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Die vorliegende Erfindung betrifft
Aluminiumnitridpulver mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit, ein Verfahren
zu dessen Herstellung und eine Aluminiumnitrid-Formmasse mit
einem Gehalt an diesem Pulver.
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In letzter Zeit ist mit zunehmender Dichte von
integrierten Schaltungen und dgl. ein schwerwiegendes Problem
insofern entstanden, als von den Substratmaterialien die
darin erzeugte Wärme rasch abgeführt werden muß.
Herkömmliche Substratmaterialien, die vorwiegend aus Aluminiumoxid
bestehen, sind nicht geeignet, das Problem einer derartigen
Wärmeabführung in zufriedenstellender Weise zu lösen.
Demgemäß hat man Aluminiumnitrid, das eine höhere
Wärmeleitfähigkeit als Aluminiumoxid aufweist, als Substratmaterial zum
Ersatz von Aluminiumoxid vorrangig in Erwägung gezogen und
eingehend untersucht.
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Das pulverförmige Rohmaterial zur Herstellung des
Aluminiumnitrid-Substrats wird derzeit gemäß zwei Verfahren
hergestellt.
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Bei einem Verfahren handelt es sich um ein direktes
Nitrierungsverfahren, bei dem Aluminiummetallpulver direkt
mit Stickstoff unter Bildung von Aluminiumnitrid umgesetzt
wird. Beim anderen Verfahren handelt es sich um ein
reduktives Nitrierungsverfahren, bei dem pulverförmiges
Aluminiumoxid vermischt und dieses Gemisch in einer
stickstoffhaltigen Atmosphäre zur Umsetzung gebracht wird.
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Das direkte Nitrierungsverfahren ist insofern
nachteilig, als die Verwendung von relativ grobem
Aluminiummetallpulver bei diesem Verfahren eine Pulverisierungsstufe
erforderlich inacht, um das nitridierte Produkt nach der
Nitrierung zu pulverisieren. Dabei besteht die Gefahr, daß aus
der Pulverisiervorrichtung Verunreinigungen eingeschleppt
werden. Außerdem wird die Oberfläche der Kristallstruktur
unter Verringerung der Stabilität gegenüber Sauerstoff
verformt. Somit lassen sich bei Verwendung des nach diesem
Verfahren hergestellten Aluminiumnitridpulvers keine
physikalisch zufriedenstellenden Sinterpreßkörper erhalten.
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Demgegenüber erfordert das reduktive
Nitrierungsverfahren keine Langzeitpulverisierung unter drastischen
Bedingungen, da als Ausgangsmaterial ausreichend feines
Aluminiumoxidpulver verwendet werden kann, so daß in einfacher
Weise Produkte erhältlich sind, die einen geringeren
Verunreinigungsgrad und auch ansonsten zufriedenstellende
Eigenschaften aufweisen. Somit wird dieses Verfahren in der
Praxis großtechnisch eingesetzt.
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Was die reduktive Nitrierung betrifft, wurden zum
Zweck der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von
Aluminiumnitridpulver und zur Verbesserung der Sintereigenschaften
bei der Verwendung für Sinterpreßkörper in letzter Zeit
folgende Verfahren beschrieben: Ein Verfahren, bei dem
mindestens eines der Metalle als Sinterhilfsstoff aus der Gruppe
Erdalkalimetalle, Lanthanidenmetalle und Yttrium ausgewählt
wird, und deren Verbindungen mit Aluminiumoxidpulver und
Kohlenstoffpulver in einem flüssigen Dispergiermedium
vermischt werden. Dieses Gemisch wird in einer
Stickstoffatmosphäre gesintert (vgl. z.B. JP-A-Sho-60-65768) (der Ausdruck
"JP-A" bedeutet eine "Veröffentlichung einer ungeprüften
japanischen Patentanmeldung"); ein Verfahren, bei dem
mindestens ein Seltenes Erdmetallelement als Sinterhilfsstoff in
festen pulverförmigen Aluminiumoxidteilchen gelöst oder
gleichmäßig in ultrafeinen Teilchen dispergiert wird, wonach
das erhaltene Gemisch mit pulverförmigem Kohlenstoff
vermischt und in einer Stickstoffatmosphäre gesintert wird
(vgl. z.B. JP-A-Sho-62-265106); und ein Verfahren, bei dem
die Oberfläche von Aluminiumnitridpulver mit einer
organischen Verbindung von Erdalkalimetallen, Seltenen Erdmetallen
oder dgl. oder einer Lösung einer anorganischen Verbindung
überzogen und anschließend einer Wärmebehandlung unterworfen
wird (vgl. z.B. JP-A Sho-62-187172, JP-A-Sho-62-248666 und
dgl.).
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Bei allen diesen Verfahren ist jedoch die
Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des erhaltenen Sinterpreßkörpers
noch nicht zufriedenstellend, was vermutlich darauf
zurückzuführen ist, daß die Wirkung des Sinterhilfsstoffs beim
Sintern nicht ausreichend ist.
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Eine auf diese Weise hergestellte Formmasse mit einem
Gehalt an Aluminiumnitridpulver und einem organischen
Bindemittel wird ebenfalls beschrieben (vgl. JP-A-Sho-60-171270).
Die Masse ist insofern nachteilig, als sie nicht ohne
weiteres zu einem Sinterpreßkörper mit einem geringen
Schrumpfungsgrad und verringerter Anisotropie (Variation der
Sinterdichte) verarbeitet werden kann, obgleich die Masse durch
ein Preßverfahren, ein Extrusionsverfahren oder insbesondere
ein Rakelverfahren zu Substraten, beispielsweise zu
Substraten für eine mehrschichtige Verpackung und dgl., verformt
werden kann.
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Angesichts dieser Situation haben die Erfinder der
vorliegenden Anmeldung eingehende Untersuchungen mit dem
Ziel durchgeführt, Formmassen mit einem Gehalt an
Aluminiumnitridpulver bereitzustellen, die zu
Aluminiumnitrid-Preßkörpern mit einem geringen Schrumpfungsgrad und einer
geringen Anisotropie verarbeitet werden können, wobei die
Preßkörper eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aufweisen, ohne
daß die Sinterdichte im Vergleich zu den Produkten des
Stands der Technik verringert ist. Auf der Grundlage dieser
Untersuchungen wurde die vorliegende Erfindung gemacht.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur
Herstellung von Aluminiumnitridpulver, das auf der
Oberfläche der Primärteilchen von agglomerierten Teilchen mit
mindestens einem Oxid, Oxynitrid oder Nitrid von Yttrium in
einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, angegeben als Metall,
beschichtet ist, bereit, wobei das verfahren dadurch
gekennzeichnet ist, daß Aluminiumoxid, das einen
durchschnittlichen Teilchendurchmesser der Primärteilchen von nicht mehr
als 5 um aufweist und mit Yttrium oder einer
Yttriumverbindung in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, angegeben als
Metall, bezogen auf das durch Nitrieren gebildete
Aluminiumnitrid, beschichtet ist, mit Kohlenstoff, der einen
Aschegehalt von 0,5 % oder weniger und einen durchschnittlichen
Durchmesser der Sekundärteilchen von nicht mehr als 5 um
aufweist, vermischt wird, und das Gemisch in einer
Atmosphäre von Stickstoff oder Ammoniak bei einer Temperatur von
1400 bis 1700ºC calciniert wird.
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Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine
Aluminiumnitrid-Zusammensetzung bereit, die 0,1 bis 30 Gew.-Teile
eines Bindemittels, das aus einer organischen
Polymerverbindung, die bei einer Temperatur von 1400ºC oder darunter
zersetzbar ist, besteht, im Gemisch mit 100 Gew.-Teilen
Aluminiumnitridpulver enthält, wobei das Aluminiumnitridpulver
auf der Oberfläche der Primärteilchen von agglomerierten
Teilchen mit mindestens einem Oxid, Oxynitrid oder Nitrid
von Yttrium in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, angegeben
als Metall, beschichtet ist, und wobei das
Aluminiumnitridpulver durch ein Verfahren hergestellt worden ist, das
dadurch gekennzeichnet ist, daß Aluminiumoxid, das einen
durchschnittlichen Teilchendurchmesser der Primärteilchen
von nicht mehr als 5 um aufweist und mit Yttrium oder einer
Yttriumverbindung in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%,
angegeben als Metall, bezogen auf das durch Nitrieren
gebildete Aluminiumnitrid, beschichtet wird, mit Kohlenstoff, der
einen Aschegehalt von 0,5 % oder weniger und einen
durchschnittlichen Durchmesser der Sekundärteilchen von nicht
mehr als 5 um aufweist, vermischt wird, und das Gemisch in
einer Atmosphäre von Stickstoff oder Ammoniak bei einer
Temperatur von 1400 bis 1700ºC calciniert wird.
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Nachstehend wird die Erfindung näher erläutert.
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Das erfindungsgeinäße Aluminiumnitridpulver besteht
aus agglomerierten Teilchen mit einem durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von etwa 10 um oder weniger und
vorzugsweise etwa 5 um oder weniger, die durch Agglomerieren von
Primärteilchen mit einem durchschnittlichen
Teilchendurchmesser
von etwa 2 um oder weniger gebildet worden sind. Ist
der Durchmesser der agglomerierten Teilchen übermäßig groß,
so brechen innere Hohlräume nicht leicht zusammen, so daß
ohne weitere Behandlung eine hohe Rohverformungsdichte und
eine hohe Sinterdichte eines Formkörpers nicht erreicht
werden können.
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Das erfindungsgemäße Aluminiumnitridpulver ist auf
der Oberfläche seiner Primärteilchen von agglomerierten
Teilchen mit mindestens einem Oxid, Oxynitrid oder Nitrid
von Yttrium (nachstehend gelegentlich auch als
"Sinterhilfsstoff" bezeichnet) in einer Menge von etwa 0,1
bis etwa 10 Gew.-% und vorzugsweise von etwa 0,2 bis etwa 7
Gew.-%, angegeben als Metall, beschichtet. Eine unter dem
vorstehenden Bereich liegende Beschichtungsmenge des
Sinterhilfsstoffs ist nicht bevorzugt, da die Wärmeleitfähigkeit
nicht in ausreichendem Maße verbessert wird, während eine
größere Menge aufgrund einer Beeinträchtigung der
Wärmeleitfähigkeit ebenfalls ungünstig ist.
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Wenn Aluminiumoxidpulver mit einem durchschnittlichen
Durchmesser der Primärteilchen von 5 um oder weniger und
vorzugsweise von 0,3 um bis 2 um mit pulverförmigem
Kohlenstoff mit einem Aschegehalt von 0,5 Gew.-% oder weniger und
einem durchschnittlichen Durchmesser der Sekundärteilchen
von 5 um oder weniger vermischt und in einer
Stickstoff- oder Ammoniakatmosphäre bei einer Temperatur von 1400 bis
1700ºC nitriert wird, läßt sich das gewünschte
Aluminiumnitridpulver bei Verwendung von Aluminiumoxidpulver, dessen
Oberfläche mit Yttrium oder einer Metallverbindung davon in
einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-%, angegeben als
Metall, bezogen auf das durch Nitridieren gebildete
Aluminiumnitrid, beschichtet ist, erhalten.
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Wenn das eingesetzte Aluminiumoxidpulver einen
übermäßig kleinen Durchmesser aufweist, läßt sich die Oberfläche
des Pulvers nicht leicht mit dem Sinterhilfsstoff
beschichten und der Sauerstoffgehalt nach dem Nitrieren nimmt ab.
Demgegenüber kann bei einem übermäßig großen Durchmesser die
Nitrierungsreaktion nicht leicht ablaufen.
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Hinsichtlich des Verfahrens zum Beschichten der
Oberfläche des Aluminiumoxidpulvers mit dem Sinterhilfsstoff
gibt es keine speziellen Beschränkungen. Hierzu gehören
beispielsweise ein Verfahren, bei dem Aluminiumoxid in Wasser
dispergiert wird, Yttriumnitrat, Yttriumchlorid oder
Yttriumsulfat allmählich tropfenweise zugesetzt werden, wobei der
pH-Wert durch Zugabe von Ammoniakwasser oder Natriumhydroxid
und dgl. im alkalischen Bereich gehalten wird, wobei
Yttriumhydroxid auf der Oberfläche des Aluminiumoxids
abgeschieden wird; und ein Verfahren, bei dem ein Sinterhilfsstoff in
einer Lösung gelöst wird, pulverförmiges Aluminiumoxid
dispergiert und vermischt wird, das Gemisch zur Abscheidung
des Sinterhilfsstoffs auf der Oberfläche des Aluminiumoxids
hydrolysiert wird, und der Niederschlag gegebenenfalls
calciniert wird.
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Beim erfindungsgemäß verwendeten Sinterhilfsstoff
handelt es sich um Yttrium oder eine Metallverbindung davon.
Jedoch können auch andere Metalle oder Metallverbindungen in
Kombination damit in einem Anteil, der die Wirkung der
vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt, verwendet werden.
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Als ein derartiges, in Kombination zu verwendendes
Material werden Calcium oder eine Calciumverbindung
empfohlen, da durch eine derartige kombinierte Verwendung die
Wärmeleitfähigkeit weiter verbessert wird. Die Zugabemenge
einer derartigen, in Kombination verwendeten Substanz in
Bezug zum Yttrium hängt von der zugesetzten Substanz ab.
Üblicherweise liegt die Menge im Bereich von 50 bis 10000 ppm,
angegeben als Metall.
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Da Calcium während der Nitrierungsreaktion zur
Verflüchtigung neigt, soll das Calcium als Rohmaterial in einer
Menge zugesetzt werden, die die Verflüchtigung ausgleicht,
oder es soll die Atmosphäre so gewählt werden, daß die
Verflüchtigung verhindert wird.
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Als Verbindung zur Beschichtung des
Aluminiumoxidpulvers kann ein beliebiger Verbindungstyp herangezogen werden,
sofern die Verbindung dazu befähigt ist, als Feststoff einen
Überzug auf dem Aluminiumoxidpulver zu bilden; hierzu
gehören Hydroxide, Oxide, Carbide, Fluoride, Carbonate und dgl.
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Das Aluminiumoxidpulver, dessen Oberfläche mit dem
Sinterhilfsstoff beschichtet ist, wird anschließend mit
Kohlenstoff vermischt.
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Der Kohlenstoff weist einen durchschnittlichen
Durchmesser der Sekundärteilchen von etwa 5 um oder weniger und
vorzugsweise 3 um oder weniger und vorzugsweise einen
Aschegehalt von 0,5 Gew.-% oder weniger auf.
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Kohlenstoff, dessen Teilchendurchmesser über dem
vorerwähnten Bereich liegt, kann nicht in einfacher Weise
umgesetzt werden.
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Das Vermischen des Aluminiumoxidpulvers und des
Kohlenstoffpulvers wird mit einer solchen Vorrichtung und nach
einem solchen Verfahren durchgeführt, daß soweit wie
möglich, keine Verunreinigungen eingemischt werden, die nach
der Calcinierung erhalten bleiben.
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Es können beliebige Verfahren, und zwar Naßverfahren
oder Trockenverfahren, die dieser Bedingung genügen,
herangezogen werden. Hierzu gehören das Vermischen in einer
Kugelmühle und das Vermischen unter Verwendung von
Mischvorrichtungen.
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Beim Vermischen liegt das Verhältnis von
Aluminiumoxidpulver zu Kohlenstoffpulver, die als Rohmaterialien
verwendet werden, üblicherweise im Bereich von etwa 35 bis etwa
70 Gew.-% und vorzugsweise von etwa 37 bis etwa 55 Gew.-%,
bezogen auf etwa 100 Gew.-Teile Aluminiumoxid.
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Die Mischzeit hängt von der Mischvorrichtung und der
Mischmenge ab. Daher werden die Bedingungen durch einen
Vorversuch so festgelegt, daß eine gleichmäßige Bewegung
erreicht werden kann.
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Das nach dem Mischen erhaltene pulverförmige
Rohmaterial aus Aluminiumoxid und Kohlenstoff wird gegebenenfalls
getrocknet und in einer Stickstoff- oder Ammoniakatmosphäre
bei einer Temperatur von etwa 1400 bis etwa 1700ºC unter
Bildung vom Aluminiumnitridpulver calciniert.
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Bei einer Temperatur unter etwa 1400ºC ist eine
zufriedenstellende Reduktionsreaktion nicht erzielbar, während
bei einer Temperatur über etwa 1700ºC die Teilchengröße zu
stark zunimmt und die Sintereigenschaften in unerwünschter
Weise beeinträchtigt werden.
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Da das erhaltene Aluminiumnitridpulver überschüssiges
Kohlenstoffpulver oder nicht-umgesetzten pulverförmigen
Kohlenstoff enthält, wird dieser restliche Kohlenstoff durch
Erwärmen in einer Atmosphäre mit einem Gehalt an einem
oxidierenden Gas bei einer Temperatur von etwa 650 bis etwa
900ºC entfernt.
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Das auf diese Weise hergestellte
Aluminiumnitridpulver weist üblicherweise einen durchschnittlichen Durchmesser
der Sekundärteilchen von etwa 5 um oder weniger auf. Der
durch Preßformen des Aluminiumnitrids und Sintern bei einer
Temperatur von 1800ºC oder darüber erhaltene
Sinterpreßkörper weist üblicherweise eine Sinterdichte von etwa 3,25
g/cm³ oder mehr und eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 200
W/mK oder mehr auf.
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Das Aluminiumnitridpulver wird nach einem
Preßverfahren, einem Rakelverfahren, einem Extrusionsverfahren oder
dgl. zu einem IC-Substratmaterial verarbeitet. Da
IC-Substrate in letzter Zeit eine zunehmend kompliziertere
Formgebung aufweisen, wie der Trend zur Einführung einer
Multipin-Struktur, z.B. einer Packung vom Pin-Gitter-Muster
(PGA)-Typ und dgl., zeigt, muß die Formmasse aus
Aluminiumnitrid einen geringen Schrumpfungsgrad aufweisen und eine
gleichmäßige Beschaffenheit bei verringerter Anisotropie
(Variation der Sinterdichte) aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Aluminiumnitridpulver eignet
sich insbesondere für derartige Anwendungszwecke und ergibt
bei kombinierter Verwendung einer organischen
Polymerverbindung, die bei einer Temperatur von 1400ºC oder darunter
zersetzbar ist, eine Aluminiumnitrid-Formmasse mit einem
geringen Schrumpfungsgrad und einer gleichmäßigen Beschaffenheit
bei verringerter Anisotropie.
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Der Grund für die Verwendung der organischen
Polymerverbindung, die bei einer Temperatur von 1400ºC oder
darunter zersetzbar ist, liegt darin, daß das Bindemittel beim
Sinterungsverfahren, das üblicherweise bei einer Temperatur
von 1600ºC oder darüber, durchgeführt wird, nach der Bildung
der rohen Formplatte aus der Aluminiumnitrid-Zusammensetzung
verbrannt werden kann.
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Daher gibt es hinsichtlich der organischen
Polymerverbindung keine speziellen Beschränkungen, sofern sie für
das Anwendungsgebiet geeignet ist und im wesentlichen keinen
oder nur einen geringen Zersetzungsrückstand hinterläßt.
Spezielle Beispiele hierfür sind eines oder mehrere der
folgenden Produkte: sauerstoffhaltige, organische, polymere
Substanzen, wie Polyvinylalkohol, Methylcellulose,
Hydroxymethylcellulose, Polyethylenoxid, Polyvinylbutyral,
Polymethylmethacrylat und dgl.; Kohlenwasserstoffharze, wie
Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und dgl.;
Polyvinylchlorid; Acrylharze und deren Emulsionen, Wachse und deren
Emulsionen und dgl. Das Molekulargewicht der organischen
Polymerverbindungen unterliegt keinen speziellen Beschränkungen,
liegt aber im Hinblick auf die Einfachheit der Handhabung
der rohen Platten und dgl. im Bereich von etwa 5000 bis
500 000.
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Die Menge des zugesetzten Bindemittels hängt von der
Art des Bindemittels, den Verformungsbedingungen, wie der
Dicke einer rohen Platte, den erforderlichen Eigenschaften
des Sinterpreßkörpers und dgl. ab und kann nicht genau
angegeben werden. Üblicherweise wird es in einer Menge von etwa
0,1 bis 30 Gew.-Teilen und vorzugsweise von etwa 2 bis 15
Gew.-Teilen, bezogen auf 100 Teile des
Aluminiumnitridpulvers, verwendet.
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Die erfindungsgemäße Aluminiumnitrid-Zusammensetzung
kann gegebenenfalls einen Zusatz eines Entflockungsmittels,
eines Weichmachers und dgl., die auf den einschlägigen
Gebieten eingesetzt werden, neben dem vorstehend erwähnten
Aluminiumnitridpulver und dem aus einer organischen
Polymerverbindung bestehenden Bindemittel enthalten.
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Die Art der Verwendung des Aluminiumnitridpulvers
entspricht beliebigen bekannten Verfahren und unterliegt
keinen speziellen Beschränkungen. Beispielsweise wird die
vorerwähnte Zusammensetzung nach einem Rakelverfahren oder
dgl. in einem Dispersionsmedium zu einer gleichmäßigen
Aufschlämmung dispergiert, die dann zu einer speziellen Form,
beispielsweise zu einer Plattenform, verformt und
anschließend getrocknet und calciniert wird.
Beste Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen
näher erläutert. Die Erfindung wird jedoch durch die
Beispiele nicht beschränkt.
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Erfindungsgemäß wurde der Durchmesser der primären
Teilchen des Aluminiumnitridpulvers durch eine
elektronenmikroskopische Aufnahme gemessen, während die übrigen
Teilchendurchmesser durch zentrifugale
Sedimentationslichttransmission gemessen wurden. Die Wärmeleitfähigkeit wurde durch
ein Laserflashverfahren gemessen.
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In den Beispielen beziehen sich "Teile" auf das
Gewicht, sofern nichts anderes angegeben ist.
Beispiel 1
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100 Teile Aluminiumoxidpulver mit einem
durchschnittlichen Durchmesser der Primärteilchen von 0,6 um und einer
Reinheit von 99,7 % und 500 Teile Wasser wurden vermischt
und etwa 30 Minuten durch Ultraschallbehandlung dispergiert.
Bei einem konstant auf 10,5 gehaltenen pH-Wert wurden 12
Teile einer 50%igen Yttriumnitratlösung [Y(NO&sub3;)&sub3;] innerhalb
von etwa 30 Minuten zugesetzt, um die Oberfläche des
Aluminiumoxidpulvers mit Yttriumhydroxid zu beschichten.
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Nach Filtration der erhaltenen Aufschlämmung wurde
das im Filtrat verbleibende Yttrium gemessen, wobei aber
kein Yttrium nachgewiesen werden konnte.
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Das durch Filtration abgetrennte Aluminiumoxid wurde
mit Wasser gewaschen und anschließend unter
Hochgeschwindigkeitsrühren mit 100 Teilen Wasser und 45 Teilen Ruß mit
einem durchschnittlichen Durchmesser der Sekundärteilchen
von etwa 1,5 um und einem Aschegehalt von 0,02 %, bezogen
auf 100 Teile Aluminiumoxid, vermischt.
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Das erhaltene Gemisch wurde in einem Heißlufttrockner
bei 150ºC getrocknet, abgekühlt, in ein Graphitgefäß gefüllt
und sodann 8 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre einer
reduktiven Nitrierungsreaktion bei 1600ºC unterworfen.
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Nach dem reduktiven Nitrieren wurde 3 Stunden eine
Decarbonisierungsbehandlung mit Luft bei 780ºC durchgeführt.
Das erhaltene Pulver wies bei Betrachtung unter dem
Elektronenmikroskop eine durchschnittliche Teilchengröße von 2,8 um
und einen Durchmesser der Primärteilchen von 1 um oder
weniger auf und enthielt 1,65 % Sauerstoff. Der Gehalt an Y&sub2;O&sub3;
betrug 3,2 %. Das auf diese Weise gebildete
Aluminiumnitridpulver wurde uniaxial mit einem Druck von 300 kg/cm² und mit
einer Gummipresse bei einem Druck von 2000 kg/cm² zur
Bildung eines Formkörpers der Abmessungen 20 x 40 x 2 mm
verpreßt.
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Der Formkörper wurde in ein 50/50-Pulvergemisch aus
Aluminiumnitridpulver und Bornitridpulver eingebettet und 1
Stunde bei 1800ºC unter einem Stickstoffstrom gesintert,
wodurch man einen Aluminiumnitrid-Sinterpreßkörper erhielt.
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Der erhaltene Sinterpreßkörper wies eine Dichte von
3,26 g/cm³ und eine Wärmeleitfähigkeit von 235 W/mK auf.
Vergleichsbeispiel 1
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Es wurden 100 Teile des gleichen Aluminiumoxidpulvers
und 45 Teile des gleichen Kohlenstoffpulvers wie in Beispiel
1 sowie 2,5 Teile pulverförmiges Y&sub2;O&sub3; mit einem
durchschnittlichen Durchmesser der Primärteilchen von 1,5 um
zusammen mit 100 Teilen Wasser durch
Hochgeschwindigkeitsrühren vermischt. Das erhaltene Gemisch wurde in einem
Heißlufttrockner getrocknet, abgekühlt und gemäß Beispiel 1 der
reduktiven Nitrierungsreaktion und
Decarbonisierungsbehandlung unterworfen.
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Das erhaltene Pulver wies bei
elektronenmikroskopischer Betrachtung einen durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 3,1 um und einen Durchmesser der Primärteilchen von
1 um oder weniger auf und enthielt 1,68 % Sauerstoff. Der
Gehalt an Y&sub2;O&sub3; betrug 3,1 %.
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Das erhaltene Aluminiumnitridpulver wurde gemäß
Beispiel 1 unter Bildung eines
Aluminiumnitrid-Sinterpreßkörpers verformt und gesintert.
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Der erhaltene Sinterpreßkörper wies eine Dichte von
3,27 g/cm³ und eine Wärmeleitfähigkeit von 198 W/mk auf.
Vergleichsbeispiel 2
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100 Teile Aluminiumoxid mit einem durchschnittlichen
Durchmesser der Primärteilchen von 0,6 um und einem
Reinheitsgrad von 99,7 % und 45 Teile Ruß mit einem
durchschnittlichen Durchmesser der Sekundärteilchen von etwa 1,5
um und einem Aschegehalt von 0,02 %, die in Beispiel 1
eingesetzt worden waren, wurden durch
Hochgeschwindigkeitsrühren vermischt.
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Das erhaltene Gemisch wurde auf die gleiche Weise wie
in Beispiel 1 der Trocknung, Kühlung, reduktiven Nitrierung
und Decarbonisierung unterworfen.
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Das erhaltene Pulver wies bei
elektronenmikroskopischer Betrachtung einen durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 2,5 um und einen Durchmesser der Primärteilchen von
1 um oder weniger auf und enthielt 1,05 % Sauerstoff.
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Getrennt davon wurde Yttriumchlorid in Methylalkohol
in einer Menge von 3,1 %, angegeben als Oxid, bezogen auf
das Aluminiumnitrid, gelöst. Das Aluminiumnitrid wurde
zugesetzt und vermischt.
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Dieses Aufschlämmungsgemisch wurde auf 60ºC erwärmt
und sodann in eine Stickstoffatmosphäre von 300ºC gebracht,
wodurch man ein beschichtetes Produkt erhielt.
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Das erhaltene, mit der Yttriumverbindung beschichtete
Aluminiumnitridpulver wurde auf die gleiche Weise wie in
Beispiel 1 zur Bildung eines Sinterpreßkörpers gesintert.
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Der Sinterpreßkörper wies eine Dichte von 3,09 g/cm³
und eine Wärmeleitfähigkeit von 175 W/mK auf
Vergleichsbeispiel 3
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2000 g einer wäßrigen 10%igen Aluminiumchloridlösung
wurden mit 45,8 g einer 10%igen Y(NO&sub3;)&sub3;-Lösung versetzt. Das
Gemisch wurde ausreichend gerührt und sodann mit 1 N
Ammoniumhydroxidlösung auf den pH-Wert 8 neutralisiert. Der
gebildete Hydroxidniederschlag wurde durch Filtration
gewonnen, ausreichend mit Wasser gewaschen, getrocknet und 2
Stunden bei 1200ºC gesintert. Anschließend wurde das Oxid
zusammen mit Aluminiumoxidkugeln in eine Topfmühle aus
Aluminiumoxid gebracht und pulverisiert. Man erhielt ein Pulver
vom Aluminiumoxidtyp mit einer durchschnittlichen Größe der
Primärteilchen von 0,7 um. Das Pulver vom Aluminiumoxidtyp
wies einen Y&sub2;O&sub3;-Gehalt von 2,5 Gew.-% und einen
Reinheitsgrad von 99,9 %, ausgenommen die Yttriumverbindung, auf.
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Das auf diese Weise hergestellte Aluminiumoxidpulver
und gemäß Beispiel 1 verwendetes Kohlenstoffpulver wurden
auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 reduktiv nitriert
und decarbonisiert. Man erhielt Aluminiumnitridpulver.
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Das erhaltene Pulver wies bei
elektronenmikroskopischer Betrachtung einen durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 2,8 um und einen primären Teilchendurchmesser von
nicht mehr als 1 um auf und enthielt 1,75 % Sauerstoff. Der
Y&sub2;O&sub3;-Gehalt betrug 3,1 %.
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Das erhaltene Aluminiumnitridpulver wurde auf die
gleiche Weise wie in Beispiel 1 gesintert. Man erhielt einen
Sinterpreßkörper aus Aluminiumnitrid.
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Der erhaltene Sinterpreßkörper wies eine Dichte von
3,27 g/cm³ und eine Wärmeleitfähigkeit von 183 W/mK auf.
Beispiel 2, Beispiel 3, Vergleichsbeispiel 4 und
Vergleichsbeispiel 5
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Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurden
Aluminiumnitridpulver hergestellt, mit der Ausnahme, daß als
Rohmaterial Aluminiumoxid gemäß den Angaben in Tabelle 1
verwendet wurde. Ferner wurden unter Verwendung dieser
Pulvermaterialien Sinterpreßkörper hergestellt. Die
Eigenschaften dieser Körper sind in Tabelle 1 angegeben. Getrennt
davon wurden gemäß den Vergleichsbeispielen 4 und 5
Aluminiumnitridpulver auf die gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel
1 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die gleichen
Aluminiumoxid-Rohmaterialien wie in den Beispielen 2 und 3
verwendet
wurden. Aus diesen Pulvermaterialien wurden
Sinterpreßkörper hergestellt. Die Ergebnisse sind ebenfalls in
Tabelle 1 aufgeführt.
Beispiel 4
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100 Teile pulverförmiges Aluminiumoxid mit einem
durchschnittlichen Durchmesser der Primärteilchen von 0,6 um
und einer Reinheit von 99,7 % und 500 Teile Wasser wurden
vermischt und 30 Minuten unter Ultraschallbehandlung
dispergiert. Bei einem konstanten pH-Wert von 9,0 wurden 12 Teile
50 % Yttriumnitratlösung [Y(NO&sub3;)&sub3;] und 0,7 Teile
Calciumnitrat [Ca(NO&sub3;)&sub2;] innerhalb von 30 Minuten zugesetzt, um die
Oberfläche des Aluminiumoxidpulvers mit Yttriumhydroxid und
Calciumhydroxid zu beschichten.
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Das durch Filtration abgetrennte Aluminiumoxid wurde
mit Wasser gewaschen und anschließend unter
Hochgeschwindigkeitsrühren mit 100 Teilen Wasser und 45 Teilen Ruß mit
einem durchschnittlichen Durchmesser der Sekundärteilchen
von etwa 1,5 um und einem Aschegehalt von 0,02 %, bezogen
auf 100 Teile Aluminiumoxid, versetzt.
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Das erhaltene Gemisch wurde in einem Heißlufttrockner
bei 150ºC getrocknet, gekühlt, in ein Graphitgefäß gefüllt
und sodann 8 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre bei
1600ºC der reduktiven Nitrierung unterworfen. Nach der
reduktiven Nitrierung wurde mit Luft 3 Stunden bei 780ºC eine
Decarbonsierungsbehandlung durchgeführt.
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Das erhaltene Pulver wies bei
elektronenmikroskopischer Betrachtung eine durchschnittliche Teilchengröße von
2,5 um und einen Durchmesser der Primärteilchen von 1 um
oder weniger auf und enthielt 1,55 % Sauerstoff. Der Y&sub2;O&sub3;-
Gehalt betrug 3,1 % und der CaO-Gehalt 0,05 %.
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Das auf diese Weise gebildete Aluminiumnitridpulver
wurde bei einem Druck von 300 kg/cm² mit einer Gummipresse
verpreßt. Man erhielt einen Formkörper der Abmessungen 20 x
40 x 2 mm.
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Dieser Formkörper wurde in ein 50/50-Pulvergemisch
aus pulverförmigen Aluminiumnitrid und pulverförmigem
Bornitrid eingebettet und 1 Stunde unter einem Stickstoffstrom
bei 1800ºC gesintert. Man erhielt einen
Aluminiumnitrid-Sinterpreßkörper.
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Der erhaltene Sinterpreßkörper wies eine Dichte von
3,28 g/cm³ und eine Wärmeleitfähigkeit von 220 W/mK auf.
Beispiel 5
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100 Teile des gemäß Beispiel 1 erhaltenen
Aluminiumnitridpulvers wurden mit 127 Teilen eines
Lösungsmittelgemisches aus Toluol und Ethanol (6:4) versetzt. Sodann wurde
Polyvinylbutyral zugegeben. Das Gemisch wurde etwa 10
Stunden in einer Kugelmühle vermischt.
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Das Gemisch wurde entlüftet und durch Entfernung von
Lösungsmittel auf eine Viskosität von 15 000 cP eingestellt.
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Die erhaltene Aufschlämmung wurde mittels einer Rakel
oder einer Plattenformmaschine auf einem Propylenfilm zu
einer Plattenform verformt.
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Anschließend wurde der Formkörper getrocknet. Man
erhielt eine Platte von 30 cm Breite und 0,6 mm Dicke.
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Aus der Platte von 1 m Länge wurden quadratische
Platten der Abmessungen 3 cm x 3 cm durch Stanzen an
insgesamt 20 Stellen ausgeschnitten: 5 Stellen in Längsrichtung
und 4 Stellen in Breitenrichtung. Die ausgeschnittenen
Platten wurden 3 Stunden bei 1750ºC unter Stickstoff gesintert.
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Die erhaltenen Sinterpreßkörper wiesen eine überaus
gleichmäßige Sinterdichte mit einem Varianzbereich von 3,25
bis 3,27 g/cm³ und einen Schrumpfungsgrad von 17,2 % auf.
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Zu Vergleichszwecken wurden auf die gleiche Weise wie
in diesem Beispiel Platten hergestellt und bezüglich des
Schrumpfungsgrads und der Varianz geprüft, wobei aber das in
den Vergleichsbeispielen 1, 2 und 3 hergestellte
Pulvermaterial verwendet wurde. Die aus dem Pulvermaterial von
Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Sinterpreßkörper wiesen eine
Varianz der Sinterdichte von 3,03 bis 3,21 g/cm³ und einen
Schrumpfungsgrad von 19,1 % auf; die Produkte von
Vergleichsbeispiel 2 zeigten eine Varianz von 3,07 bis 3,23
g/cm³ und einen Schrumpfungsgrad von 20,4 %; und die
Produkte von Vergleichsbeispiel 3 zeigten eine Varianz von 2,98
bis 3,18 g/cm³ und einen Schrumpfungsgrad von 20,8 %.
Beispiel 6
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Das in Beispiel 1 hergestellte Aluminiumnitridpulver
wurde etwa 2 Stunden in einer Kugelmühle mit
Aluminiumoxidkugeln trocken zerkleinert. Nach der Zerkleinerung betrug
der Durchmesser der Primärteilchen des
Aluminiumnitridpulvers bei elektronenmikroskopischer Betrachtung etwa 1 um.
Der Sauerstoffgehalt betrug 1,80 %.
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Das auf diese Weise hergestellte
Aluminiumnitridpulver wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 zu
Sinterpreßkörpern verarbeitet.
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Die Sinterdichte des erhaltenen Sinterpreßkörpers
variiert im Bereich von 3,26 bis 3,28 g/cm³. Der
Schrumpfungsgrad betrug 14,5 %.
Gewerbliche Verwertbarkeit
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Das vorstehend ausführlich beschriebene
Aluminiumnitridpulver eignet sich aus bisher nicht geklärten Gründen
zur Herstellung eines Sinterpreßkörpers, der im Vergleich zu
einem herkömmlichen Aluminiumnitridkristall mit einem darin
dispergierten Sinterhilfsstoff oder im Vergleich zu einem
herkömmlichen Gemisch aus Aluminiumnitridpulver und einem
Sinterhilfsstoff besonders gut zur Herstellung von
Sinterpreßkörpern mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit ohne
Verringerung der Sinterdichte geeignet ist. Ferner ist eine
Aluminiumnitrid-Formmasse zur Verarbeitung nach dem
Rakelverfahren oder dgl., die aus dem genannten Material und
einem Bindemittel, das aus einer organischen
Polymerverbindung besteht, hergestellt ist, dazu geeignet, Formkörper mit
einem geringen Schrumpfungsgrad und einer gleichmäßigen
Beschaffenheit bei niedriger Anisotropie herzustellen. Daher
zeichnet sich der Erfindungsgegenstand durch eine gute
industrielle Verwertbarkeit aus.
Tabelle 1
Aluminiumoxid-Rohmaterial
Aluminiumnitridpulver
Siterpreßkörper
Teilchendurchmesser
Reinheit
Durchmesser der Primärteilchen
Sauerstoffgehalt
Y&sub2;O&sub3;-Gehalt
Dichte
Wärmeleitfähigkeit
Beispiel
Vergleichsbeispiel