenschaften des so hergestellten Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise bestimmt.

Beispiel 229

Ein AlN-Sinterkörper wird auf die in Beispiel 227 beschriebene Weise, jedoch unter Änderung der Sinterzeit und -temperatur, hergestellt. Die Eigenschaften des erhaltenen Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise bestimmt.

Beispiel 230

Auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise wird ein AlN- Sinterkörper hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß die Kationen der Sinterzuschläge aus Y und Sc bestehen und 4 Gew.-% Y₂O₃ und Sc₂O₃ in einem Elementgewichtsverhältnis von Y : Sc=1 : 1 zugesetzt werden. Die Eigenschaften des so erhaltenen Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise bestimmt.

Beispiel 231

Ein AlN-Sinterkörper wird auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß für die Sinterzuschläge die Kationen Y und Ce verwendet und 4 Gew.-% Y₂O₃ sowie CeO₂ in einem Elementgewichtsverhältnis von Y : Ce=1 : 1 zugesetzt werden. Die Eigenschaften des so erhaltenen Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise bestimmt.

Beispiel 232

Ein AlN-Sinterkörper wird nach denselben Maßnahmen wie in Beispiel 201 hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß für die Sinterzuschläge die Kationen Y und Dy verwendet und 4 Gew.-% Y₂O₃ sowie Dy₂O₃ in einem Elementgewichtsverhältnis von Y : Ce=1 : 1 zugesetzt werden. Die Eigenschaften des so erhaltenen Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 201 bestimmt.

Vergleichsbeispiel 18

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 221, jedoch unter Verwendung eines Sintergehäuses D, hergestellt. Die Eigenschaften des so erhaltenen Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise untersucht bzw. bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle VII (Teil 4) zusammengefaßt. Die Meßergebnisse für die folgenden Beispiele oder Prüflinge sind ebenfalls in Tabelle VII (Teil 4) angegeben.

Vergleichsbeispiel 19

Ein AlN-Sinterkörper wird auf die in Beispiel 224 beschriebene Weise, jedoch unter Verwendung des Sintergehäuses D, hergestellt. Die Eigenschaften dieses Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise bestimmt.

Vergleichsbeispiel 20

Entsprechend den Maßnahmen nach Beispiel 227, jedoch unter Verwendung des Sintergehäuses D, wird ein AlN-Sinterkörper hergestellt, dessen Eigenschaften auf die in Beispiel 201 beschriebene Weise bestimmt werden.

Vergleichsbeispiel 21

Nach den Maßnahmen gemäß Beispiel 227, jedoch unter Verwendung des Sintergehäuses D, wird ein AlN-Sinterkörper hergestellt. Wenn in Vergleichsbeispielen 18 bis 21 nicht mindestens ein Innenteil des Sintergehäuses aus Kohlenstoff besteht, läßt sich ein AlN-Sinterkörper einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 180 W/m · K nicht gewinnen. Hieraus folgt, daß die Anwendung einer (reduzierenden) Kohlenstoffatmosphäre wesentlich ist.

Beispiel 301

4 Gew.-% Y₂O₃ (bezogen auf Yttriumanteil) einer mittleren Teilchengröße von 0,9 µm werden als Sinterzuschlag einem 1,0 Gew.-% Sauerstoff als Verunreinigung enthaltenden und eine mittlere Teilchengröße von 0,6 µm besitzende AlN-Pulver zugegeben und in einer Kugelmühle damit vermischt, wobei ein Ausgangsmaterial erhalten wird. Dem Ausgangsmaterial werden 4 Gew.-% eines organischen Bindemittels zugesetzt, und das erhaltene Gemisch wird granuliert und unter einem Druck von 49 000 kPa (500 kg/cm²) verpreßt, wobei ein Preßling einer Größe von 38×38×10 mm erhalten wird. Der Preßling wird einer Argongasatmosphäre zum Austreiben des Bindemittels auf 700°C erwärmt, wobei ein entfetteter (oder entgaster) Körper erhalten wird. Letzterer wird in ein Kohlenstoffgehäuse (Sintergehäuse A) mit einer mit einem BN-Pulver beschichteten AlN-Bodenplatte eingebracht. Das Gehäuse A besitzt die Abmessungen von 10 cm (Durchmesser) ×3,7 cm und ein Innenvolumen von 290 cm³. Das Verhältnis des Innenvolumens des Gehäuses A zum Volumen des AlN-Sinterkörpers beträgt etwa 2×10¹. Das Ausgangsmaterial wird im Gehäuse in der Stickstoffgasatmosphäre 24 h lang bei einer Temperatur von 1950°C und Normaldruck gesintert. Sodann werden Dichte und Teilchengröße des erhaltenen AlN-Sinterkörpers gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle VIII (Teil 1) angegeben. Eine als Prüfling dienende Scheibe eines Durchmessers von 10 mm und einer Dicke von 3,3 mm wird aus dem Sinterkörper ausgeschnitten. Die Wärmeleitfähigkeit des Prüflings wird bei einer Meßtemperatur von 25°C nach einer Laserblitzmethode gemessen (Gerät TC-3000 der Firma Shinku Riko). Das entsprechende Meßergebnis ist ebenfalls in Tabelle VIII (Teil 1) angegeben. Der Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß Beispiel 301 besitzt eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von mehr als 200 W/m · K.

Der so hergestellte Sinterkörper wird auch einer Elementaranalyse unterworfen. Die Analyse auf Yttrium erfolgt nach einer spektroskopischen ICP-Methode (mittels des Geräts SPS-1200A der Firma Seiko Denshi Kogyo). Die kationische Verunreinigung wird durch chemische Analyse bestimmt. Die Sauerstoff-Verunreinigung wird mittels Neutronenaktivierungsanalyse gemessen (Gerät NAT-200-IC der Firma TOSHIBA). Die Sinterbedingungen und die Eigenschaften des Sinterkörpers sind in Tabelle VIII (Teil 1) angegeben. Der Sinterkörper wird außerdem einer Röntgenbeugungsanalyse unterworfen (mittels des Geräts Rotor Flex RU-200 der Firma Rigaku Denki; Goniometer CN2173D5; Cu-Röntgenstrahler von 50 kV und 100 mA). Dabei wird das Vorhandensein einer YC₂-Verbindung bestätigt.

Beispiel 302

Entsprechend den Maßnahmen von Beispiel 301 wird ein AlN- Sinterkörper, jedoch unter Verwendung von 7 Gew.-% des Sinterzuschlags, hergestellt. Die Eigenschaften dieses Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 301 beschriebene Weise bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle VIII (Teil 1) angegeben. Die Meßergebnisse der folgenden Beispiele sind ebenfalls in Tabelle VIII (Teil 1) zusammengefaßt.

Beispiel 303

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 301 beschrieben, hergestellt, wobei jedoch die Sintertemperatur auf 1750°C geändert wird. Die Eigenschaften des Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 301 beschriebene Weise bestimmt.

Beispiel 304

Auf die in Beispiel 301 beschriebene Weise, jedoch unter Änderung der Sintertemperatur und der Sinteratmosphäre, wird ein AlN-Sinterkörper hergestellt. Dessen Eigenschaften werden auf dieselbe Weise, wie in Beispiel 301 beschrieben, bestimmt.

Beispiel 305

Nach den in Beispiel 301 beschriebenen Maßnahmen wird ein AlN-Sinterkörper hergestellt, wobei jedoch Sinterzeit und -atmosphäre geändert werden. Die Eigenschaften dieses Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 301 bestimmt.

Beispiel 306

Auf die in Beispiel 301 beschriebene Weise wird ein AlN- Sinterkörper hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß ein mit einem Kohlenstoffpulver gefülltes Kohlenstoff-Gehäuse (Sintergehäuse G) verwendet wird. Die Eigenschaften dieses Sinterkörpers werden auf dieselbe Weise wie in Beispiel 301 bestimmt.

Beispiel 307

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 301 hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß ein Sintergehäuse C mit einer Kohlenstoff-Innenwand verwendet wird. Die Untersuchung dieses Sinterkörpers erfolgt nach den in Beispiel 301 angegebenen Maßnahmen.

Beispiel 308

Es wird ein AlN-Sinterkörper auf die in Beispiel 301 beschriebene Weise hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß anstelle von Y₂O₃ als Sinterzuschlag CeO₂ verwendet wird. Die Eigenschaften des so erhaltenen Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 301 beschriebene Weise bestimmt.

Beispiel 309

Auf die in Beispiel 301 beschriebene Weise wird ein AlN- Sinterkörper hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß La₂O₃ anstelle von Y₂O₃ als Sinterzuschlag verwendet wird. Die Eigenschaften des so hergestellten Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 301 beschriebene Weise bestimmt.

Vergleichsbeispiel 31

Nach denselben Maßnahmen, wie in Beispiel 301 beschrieben, wird ein AlN-Sinterkörper hergestellt, nur mit dem Unterschied, daß ein Sintergehäuse mit einer AlN-Innenwand (Sintergehäuse D) verwendet wird. Die Eigenschaften des so hergestellten Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 301 beschriebene Weise bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle VIII (Teil 2) angegeben. Die im folgenden Vergleichsbeispiel erhaltenen Meßergebnisse sind ebenfalls in Tabelle VIII (Teil 2) angegeben.

Vergleichsbeispiel 32

Ein AlN-Sinterkörper wird auf dieselbe Weise wie in Beispiel 301 hergestellt, jedoch unter Verwendung eines Sintergehäuses mit einer W-Innenwand (Sintergehäuse F). Die Eigenschaften des so hergestellten Sinterkörpers werden auf die in Beispiel 301 beschriebene Weise bestimmt.

Beispiel 401

4 Gew.-% Y₂O₃ (bezogen auf Yttriumanteil) einer mittleren Teilchengröße von 0,9 µm werden als Sinterzuschlag einem 1,0 Gew.-% Sauerstoff als Verunreinigung enthaltenden und eine mittlere Teilchengröße von 0,6 µm aufweisenden AlN- Pulver zugesetzt und in einer Kugelmühle damit vermischt, um ein Ausgangsmaterial herzustellen. Dem Ausgangsmaterial werden 4 Gew.-% eines organischen Bindemittels zugesetzt, worauf das so gebildete Gemisch granuliert und unter einem Druck von 49 000 kPa (500 kg/cm²) zu einem Preßling einer Größe von 38×38×10 mm verpreßt wird. Der Preßling wird zum Austreiben des Bindemittels in einer Stickstoffgasatmosphäre auf 700°C erwärmt, wobei ein entfetteter (degreased) Körper erhalten wird. Letzterer wird in ein Kohlenstoff-Gehäuse (Sintergehäuse A) mit einer mit einem BN-Pulver beschichteten AlN-Bodenplatte eingesetzt. Das Gehäuse A weist die Abmessungen von 10 cm (Durchmesser) ×3,7 cm und ein Innenvolumen von 290 cm³ auf. Das Verhältnis des Innenvolumens des Gehäuses A zum Volumen des AlN- Sinterkörpers beträgt etwa 2×10¹. Das Ausgangsmaterial wird in diesem Gehäuse 24 h lang in der Stickstoffgasatmosphäre bei einer Temperatur von 1950°C und Normaldruck gesintert. Sodann werden Dichte und Teilchengröße des so hergestellten AlN-Sinterkörpers gemessen bzw. bestimmt. Die Ergebnisse finden sich in Tabelle IX (Teil 1). Als Prüfling wird eine Scheibe eines Durchmessers von 10 mm und einer Dicke von 3,3 mm aus dem Sinterkörper ausgeschnitten. Die Wärmeleitfähigkeit des Prüflings wird nach einer Laserblitzmethode gemessen (Gerät TC-3000 der Firma Shinku Riko). Die Meßtemperatur beträgt 25°C. Das entsprechende Meßergebnis ist ebenfalls in Tabelle IX (Teil 1) angegeben. Der Aluminiumnitrid-Sinterkörper nach Beispiel 401 besitzt eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von über 200 W/m · K.

Der so hergestellte Sinterkörper wird auch einer Elementaranalyse unterworfen. Die Analyse auf Yttrium erfolgt nach einer spektroskopischen ICP-Methode (Gerät SPS-1200A der Firma Seiko Denshi Kogyo). Die kationische Verunreinigung wird durch chemische Analyse bestimmt. Die Messung der Sauerstoffverunreinigung erfolgt durch Neutronenaktivierungsanalyse (Gerät NAT-200-IC der Firma TOSHIBA). Die Sinterbedingungen und die Eigenschaften des Sinterkörpers sind in Tabelle IX (Teil 1) zusammengefaßt. Außerdem wird der Sinterkörper einer Röntgenbeugungsanalyse unterworfen (mittels Rotor Flex RU-200 der Firma Rigaku Denki; Goniometer CN2173D5; Cu-Strahler von 50 kV und 100 mA). Dabei wird das Vorhandensein einer Y₃AlC_0,5-Verbindung bestätigt.

Beispiel 402

Auf die in Beispiel 401 beschriebene Weise, jedoch unter Verwendung von 7 Gew.-% des Sinterzuschlags, wird ein AlN- Sinterkörper hergestellt, dessen Eigenschaften auf dieselbe Weise wie in Beispiel 401 bestimmt werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle IX (Teil 1) angegeben. Die Ergebnisse für die folgenden Beispiele finden sich ebenfalls in Tabelle IX (Teil 1).

Beispiel 403

Auf dieselbe Weise wie in Beispiel 401, nur mit einer Änderung der Sintertemperatur auf 1850°C, wird ein AlN-Sinterkörper hergestellt, dessen Eigenschaften nach den in Beispiel 401 angegebenen Maßnahmen bestimmt werden.

Beispiel 404

Auf die in Beispiel 401 beschriebene Weise, jedoch mit Änderung von Sintertemperatur und Sinteratmosphäre, wird ein AlN-Sinterkörper hergestellt, dessen Eigenschaften auf die in Beispiel 401 angegebene Weise bestimmt werden.

Beispiel 405

Entsprechend den Maßnahmen von Beispiel 401, jedoch mit Änderung von Sinterzeit und -atmosphäre, wird ein AlN- Sinterkörper hergestellt, dessen Eigenschaften auf die in Beispiel 401 angegebene Weise bestimmt werden.

Beispiel 406

Entsprechend den Maßnahmen von Beispiel 401, jedoch unter Verwendung eines Kohlenstoff-Gehäuses (Sintergehäuse D) mit einer BN-Bodenplatte, wird ein AlN-Sinterkörper hergestellt, dessen Eigenschaften auf die in Beispiel 401 angegebene Weise bestimmt werden.

Beispiel 407

Entsprechend den Maßnahmen nach Beispiel 401, jedoch unter Verwendung eines Kohlenstoff-Gehäuses (Sintergehäuse C) mit einer Kohlenstoff-Innenwand, wird ein AlN-Sinterkörper hergestellt, dessen Eigenschaften auf die in Beispiel 401 angegebene Weise bestimmt werden.

Beispiel 408

Auf die in Beispiel 401 beschriebene Weise, jedoch unter Verwendung von Sm₂O₃ als Sinterzuschlag anstelle von Y₂O₃, wird ein AlN-Sinterkörper hergestellt, dessen Eigenschaften wiederum entsprechend den Maßnahmen nach Beispiel 401 bestimmt werden.

Beispiel 409

Auf die in Beispiel 401 beschriebene Weise, jedoch unter Verwendung von La₂O₃ als Sinterzuschlag anstelle von Y₂O₃, wird ein AlN-Sinterkörper hergestellt, dessen Eigenschaften wiederum auf die in Beispiel 401 angegebene Weise bestimmt werden.

Vergleichsbeispiel 41

Auf dieselbe Weise, wie in Beispiel 401 beschrieben, nur mit dem Unterschied, daß ein Sintergehäuse mit einer AlN- Innenwand (Sintergehäuse D) verwendet wird, wird ein AlN- Sinterkörper hergestellt, dessen Eigenschaften auf die in Beispiel 401 angegebene Weise bestimmt werden. Die Ergebnisse sind in Tabelle IX (Teil 2) zusammengefaßt. Die Ergebnisse für das folgende Vergleichsbeispiel erscheinen ebenfalls in Tabelle IX (Teil 2).

Vergleichsbeispiel 42

Entsprechend den Maßnahmen von Beispiel 401, jedoch unter Verwendung eines Sintergehäuses mit einer W-Innenwand (Sintergehäuse F), wird ein AlN-Sinterkörper hergestellt, dessen Eigenschaften auf dieselbe Weise wie in Beispiel 401 bestimmt werden.

Tabelle I

Fortsetzung Tabelle I

Tabelle II

Fortsetzung Tabelle II

Tabelle III (Teil 1)

Fortsetzung Tabelle III (Teil 1)

Tabelle III (Teil 2)

Fortsetzung Tabelle III (Teil 2)

Tabelle III (Teil 3)

Fortsetzung Tabelle III (Teil 3)

Tabelle III (Teil 4)

Fortsetzung Tabelle III (Teil 4)

Tabelle III (Teil 5)

Fortsetzung Tabelle III (Teil 5)

Tabelle III (Teil 6)

Fortsetzung Tabelle III (Teil 6)

Tabelle III (Teil 7)

Fortsetzung Tabelle III (Teil 7)

Tabelle IV

Fortsetzung Tabelle IV

Tabelle V

Fortsetzung Tabelle V

Tabelle VI

Fortsetzung Tabelle VI

Tabelle VII (Teil 1)

Fortsetzung Tabelle VII (Teil 1)

Tabelle VII (Teil 2)

Fortsetzung Tabelle VII (Teil 2)

Tabelle VII (Teil 3)

Fortsetzung Tabelle VII (Teil 3)

Tabelle VII (Teil 4)

Fortsetzung Tabelle VII (Teil 4)

Tabelle VIII (Teil 1)

Fortsetzung Tabelle VIII (Teil 1)

Tabelle VIII (Teil 2)

Fortsetzung Tabelle VIII (Teil 2)

Tabelle IX (Teil 1)

Fortsetzung Tabelle IX (Teil 1)

Tabelle IX (Teil 2)

Fortsetzung Tabelle IX (Teil 2)

Claims

1. Aluminiumnitrid-Sinterkörper, bestehend im wesentlichen aus einer AlN-Einzelphase mit 0,01-8000 ppm (Teile pro Million Teile) Seltener Erden-Elemente und weniger als 2000 ppm Sauerstoff.

2. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Seltenen Erden-Elementen 0,01-3000 ppm beträgt.

3. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Seltenen Erden-Elementen 10-3000 ppm beträgt.

4. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltene Erden-Element mindestens ein Element aus der Gruppe, bestehend aus Y, Ce, Sc und Dy, ist.

5. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltene Erden-Element Y ist.

6. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Dichte von 3,120-3,285 g/cm³ aufweist.

7. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Dichte von 3,259-3,264 g/cm³ aufweist.

8. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus AlN-Korn einer mittleren Teilchengröße von nicht unter 7 µm besteht.

9. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus AlN-Korn einer mittleren Teilchengröße von nicht unter 10 µm besteht.

10. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Verunreinigungen, ausschließlich des Seltene Erden-Elements, höchstens 1000 ppm beträgt.

11. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 200 W/m · K (25°C) aufweist.

12. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Porosität von höchstens 1%, eine Gitterkonstante von 497,95-498,20 pm längs einer c-Achse eines Aluminiumnitrid-Hexagonalgitters und eine Dichte von 3,255-3,275 g/cm³ aufweist.

13. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen scheinbaren Absorptionskoeffizienten von höchstens 50 cm^-1 bei einer Wellenlänge von 500 nm und höchstens 70 cm^-1 bei einer Wellenlänge von 330 nm aufweist.

14. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine scheinbare Absorption (absorbance) von höchstens 20 cm^-1 bei einer Wellenlänge von 500 nm und höchstens 50 cm^-1 bei einer Wellenlänge von 330 nm aufweist.

15. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine (Seltene Erden-Element)-N-Verbindung als zweite (oder sekundäre) (second) Phase enthält.

16. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine (Seltene Erden-Element)-C-Verbindung als zweite Phase enthält.

17. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine (Seltene Erden-Element)-Al-C-Verbindung und/oder eine (Seltene Erden-Element)-O-Verbindung als zweite Phase enthält.

18. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine (Seltene Erden-Element)-Al-O-Verbindung als zweite Phase enthält.

19. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid-Sinterkörpers, bestehend im wesentlichen aus AlN-Einzelphase mit 0,01-8000 ppm Seltener-Erden-Elemente und weniger als 2000 ppm Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formkörper, hergestellt durch Mischen und Ausformen eines Aluminiumnitridpulvers mit weniger als 7 Gew.-% Sauerstoff und einer mittleren Teilchengröße von 0,05-5 µm und mit 0,01-15 Gew.-% an Verbindungen Seltener Erden, bezogen auf den Gehalt an Seltenen Erden-Elementen, oder ein AlN-Sinterkörper mit Oxidkorngrenzenphasen (oxide grain boundary phases) von 0,01-15 Gew.-% Seltener Erden- Elemente und 0,01-20 Gew.-% Sauerstoff sowie (Seltenen Erden-Element)-Al-O-Verbindungsphasen und/oder (Seltenen Erden-Element)-O-Verbindungsphasen 4 h lang oder länger in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 1550-2050°C gebrannt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die reduzierende Atmosphäre Stickstoff und mindestens ein Element aus der Gruppe, bestehend aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlenstoffgas und Festzustand-Kohlenstoff, enthält.

21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sintergehäuse ein Material enthält, das (beim Sintern) gasförmigen Kohlenstoff erzeugt, oder das Gehäusematerial selbst beim Sintern gasförmigen Kohlenstoff erzeugt.

22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltene Erden-Element mindestens ein Element aus der Gruppe, bestehend aus Y, Ce, Sc und Dy, ist.

23. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Seltene Erden-Element Y ist.

24. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sintergehäuse aus Kohlenstoff geformt ist oder ein Kohlenstoffgehäuse mit einer Aluminiumnitrid-, BN- oder Wolfram-Bodenplatte zum Tragen des Form- oder Sinterkörpers ist.

25. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis eines Innenvolumens eines Sintergehäuses zu einem Volumen des Form- oder Sinterkörpers 1×10⁰ bis 1×10⁷ beträgt.