DE69423447T2 - Siliziumnitridteil mit hoher Wärmeleitfähigkeit, Halbleitergehäuse, Heizung und thermischer Kopf - Google Patents

Siliziumnitridteil mit hoher Wärmeleitfähigkeit, Halbleitergehäuse, Heizung und thermischer Kopf

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DE69423447T2 DE69423447T DE69423447T DE69423447T2 DE 69423447 T2 DE69423447 T2 DE 69423447T2 DE 69423447 T DE69423447 T DE 69423447T DE 69423447 T DE69423447 T DE 69423447T DE 69423447 T2 DE69423447 T2 DE 69423447T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein hochgradig wärmeleitendes Siliziumnitrid- Strukturteil, d. h. Anwendungsteile, das ein hochgradig wärmeleitendes Siliziumnitrid verwendet, wie eine Halbleiterkapselung, einen Heizer und einen Thermokopf. Genauer gesagt, die Halbleiterkapselung ist überlegen in der mechanischen, strukturellen Festigkeit und der Wärmeableitung. Der Heizer enthält einen Heizwiderstand, der auf der Oberfläche desselben oder innerhalb eines gesinterten Körpers aus einen hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid angeordnet ist, und ist überlegen insbesondere in der mechanischen Festigkeit und der thermischen Antwort auf eine AN-AUS Steuerung einer Spannung, die an den Heizwiderstand angelegt wird. Der Thermokopf ist überlegen bei einem Hochgeschwindigkeitsdrucken mit hoher Genauigkeit.
  • Die nicht vorveröffentlichte EP-A-0 587 119 ist eine Druckschrift im Sinne von Art. 54(3) EPC und offenbart einen hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper und ein Verfahren zum Herstellen desselben. Der hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid- Sinterkörper enthält: 2,0-7,5 Gewichts % von einem Seltene Erden Element in Begriffen eines Oxids desselben; höchstens 0,3 Gewichts-% von Li, Na, K, Fe, Ca, Mg, Sr, Ba, Mn und B als kationische Verunreinigungselemente in Begriffen einer Gesamtmenge derselben; und, falls notwendig, höchstens 2,0 Gewichts-% Alumina und/oder höchstens 2,0 Gewichts % Aluminiumnitrid und weist einen Siliziumnitridkristall vom Beta-Phasen-Typ und eine Korngrenzenphase auf. Der Siliziumnitrid-Sinterkörper weist eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 60 W/mK auf. Optional enthält der Sinterkörper weiter 0,2- 3,0 Gewichts-% von mindestens einer Verbindung, die ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus den Oxiden, Karbiden, Nitriden, Siliziden und Boriden von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W besteht. Der Sinterkörper weist eine Porösität von mindestens 1, 5 Volumen-%, eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 60 W/m · K und eine Dreipunkt-Biegefestigkeit von mindestens 80 kg/mm² bei Raumtemperatur auf. Der Sinterkörper erzielt eine hohe thermische Leitfähigkeit und gute Wärmeabstrahlungseigenschaften ebenso wie die hohen Festigkeitseigenschaften, die Siliziumnitrid-Sinterkörpern allgemein innewohnen.
  • Die EP-A-0 438 897 offenbart einen Siliziumnitridkörper, der Korngrenzen von Si&sub3;N&sub4; von nicht mehr als einem spezifischen Wert aufweist. Der Siliziumnitridkörper kann Al von nicht mehr als 0,3 Gewichts %, wenn es als Oxid gerechnet wird, enthalten. Die thermische Leitfähigkeit des Sinterkörpers ist nicht weniger als 0,15 cal/cm sek. ºC.
  • Da ein keramischer Sinterkörper, der Silikonnitrid als eine Hauptkomponente enthält, im allgemeinen hochgradig widerstandsfähig gegenüber Hitze selbst in einer Umgebung mit einer hohen Temperatur von über 1000ºC und außerdem hochgradig widerstandsfähig gegenüber thermischen Schocks ist, ist seine Anwendung als ein Material für Hochtemperatur-Strukturteile anstelle einer hitzebeständigen Superlegierung bei verschiedenen hochfesten und hitzebeständigen Teilen wie Teilen einer Gasturbine, Maschinenteilen und mechanischen Teilen für die Stahlherstellung versucht worden. Außerdem hat ein solcher keramischer Sinterkörper eine gute Korrosionsbeständigkeit gegen Metalle und seine Anwendung als ein schmelzresistentes Material für geschmolzene Metalle ist darum versucht worden. Weiterhin hat ein keramischer Sinterkörper eine gute Abnutzungswiderstandsfähigkeit und daher ist seine Anwendung als Gleitteil wie in Lagern und als Schneidwerkzeug praktiziert worden.
  • Für die Zusammensetzung des keramischen Sinterkörpers aus Siliziumnitrid ist es herkömmlicherweise bekannt, als ein Sinterhilfsmittel mindestens ein Oxid eines Elementes der Seltenen Erden oder eines Elementes der seltenen Alkali-Erden wie Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;), Ceroxid (CeO) und Kalziumoxid (CaO) zu Siliziumnitrid hinzuzufügen. Das Sinterhilfsmittel dient zum Erweitern eines Sinterprozesses, um so den Grad der Kompaktheit (Dichte) und Festigkeit zu erhöhen.
  • Der herkömmliche Sinterkörper aus Siliziumnitrid wird hergestellt durch Hinzufügen des obigen Sinterhilfsmittels zu Siliziumnitridpulver zum Vorbereiten einer Materialmischung, durch Pressen der Mischung zum Herstellen eines Preßlings, durch Backen des gepressten Preßlings in einem Backofen für einen vorbestimmten Zeitraum bei einer Temperatur im Bereich von 1600 bis 1850ºC, durch Kühlen des gebackenen Preßlings durch Stoppen der dem Ofen zugeführten Leistung, und durch Bearbeiten des resultierenden Sinterkörpers in einer Produkt durch Schneiden und Schleifen.
  • Der gesinterte Körper aus Siliziumnitrid, der durch das obige herkömmliche Verfahren hergestellt worden ist, ist überlegen in der mechanischen Festigkeit, die durch die Biegefestigkeit, Reißfestigkeit, etc. dargestellt wird, und weist außerdem den kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Jedoch ist seine thermische Leitfähigkeit so niedrig wie 20 bis 30 W/(m · K), und seine Wärmeableitung ist bemerkenswert schlechter als bei anderen gesinterten Körpern aus Aluminiumnitrid (AlN), Berylliumoxid (BeO), Siliziumkarbid (SiC), etc.. Es ist daher schwierig gewesen, den herkömmlichen gesinterten Körper aus Siliziumnitrid als elektronische Materialien von z. B. Substraten für Halbleiterkapselungen und als Substrate für Heizer, die insbesondere eine hohe Fähigkeit der Wärmeableitung benötigen, zu verwenden.
  • Da andererseits der gesinterte Körper aus Aluminiumnitrid die höhere thermische Leitfähigkeit und den niedrigeren thermischen Expansionskoeffizienten als andere Arten von gesinterten Körpern aufweist, ist seine Verwendung als ein Material für Schaltungsplatinenteile, Substrate und Umhüllungen von Halbleiterkapselungen, etc., die sich in der Geschwindigkeit, der Ausgangsleistung, der Funktion ebenso wie der Größe mehr und mehr verstärken, vorherrschender geworden. Jedoch ist der gesinterte Körper aus Aluminiumnitrid, der in der mechanischen Festigkeit ausreichend zufriedenstellend ist, bisher nicht erreicht worden. Seine Stabilität (z. B. seine Oxidationswiderstandsfähigkeit) bei hoher Temperatur ist ebenfalls nicht ausreichend.
  • Zum Beispiel ist eine Halbleiterkapselung, die ein Substrat verwendet, das aus dem gesinterten Körper aus Aluminiumnitrid ausgebildet ist, anfällig aufgrund der thermischen Spannung, die beim Erwärmen beim Betrieb oder eines Mangels in der Festigkeit des Substrates, wenn es an einer Montageplatine befestigt wird, zu brechen. Dementsprechend wird von Halbleiterkapselungen auch gefordert, dass sie nicht nur eine zufriedenstellende Eigenschaft bezüglich der mechanischen Festigkeit, die hoch genug ist, um thermische Spannungen, Schocks, etc. auszuhalten, sondern auch eine überlegene Eigenschaft der Wärmeableitung, die ausreicht, damit sie für höhere Ausgangsleistungen und einen erhöhten Betrag von erzeugter Wärme anpassbar sind, aufweisen.
  • Ein thermischer Heizer wird hergestellt durch Ausbilden eines linearen Heizwiderstandes, der irgendeine gewünschte Breite und Länge aufweist, auf einem keramischen Substrat durch das Drucken von Mustern oder das Installieren des Widerstandes innerhalb des Substrates, und er wird weithin verwendet als ein Teil von Glühkerzen von Dieselmaschinen, Thermoköpfen und so weiter.
  • Des weiteren wird ein Thermokopf, der einen Heizer, der aus einem Heizwiderstand, elektrischen Leitungen und einer abnutzungsresistenten Schicht ausgebildet ist, wobei diese Teile alle auf einem keramischen Substrat ausgebildet sind, aufweist, in einer Vielzahl von Druckausrüstungen verwendet. In wärmeempfindlichen Aufzeichnungsvorrichtungen wie Messrekordern, Druckern und Faxmaschinen werden zum Beispiel verschiedene Thermoköpfe zum Umwandeln von Information, die an diese Vorrichtungen in der Form von elektrischen Signalen gesandt worden ist, in ein Bild aus Buchstaben, Symbolen oder Figuren auf einem wärmeempfindlichen Aufzeichnungspapier verwendet. Der Thermokopf weist einen Heizwiderstand zum Erwärmen von chemischen Materialien, die auf das wärmeempfindliche Aufzeichnungspapier beschichtet sind und eine Farbe bei Erwärmung entwickeln, was es ermöglicht, Zeichen und/oder Bilder thermisch auf dem Papier auszubilden, auf.
  • Genauer gesagt, ein Thermokopf zur Verwendung als eine Aufzeichnungseinheit eines herkömmlichen Thermodruckers vom Dickschichttyp weist im allgemeinen eine grundsätzliche Konstruktion auf, wie sie in Fig. 21 gezeigt ist. Der Thermokopf weist ein Keramiksubstrat 101, das aus Alumina (Al&sub2;O&sub3;) ausgebildet ist, einen Heizwiderstand 102, der auf dem Substrat 101 ausgebildet ist, zum Erzeugen von Wärme auf das Anlegen einer Spannung hin, elektrische Leitungen 103, die mit entsprechendem Enden des Heizwiderstandes 102 in einer entgegengesetzten Beziehung verbunden sind, und eine abnutzungsresistente Schicht 105 zum Schützen des Heizwiderstandes 102 und der elektrischen Leitungen 103 gegen deren Abnutzung, die durch den Kontakt mit dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungspapier 104 verursacht wird, auf.
  • Das wärmeempfindliche Aufzeichnungspapier 104 wird in Druckkontakt mit dem obigen Thermokopf vom Dickschichttyp über ein Vorschubrolle 106 gebracht. Wenn eine Pulsspannung an den Heizwiderstand 102 in diesem Zustand angelegt wird, verursacht ein Farbbildner, der auf das wärmeempfindliche Aufzeichnungspapier 104 beschichtet ist, die chemische Reaktion, so dass eine Farbentwicklungsschicht des Aufzeichnungspapiers in Kontakt mit dem Heizwiderstand 102 eine Farbe in Form von Punkten entwickelt. Durch Wiederholen des Heizens mit der Pulsspannung, während das wärmeempfindliche Aufzeichnungspapier 104 aufeinanderfolgend in der Richtung von Pfeilen bewegt wird, entwickeln entsprechend eine Vielzahl von Punkten eine Farbe zum Aufzeichnen eines Bildes aus Buchstaben, Symbolen oder Figuren, abhängig von einem Feld der mit Farbe entwickelten Punkte.
  • Jedoch ist das keramische Substrat zur Verwendung in dem herkömmlichen Heizer aus Alumina (Al&sub2;O&sub3;) als ein hauptsächliches konstituierendes Material ausgebildet, welches die kleine thermische Leitfähigkeit aufweist und daher ein Problem der schlechten thermischen Antwort mit sich bringt. Insbesondere braucht der Heizer eine lange Verzögerungszeit, bis seine Oberflächentemperatur einen vorbestimmten Wert erreicht, nachdem die Leistungsversorgung des Heizwiderstandes AN-AUS-geschaltet worden ist, und er weist eine Schwierigkeit beim Erzielen einer schnellen Antwort auf.
  • Da das keramische Substrat zur Verwendung in dem herkömmlichen Thermokopf ebenfalls aus Alumina (M2O3) als einem hauptsächlichen konstituierenden Material ausgebildet ist, das die kleine thermische Leitfähigkeit aufweist, ist seine thermische Antwort schlecht und eine lange Wärmeableitungszeit wird für den Kopf zum Abkühlen auf eine Temperatur, die niedriger als die Farbentwicklungstemperatur des wärmeempfindlichen Papiers ist, nachdem er einmal erhitzt worden ist, benötigt. Als ein Ergebnis wird ein Hintergrundschmieren des Aufzeichnungspapiers und ein Nachlaufen von gedruckten Punkten wahrscheinlicher. Dieses bedeutet, dass ein solches keramisches Substrat am ungeeignetsten für Köpfe von Hochgeschwindigkeits-Aufzeichnungsdruckern ist. Um eine kürzliche Nachfrage nach der Beschleunigung des Druckens zu befriedigen, wird ein Thermokopf gewünscht, der ausreichend anpassbar an eine Beschleunigung des Druckens ist und eine schnelle thermische Antwort und ein hohe Zuverlässigkeit liefern kann.
  • Andererseits ist aufgrund der höheren thermischen Leitfähigkeit und des niedrigeren thermischen Expansionskoeffizienten als andere keramische Substrate das Substrat aus Aluminiumnitrid vorherrschend in seiner Verwendung mit Schaltungsteilen und Kapselungen für Halbleiterchips geworden, die sich in der Geschwindigkeit, der Ausgangsleistung, der Funktion und ebenso in der Größe mehr und mehr erhöhen. Jedoch ist das Substrat aus Aluminiumnitrid, das die mechanische Festigkeit, die durch die Biegefestigkeit, die Reißfestigkeit, etc. repräsentiert wird, die für Heizer und Thermoköpfe benötigt wird, in ausreichender Weise befriedigt, bis jetzt nicht erhalten worden. In anderen Worten weist ein solches Substrat ein Problem des möglichen Bruchs aufgrund der thermischen Spannung, die beim Erwärmen verursacht wird, auf. Zusätzlich sind seine Eigenschaften nicht so stabil hinsichtlich der Tendenz zur Reaktion mit Sauerstoff und Feuchtigkeit bei einer hohen Temperatur.
  • Des weiteren können, wenn Heizer und Thermoköpfe, die die obigen keramischen Substrate verwenden, an Montageteilen z. B. durch Befestigungsschrauben befestigt werden, können solche Heizer und Thermoköpfe aufgrund einer leichten Deformation, die durch Druckkräfte verursacht wird, die beim Anziehen der Schrauben ausgeübt werden, oder durch Aufprallkräfte, die während des Druckbetriebes erzeugt werden, zerbrochen werden, was in einer merklichen Reduzierung der Ausbeute der angewandten Produkte resultiert. Darum sollen die Heizer und Thermoköpfe nicht nur eine zufriedenstellende Eigenschaft der mechanischen Festigkeit, die ausreicht, um externe Kräfte auszuhalten, sondern auch eine überlegene Eigenschaft der thermischen Antwort, die ausreicht, damit sie für eine erhöhte Ausgangsleistung und eine Beschleunigung anpassbar sind, aufweisen. Ein solch höherer Funktionsgrad wird insbesondere bei Thermoköpfen zur Verwendung mit wärmeempfindlichen Aufzeichnungsvorrichtungen gefordert, um ein Drucken bei höherer Geschwindigkeit und mit einer größeren Genauigkeit zu erzielen.
  • Daher wird die Entwicklung eines keramischen gesinterten Körpers, der die überlegene mechanische Festigkeit und die hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, in einer Vielzahl von Feldern nachgefragt.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um mit der oben beschriebenen Nachfrage in der Technik umzugehen, und es ist ihre erste Aufgabe, ein Siliziumnitrid-Strukturteil anzugeben, d. h. ein Anwendungsteil, das hochgradig wärmeleitendes Siliziumnitrid verwendet, wie eine Halbleiterkapselung, das die hohe thermische Leitfähigkeit aufweist und bei der Wärmeableitung überlegen ist, zusätzlich zu einer Eigenschaft einer hohen mechanischen Festigkeit, die einem gesinterten Körper aus Siliziumnitrid intrinsisch gegeben ist.
  • Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Heizer, der die hohe thermische Leitfähigkeit aufweist und in der thermischen Antwort überlegen ist, zusätzlich zu der Eigenschaft einer hohen mechanischen Festigkeit, und einen Thermokopf, der ebenfalls die Eigenschaften einer hohen mechanischen Festigkeit und der überlegenen thermischen Antwort aufweist, so dass ein Aufzeichnen durch Drucken bei höheren Geschwindigkeit ermöglicht wird, anzugeben.
  • Um die obigen Aufgaben zu erzielen, wobei die Aufmerksamkeit auf einen gesinterten Körper aus Siliziumnitrid fokussiert war, der die extrem hohe mechanische Festigkeit, die durch die Biegefestigkeit, die Reißfestigkeit, etc. repräsentiert wird, aufweist, haben die Erfinder verschiedene Verfahren des Erhöhens der thermischen Leitfähigkeit des gesinterten Körpers aus Siliziumnitrid ohne das Verschlechtern der inhärenten mechanischen Festigkeit studiert und haben seine Anwendbarkeit auf Substratmaterialien für Halbleiterkapselungen, Heizer und Thermoköpfe untersucht. Anders gesagt, als ein Ergebnis des Studiums verschiedener Arten von Siliziumnitridpulvern, verschiedener Arten und Mengen von Sinterhilfsmitteln und Additiven, verschiedener Sinterbedingungen, etc. beginnend mit dem herkömmlichen gesinterten Körper aus Siliziumnitrid, haben die Erfinder Erfolg bei der Entwicklung eines gesinterten Körpers aus Siliziumnitrid gehabt, der eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die zweimal oder mehr so hoch wie diejenige eines herkömmlichen ist, d. h. nicht weniger als 60 W/(m · K), bevorzugterweise nicht weniger als 80 W/(m · K), und sie haben bestätigt, dass der neue gesinterte Körper aus Siliziumnitrid hochgradig effektiv bei einer Anwendung nicht nur auf Endprodukte wie Hochtemperaturstrukturteile sondern auch für Substrate von Halbleiterkapselungen, Heizern und Thermoköpfen ist.
  • Genauer gesagt, die Erfinder haben herausgefunden, dass ein gesinterter Körper aus Siliziumnitrid, der die thermische Leitfähigkeit aufweist, die zweimal oder mehr so hoch wie diejenige des herkömmlichen ist, d. h. nicht weniger als 60 W/(m · K), bevorzugterweise nicht weniger als 80 W/(m · K), und außerdem die hohe mechanische Festigkeit aufweist, erhalten werden kann durch Hinzufügen von vorbestimmten Mengen eines Elementes der Seltenen Erden und einer Aluminiumkomponente wie Alumina zu feinem und hochgradig reinem Siliziumnitridpulver zum Bereiten einer Materialmischung, Pressen und Entfetten der Mischung in einen Preßling, Erhitzen und Halten des gepressten Preßlings bei einer vorbestimmten Temperatur für eine gewisse Zeit, um dadurch denselben in einen kompakteren Zustand zu sintern, Abkühlen des gesinterten Preßlings nach und nach mit einer Rate, die nicht größer als ein vorbestimmter Wert ist, und Bearbeiten des resultierenden gesinterten Körpers in einem Produkt durch Schneiden und Schleifen, und sie entwickelten einen neuen gesinterten Körper aus Siliziumnitrid, der ausreichend zufriedenstellend in den Eigenschaften der Wärmeableitung als auch der mechanischen Festigkeit war. Es wurde auch herausgefunden, dass der neue gesinterte Körper aus Siliziumnitrid die überlegenen Eigenschaften der Wärmeableitung, der thermischen Antwort und der Haltbarkeit erzielen konnte, wenn er auf Strukturteile wie ein Gleitteil von Kompressoren und korrosionsfeste Hochtemperatur-Teile von Gasturbinen, Substrate und Umhüllungen von Halbleiterkapselungen ebenso wie anderen Teile wie Heizer und Thermoköpfe angewandt würde.
  • Weiter wurde herausgefunden, dass durch Verwenden von hochreinem Siliziumnitridpulver als ein konstituierendes Material des neuen gesinterten Körpers aus Siliziumnitrid, das einen reduzierten Inhalt von Sauerstoff und kationischen Verunreinigungselementen aufweist, und durch Sintern desselben unter vorbestimmten Bedingungen, es möglich war, die Erzeugung einer Glasphase (amorphe Phase) in der Korngrenzenphase wirksam zu unterdrücken, um in der Korngrenzenphase Kristallverbindungen mit nicht weniger als 20 Volumen-%, bevorzugterweise nicht weniger als 50 Volumen-%, bezüglich der gesamten Korngrenzenphase zu erzeugen und ein Strukturteil aus Siliziumnitrid bereitzustellen, das die hohe thermische Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K), bevorzugterweise nicht weniger als 80 W/(m · K), aufweist, selbst wenn nur einiges an Oxid von Elementen der Seltenen Erden zu dem Materialpulver hinzugefügt wurde.
  • Zusätzlich war bei dem herkömmlichen Fall, in dem der gesinterte Körper nach dem Ende des Sinterbetriebes mit einem Abschalten der Heizleistungszufuhr für den Backofen abgekühlt wurde, die Kühlrate mit 400 bis 800ºC pro Stunde schnell. Im Gegensatz dazu wurde aus Experimenten, die durch die Erfinder gemacht wurden, herausgefunden, dass durch Steuern der Kühlrate, insbesondere derart, dass sie langsam und nicht höher als 100 ºC pro Stunde ist, die Korngrenzenphase in der Struktur des gesinterten Körpers aus Siliziumnitrid so gefördert wurde, dass sie sich von dem amorphen Zustand in den Zustand ändert, der ein Kristallphase enthält, was es ermöglicht, sowohl die Eigenschaften einer hohen mechanischen Festigkeit als auch einer hohen thermischen Leitfähigkeit zur selben Zeit zu erzielen. Insbesondere wurde herausgefunden, dass der neue gesinterte Körper aus Siliziumnitrid überlegene Eigenschaften der Haltbarkeit und der thermischen Antwort liefert, wenn er als ein Substrat von Heizern und Thermoköpfen verwendet wird.
  • Die vorliegende Erfindung ist geleistet worden auf der Basis der obigen Erkenntnisse. Genauer gesagt, ein hochgradig wärmeleitendes Siliziumnitrid-Strukturteil entsprechend der vorliegenden Erfindung enthält ein Element der Seltenen Erden in einem Bereich von 1,0 bis 7,5 Gewichts-%, gerechnet als Oxid desselben, und Li, Na, K, Fe, Ca, Mg, Sr, Ba, Mn und B als kationische Verunreinigungselemente in einer Gesamtmenge von nicht mehr als 0,3 Gewichts-% und weist die thermische Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K), bevorzugterweise nicht weniger als 80 W/(m · K), auf:
  • In anderer Form besteht das hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid-Strukturteil aus Siliziumnitridpartikeln und einer Korngrenzenphase, wobei eine Kristallverbindungsphase in der Korngrenzenphase nicht weniger als 20 Volumen-%, bevorzugterweise nicht weniger als 50 Volumen-%, bezüglich der gesamten Korngrenzenphase beträgt, und es weist die thermische Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K), bevorzugterweise nicht weniger als 80 W/(m · K), auf.
  • Wenn das obige hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid-Strukturteil auf Gleitteile wie Schieber, Rollen, Zylinder und Lager von Drehkompressoren, korrosionsbeständige Hochtemperatur-Teile wie Zylinder und Kolbenköpfe von Automobilmaschinen, Umhüllungen von übertragenden und empfangenden Röhren, innere und äußere Laufringe und Lagerkugeln von Lagern ebenso wie formende Rollen angewandt wird, können Strukturteile, die in verschiedenen Eigenschaften wie der Abnutzungswiderstandsfähigkeit, leichtem Gewicht und Korrosionswiderstandsfähigkeit zufriedenstellend sind, während zufriedenstellende Eigenschaften der Wärmeableitung und Festigkeit geliefert werden, erhalten werden.
  • Des weiteren weist eine Halbleiterkapselung entsprechend der vorliegenden Erfindung ein keramisches Substrat, auf dem ein Halbleiterchip montiert wird, Zuleitungsrahmen, die mit derselben Oberfläche des keramischen Substrates auf der der Halbleiterchip montiert ist, verbunden sind, und Bonddrähte zum elektrischen Verbinden des Halbleiterchips und der Zuleitungsrahmen auf, wobei das keramische Substrat aus einem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper ausgebildet ist, der ein Element der Seltenen Erden in dem Bereich von 1,0 bis 7,5 Gewichts-%, gerechnet als Oxid desselben, und Li, Na, K, Fe, Ca, Mg, Sr, Ba, Mn und B als kationische Verunreinigungselemente in einer Gesamtmenge von nicht mehr als 0,3 Gewichts-% enthält und die thermische Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K), bevorzugter Weise nicht weniger als 80 W/(m · K), aufweist.
  • Eine Halbleiterkapselung einer anderer Form weist ein keramisches Substrat, auf dem ein Halbleiterchip montiert ist, Zuleitungsrahmen, die mit derselben Oberfläche des keramischen Substrates, auf der der Halbleiterchip montiert ist, verbunden sind, und Bonddrähte zum elektrischen Verbinden des Halbleiterchips und der Zuleitungsrahmen auf, wobei das keramische Substrat aus einem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid- Sinterkörper ausgebildet ist, der aus Siliziumnitridpartikeln und einer Korngrenzenphase besteht, wobei eine Kristallverbindungsphase in der Korngrenzenphase nicht weniger als 20 Volumen-%, bevorzugter Weise nicht weniger als 50 Volumen-%, bezüglich der gesamten Korngrenzenphase beträgt, und es weist die thermische Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K), bevorzugterweise nicht weniger als 80 W/(m · K), auf.
  • Der hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid-Sinterkörper wird, beispielsweise, wie folgt hergestellt. Eine Materialmischung wird vorbereitet durch Hinzufügen eines Elementes der Seltenen Erden mit 1,0 bis 7,5 Gewichts-%, gerechnet als Oxid desselben, zu Siliziumnitridpulver, das Sauerstoff mit nicht mehr als 1,7 Gewichts %, Li, Na, K, Fe, Ca, Mg, Sr, Ba, Mn und B als kationische Verunreinigungselemente mit nicht mehr als 0,3 Gewichts % insgesamt und α-Phasen-Siliziumnitrid mit nicht weniger als 90 Gewichts-% enthält und das eine mittlere Pulvergröße (einen Durchschnittsdurchmesser) von nicht mehr als 0,8 um aufweist. Die Materialmischung wird in einem Preßling zum Beispiel durch das Abstreifmesserverfahren gepresst. Der resultierende gepresste Preßling wird, nach einer Entfettung, in einer Atmosphäre unter Druck bei einer Temperatur von 1800 bis 2000ºC gesintert. Der gesinterte Körper wird dann mit einer Kühlrate von nicht mehr als 100ºC pro Stunde von der obigen Sintertemperatur zu der Temperatur, bei der die flüssige Phase, die durch das Element der Seltenen Erden während des Sinterns gebildet wird, sich verfestigt, abgekühlt. Der gekühlte gesinterte Körper wird in ein Produkt durch Schneiden und Schleifen bearbeitet.
  • Bei dem obigen Herstellungsverfahren kann der Materialmischung mindestens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Oxiden, Karbiden, Nitriden, Siliziden und Boriden von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W besteht, im Bereich von 0,2 bis 3,0 Gewichts-% und, so wie es benötigt wird, mindestens Alumina oder Aluminiumnitrid im Bereich von 0,1 bis 2,0 Gewichts % hinzugefügt werden.
  • Mit dem obigen Herstellungsverfahren wird eine Korngrenzenphase, die das Element der Seltenen Erden, etc. enthält, in der Kristallstruktur von Silikatnitrid ausgebildet und ein gesinterter Körper aus Siliziumnitrid, der überlegene Eigenschaften der mechanischen Festigkeit und der thermischen Leitfähigkeit aufweist, d. h. der Porösität von nicht mehr als 1,5%, einer thermischen Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m·K), bevorzugterweise nicht weniger als 80 W/(m · K), und eine Drei-Punkt-Biegefestigkeit von nicht weniger als 80 kg/mm² bei Raumtemperatur.
  • Als das Siliziumnitridpulver, das ein Hauptmaterial des gesinterten Körpers aus Siliziumnitrid entsprechend der vorliegenden Erfindung ist, wird ein feines Pulver aus Siliziumnitrid verwendet, das Sauerstoff mit nicht mehr als 1,7 Gewichts-%, bevorzugterweise in dem Bereich von 0,5 bis 1,5 Gewichts-%, Li, Na, K, Fe, Ca, Mg, Sr, Ba, Mn und B als kationische Verunreinigungselemente mit nicht mehr als insgesamt 0,3 Gewichts %, bevorzugterweise nicht mehr als 0,2 Gewichts-%, und ein α-Phasen- Siliziumnitrid, das in den Sintereigenschaften überlegen ist, mit nicht weniger als 90 Gewichts %, bevorzugterweise nicht weniger als 93 Gewichts %, enthält und das eine Pulvergröße von nicht mehr als 0,8 um, bevorzugterweise im Bereich von 0,4 bis 0,6 um aufweist, wobei die gewünschten Eigenschaften des Sinterns, der mechanischen Festigkeit und der thermischen Leitfähigkeit berücksichtigt werden.
  • Durch Verwenden des feinen Materialpulvers mit einer mittleren Pulvergröße von nicht mehr als 0,8 um, kann ein kompakter gesinterter Körper, der die Porösität von nicht mehr als 1,5% aufweist, selbst mit der kleinen Menge von Sinterhilfsmittel ausgebildet werden. Außerdem wird das Risiko, dass das Sinterhilfsmittel eine gewünschte Eigenschaft der thermischen Leitfähigkeit beeinträchtigt, reduziert.
  • Da Li, Na, K, Fe, Ca, Mg, Sr, Ba, Mn und B als kationische Verunreinigungselemente dienen, d. h. als Substanzen zum Beeinträchtigen der thermischen Leitfähigkeit, ist der Gesamtinhalt der kationischen Verunreinigungselemente so eingestellt, dass er nicht mehr als 0,3 Gewichts-% insgesamt beträgt, um die thermische Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K) sicherzustellen. Insbesondere kann durch Verwenden des Materialpulvers aus Siliziumnitrid, das α-Phasen-Siliziumnitrid nicht weniger als 90 Gewichts % enthält, welches beim Sintern dem β-Phasen-Siliziumnitrid überlegen ist, ein hochdichtes Strukturteil hergestellt werden.
  • Das Materialpulver aus Siliziumnitrid kann ein Element der Seltenen Erden, das als ein Sinterhilfsmittel hinzuzufügen ist, enthalten, welches ein Element oder eine Kombination von zwei oder mehr Elementen ist, die aus Oxiden von Y, La, Sc, Pr, Ce, Nd, Dy, Ho, Gd, etc. oder aus Substanzen, die sich durch einen Sinterprozess in diese Oxide umwandeln, ausgewählt ist. Unter diesen ist Yttriumoxid (Y&sub2;O&sub3;) besonders zu bevorzugen. Das Sinterhilfsmittel fungiert als ein Sinterbeschleuniger, der mit dem Materialpulver aus Siliziumnitrid zum Erzeugen einer flüssigen Phase reagiert.
  • In einem Fall, in dem das Sinterhilfsmittel Y&sub2;O&sub3; ist, kann die Menge des hinzugefügten Sinterhilfsmittels so eingestellt werden, dass sie im Bereich von 1,0 bis 7,5 Gewichts-%, berechnet als Oxid desselben, bezüglich des Materialpulvers ist. Falls die Menge des Sinterhilfsmittels zu klein ist, d. h. weniger als 1,0 Gewichts-%, würde der gesinterte Körper nicht ausreichend kompakt gemacht werden. Falls sie andererseits zu groß ist, d. h. größer als 7,5 Gewichts-%, würde die Korngrenzenphase in einem Übermaß produziert werden, was eine Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit und der mechanischen Festigkeit verursacht. Optimal ist die Menge des Sinterhilfsmittels in dem Bereich von 3,0 bis 6,0 Gewichts-% eingestellt.
  • Des weiteren dient Alumina (Al&sub2;O&sub3;) als optionale Zusatzkomponente zum Fördern der Funktion des Elementes der Seltenen Erden als ein Sinterhilfsmittel und ist bemerkenswert wirksam insbesondere während des Sinterprozesses unter Druck. Falls die Menge von Al&sub2;O&sub3;, die hinzugefügt wird, weniger als 0,1 Gewichts % ist, würde der gesinterte Körper nicht ausreichend kompakt gemacht werden. Falls er andererseits zu groß ist, d. h. größer als 2,0 Gewichts %, würde die Korngrenzenphase in einem übermäßigen Maß erzeugt werden, oder Alumina würde beginnen, sich in eine Feststofflösung in dem Siliziumnitrid zu wandeln, was eine Reduzierung in der thermischen Leitfähigkeit verursacht. Darum wird die Menge von Al&sub2;O&sub3;, die hinzugefügt wird, auf nicht mehr als 2,0 Gewichts-%, bevorzugterweise in dem Bereich von 0,1 bis 2,0 Gewichts-%, eingestellt. Um zufriedenstellende Eigenschaften von sowohl der mechanischen Festigkeit als auch der thermischen Leitfähigkeit sicherzustellen, ist es wünschenswert, die Menge von Al&sub2;O&sub3;, die hinzugefügt wird, in dem Bereich von 0,2 bis 1,5 Gewichts-% einzustellen.
  • Wenn Alumina in Kombination mit Aluminiumnitrid (AlN) verwendet wird, wie es unten beschrieben wird, ist es wünschenswert, die Gesamtmenge von Alumina und AlN auf nicht mehr als 2,0 Gewichts % einzustellen.
  • Aluminiumnitrid (AIN) als eine andere optionale Zusatzkomponente dient nicht nur zum Unterdrücken einer Verdampfung von Siliziumnitrid in dem Sinterprozess, sondern auch zur weiteren Förderung der Funktion des Elementes der Seltenen Erden als ein Sinterhilfsmittel.
  • Oxide, Karbide, Nitride, Silizide und Boride von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W, die als andere optionale Zusatzkomponenten verwendet werden, dienen zum Fördern der Funktion des Elementes der Seltenen Erden als ein Sinterhilfsmittel und außerdem zum Erweitern der Dispersion und Festigkeit in der Kristallstruktur, wodurch die mechanische Festigkeit des gesinterten Körpers aus Si&sub3;N&sub4; erhöht wird. Falls die Menge dieser Verbindungen, die hinzugefügt wird, geringer als 0,2 Gewichts-% ist, würden die obigen Wirkungen nicht genügen, aber falls sie zu groß ist, d. h. größer als 3,0 Gewichts-%, würden die thermische Leitfähigkeit, die mechanische Festigkeit und die elektrische Durchbruchsfestigkeit reduziert werden. Darum ist die Menge dieser Verbindungen, die hinzugefügt wird, bevorzugterweise in dem Bereich von 0,2 bis 3,0 Gewichts-%, noch bevorzugter in dem Bereich von 0,3 bis 2,0 Gewichts-%, eingestellt.
  • Die obigen Verbindungen von Ti, Zr, Hf, etc. dienen weiter als ein Lichtabschirmmittel, um den gesinterten Körper aus Siliziumnitrid farbig und lichtundurchlässig zu machen. Darum ist es, insbesondere wenn der gesinterte Körper aus Siliziumnitrid verwendet wird zum Herstellen von Substraten und Umhüllungen für Schaltungsplatinen und Halbleiterverkapselungen, auf denen integrierte Schaltungen, etc. montiert werden, die sehr anfällig für eine Fehlfunktion mit Licht sind, wünschenswert eine geeignete Menge der obigen Verbindungen hinzuzufügen, so dass der gesinterte Körper aus Siliziumnitrid das Licht genügend abschirmen kann.
  • Aluminiumnitrid (AlN) dient zum Unterdrücken der Verdampfung von Siliziumnitrid in dem Sinterprozess, zum Fördern der Funktion des Sinterhilfsmittels und zur relativen Reduzierung der Menge von Oxiden, etc. von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W, die hinzuzufügen sind, ebenso wie mit Alumina. Die Menge der Aluminiumverbindungen wie Alumina und Aluminiumnitrid, die hinzugefügt wird, steht in enger Beziehung zu der Menge von Oxiden, etc. von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und W, die hinzugefügt wird. Genauergesagt, falls die Menge der Ti-Verbindung, etc., die hinzugefügt wird, geringer als 0,2 Gewichts-% ist, und die Aluminiumverbindungen wie Al&sub2;O&sub3; und AlN alleine oder zusammen in einer Menge von weniger als 0,1 Gewichts % hinzugefügt werden, würde der gesinterte Körper nicht ausreichend kompakt gemacht werden. Falls andererseits die Menge von Aluminiumverbindungen, die hinzugefügt wird, zu groß ist, d. h. größer als 2,0 Gewichts %, würde die Korngrenzenphase in einem Übermaß erzeugt werden oder die Aluminiumverbindungen würden beginnen, sich in eine feste Lösung in dem Siliziumnitrid umzuwandeln, was eine Reduzierung in der thermischen Leitfähigkeit verursacht. Darum ist die Menge von Aluminiumverbindungen, die hinzugefügt wird, bevorzugterweise in dem Bereich von 0,1 bis 2,0 Gewichts-% eingestellt. Um zufriedenstellende Eigenschaften von sowohl der mechanischen Festigkeit als auch der thermischen Leitfähigkeit sicherzustellen, ist es wünschenswert, die Menge der Aluminiumverbindungen, die hinzugefügt wird, in dem Bereich von 0,2 bis 1,5 Gewichts-% einzustellen.
  • Die Porösität des gesinterten Körpers beeinträchtigt bemerkenswert die thermische Leitfähigkeit und die mechanische Festigkeit, und sie wird auf nicht mehr als 1,5%, bevorzugterweise nicht mehr als 0,5%, eingestellt. Falls die Porösität 1,5% überschreitet, würde die Anwesenheit der Poren die thermische Leitung zur Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit des gesinterten Körpers beeinträchtigen und sie würde außerdem eine Reduzierung in der mechanischen Festigkeit des gesinterten Körpers verursachen.
  • Da die Korngrenzenphase, die in der Kristallstruktur des gesinterten Körpers aus Siliziumnitrid ausgebildet wird, die thermische Leitfähigkeit des gesinterten Körpers bemerkenswert beeinträchtigt, ist es in dem gesinterten Körper aus Siliziumnitrid entsprechend der vorliegenden Erfindung wichtig, dass sich eine Kristallphase auf nicht weniger als 20 Volumen-%, bevorzugterweise nicht weniger als 50%, in der Korngrenzenphase summiert. Falls die Kristallphase weniger als 20 Volumen-% ist, würde kein gesinterter Körper erhalten, der überlegen nicht nur in der Wärmeableitung mit der thermischen Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K), sondern auch in der mechanischen Festigkeit ist. Bevorzugterweise ist die Kristallphase nicht weniger als 50 Volumen-%.
  • Der obige gesinterte Körper aus Siliziumnitrid, bei dem die Porösität nicht größer als 1,5% ist und die Kristallphase sich auf nicht weniger als 20 Volumen-%, bevorzugterweise nicht weniger als 50 Volumen-%, in der Korngrenzenphase, ausgebildet in der Kristallstruktur von Siliziumnitrid, summiert, kann durch Sintern eines gepressten Preßlings aus Siliziumnitrid unter Druck bei einer Temperatur von 1800 bis 2000ºC für ungefähr 5 bis 10 Stunden und dem Steuern einer Abkühlungsrate des gesinterten Körpers derart, dass sie nicht größer als 100ºC pro Stunde, direkt nach dem Sinterprozess, ist, hergestellt werden.
  • Falls die Sintertemperatur auf weniger als 1800ºC eingestellt ist, würde das Strukturteil nicht ausreichend kompakt gemacht und die Porösität würde nicht weniger als 1,5% sein, wodurch die mechanische Festigkeit und die thermische Leitfähigkeit beide reduziert würden. Falls andererseits die Sintertemperatur 2000ºC überschreitet, würde die Siliziumnitrid-Komponente in sich selbst mehr dazu neigen, sich zu zersetzen und zu verdampfen. Falls der Preßling bei normalem Druck anstelle unter Druck gesintert wird, würde das Silizium bei einer Temperatur von ungefähr 1800ºC beginnen, sich zu zersetzen und zu verdampfen. Aus diesem Grund wird der Preßling wünschenswerterweise unter Druck gesintert.
  • Die Abkühlungsrate des gesinterten Körpers aus Siliziumnitrid direkt nach dem Sinterprozess ist ein wichtiger Steuerfaktor für das Kristallisieren der Korngrenzenphase. Falls der gesinterte Körper zu schnell bei der Abkühlungsrate über 100ºC pro Stunde abgekühlt wird, würde die Korngrenzenphase in der Struktur des gesinterten Körpers sich in eine amorphe Phase (Glasphase) wandeln, und das Volumenverhältnis, bei dem die flüssige Phase, die in dem gesinterten Körper erzeugt wird, als eine Kristallphase in der Korngrenzenphase vorhanden ist, würde weniger als 20% werden, was in einer Reduzierung von sowohl der mechanischen Festigkeit als auch der thermischen Leitfähigkeit resultiert.
  • Der Temperaturbereich, bei dem die Abkühlungsrate strikt einzuhalten ist, kann definiert werden mit einer Freigabe als ein Bereich von der vorbestimmten Sintertemperatur von 1800 bis 2000ºC bis zu der Temperatur, bei der die flüssige Phase, die durch die Reaktion des Sinterhilfsmittels erzeugt wird, verfestigt ist. Nebenbei gesagt, der Verfestigungspunkt der flüssigen Phase liegt ungefähr bei 1600 bis 1800ºC, wenn das oben erwähnte Sinterhilfsmittel verwendet wird. Durch Steuern der Abkühlungsrate des gesinterten Körpers mindestens in dem Bereich von der Sintertemperatur bis zu der Verfestigungstemperatur der flüssigen Phase derart, daß sie nicht größer als 100ºC pro Stunde ist, bevorzugterweise nicht größer als 50ºC pro Stunde, wird letztendlich ein hochgradig thermisch leitfähiger gesinterter Körper aus Siliziumnitrid erhalten, der die Kristallphase von nicht weniger als 20 Volumen-%, bevorzugterweise nicht weniger als 50 Volumen-%, in der Korngrenzenphase aufweist und der sowohl in der thermischen Leitfähigkeit als auch der mechanischen Festigkeit überlegen ist.
  • Der gesinterte Körper aus Siliziumnitrid entsprechend der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise durch den folgenden Prozess hergestellt. Eine Materialmischung wird bereitet durch Hinzufügen von vorbestimmten Mengen von Additiven wie einem Sinterhilfsmittel und einem organischen Bindemittel und anderer Verbindungen wie Al&sub2;O&sub3;, AlN oder Ti, Zr, Hf etc., falls notwendig, zu feinem Siliziumnitridpulver, das die vorbestimmte Pulvergröße, die oben beschrieben wurde, aufweist und Verunreinigungen in einer kleinen Menge enthält. Die Materialmischung wird dann in einen Preßling mit einer gewünschten Gestalt gepresst. Die Materialmischung kann durch das weithin verwendete Formenpressverfahren oder das Schichtkompaktierungsverfahren, z. B. das Abstreichklingenverfahren, kompakt gemacht werden. Nach dem Kompaktierungsschritt wird der resultierende gepresste Preßling vorläufig in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 600 bis 800ºC für 1 bis 2 Stunden erwärmt, um die hinzugefügte organische Bindemittelkomponente zum Entfetten ausreichend zu entfernen. Der entfettete Preßling wird dann in einer Atmosphäre aus Inertgas, wie einem Stickstoffgas, einem Wasserstoffgas oder einem Argongas, unter Druck bei einer Temperatur von 1800 bis 2000ºC für einen vorbestimmten Zeitraum gesintert. Nach dem Abkühlen wird der gesinterte Körper durch Schneiden und Schleifen zum Erhalten des gesinterten Körpers aus Siliziumnitrid mit einer gewünschten Gestalt bearbeitet.
  • Der gesinterte Körper aus Siliziumnitrid, der entsprechend des obigen Verfahrens hergestellt worden ist, weist die Porösität von nicht mehr als 1, 5%, die thermische Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K) (bei 25ºC) und überlegene mechanische Eigenschaften bezüglich der Drei-Punkt-Biegefestigkeit von nicht weniger als 80 kg/mm² bei Raumtemperatur auf.
  • Der Heizer entsprechend der vorliegenden Erfindung weist das Merkmal auf, dass ein Heizwiderstand und eine Isolierschicht, wie sie benötigt werden, in einer einheitlichen Struktur über einem hochgradig wärmeleitfähigen Siliziumnitridsubstrat, das wie oben hergestellt worden ist, das die thermische Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K), bevorzugterweise nicht weniger als 80 W/(m · K) aufweist, ausgebildet sind.
  • Der Heizwiderstand ist bevorzugterweise aus mindestens einem Element oder einer Verbindung ausgebildet, das/die ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo, W, NiCr, Nesa-Film, Ta - Si, Ta&sub2;N, Ta - SiO&sub2; und Nb - SiO&sub2;.
  • Der Heizwiderstand, der eine Legierung aus einem hochschmelzenden Metall (Wolfram oder Molybdän) als einen Hauptbestandteil enthält, ist in der Haftung an dem Siliziumnitridsubstrat überlegen und kann einen hochgradig haltbaren Heizer liefern. Insbesondere der Heizwiderstand, der aus einer Wolfram-Platin-Legierung gemacht ist, ist in der Oxidationswiderstandsfähigkeit überlegen und kann einen langlebigen Heizer liefern. Der Heizwiderstand kann durch einen Metalisierungsprozess ausgebildet werden.
  • Des weiteren kann der Heizer durch Ausbilden einer Isolierschicht auf dem Siliziumnitridsubstrat (Strukturteil) derart, dass der Heizwiderstand bedeckt wird, konstruiert werden. Die Anwesenheit der Isolierschicht macht es möglich, den leitenden Heizwiderstand effektiv an einem elektrischen Kontakt (Kurzschluss) mit irgendeinem der Komponententeile in der Umgebung und an einer Fehlfunktion zu hindern. Weithin verwendetes Alumina, Mullit, Si&sub3;N&sub4;, etc. können als Materialien der Isolierschicht verwendet werden. Insbesondere durch Verwenden desselben Materials wie desjenigen des Siliziumnitridsubstrates zur Ausbildung der Isolierschicht ist es möglich, die Isolierschicht und das Siliziumnitridsubstrat mit demselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten auszubilden, um beide Teile am Abschälen voneinander aufgrund des Unterschiedes in der thermischen Ausdehnung zu hindern, und daher einen hochgradig dauerhaften Heizer herzustellen.
  • Das Siliziumnitridsubstrat, der Heizwiderstand und die Isolierschicht des Heizers können in einer einheitlichen Struktur durch gleichzeitiges Backen (Co-Feuerungsprozess) ausgebildet werden. In diesem Fall wird eine homogene Materialmischung durch Hinzufügen eines Sinterhilfsmittels, eines organischen Bindemittels, eines Lösemittels, etc. zu feinem Siliziumnitridpulver, das Sauerstoff und Verunreinigungen in kleinen Mengen enthält, die nicht größer als die vorbestimmten Werte sind, bereitet. Die resultierende Mischung wird in eine blattartige Gestalt durch das Abstreifklingenverfahren, zum Beispiel, zur Ausbildung einer Grunlingsschicht injiziert. Ein Verdrahtungsmuster wird auf die resultierende Grunlingsschicht durch z. B. Siebdruck unter Verwendung einer Leiterpaste (Heizwiderstand), die Wolfram- oder Molybdänpulver als einen Hauptbestandteil enthält, um dadurch einen Heizwiderstand auszubilden, gedruckt.
  • Dann wird eine Isolierpaste, die einen Isolator, z. B. Alumina, Mullit oder Si&sub3;N&sub4; als einen Hauptbestandteil enthält, durch Siebdruck über die gesamte Substratoberfläche in einer solchen Weise gedruckt, dass sie den Heizwiderstand überlagert, wodurch eine Isolierschicht ausgebildet wird. Durchgangslöcher für Zuleitungen an beiden Enden des Heizwiderstandes zu der Außenseite der Isolierschicht werden in der Isolierschicht ausgebildet und mit der Leiterpaste zur Ausbildung von Anschlussflächen gefüllt. Das resultierende Heizer-Laminat wird entfettet und zusammengebacken (co-gefeuert) in einer Inert-Atmosphäre aus N&sub2;-Gas, wodurch ein Heizer mit einer gewünschten Gestalt erhalten wird. Durch das derartige Ausformen des Siliziumnitridsubstrates, des Heizwiderstandes und der Isolierschicht durch gleichzeitiges Sintern kann die Haftung zwischen den benachbarten Teilen erhöht und insbesondere der elektrische Widerstand des Heizwiderstandes effektiv an einer Änderung mit der Zeit gehindert werden.
  • Der Thermokopf entsprechend der vorliegenden Erfindung weist das Merkmal auf, dass ein Heizwiderstand und eine abnutzungsbeständige Schicht in einer einheitlichen Struktur über der Oberfläche eines hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörpers, der ein Element der Seltenen Erde in dem Bereich von 1,0 bis 7,5 Gewichts-%, berechnet als Oxid desselben, und Li, Na, K, Fe, Ca, Mg, Sr, Ba, Mn und B als kationische Verunreinigungselemente in einer Gesamtmenge von nicht mehr als 0,3 Gewichts-% enthält und die thermische Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K), bevorzugterweise nicht weniger als 80 W/(m · K) aufweist, ausgebildet.
  • Als eine andere Form des Thermokopfes können ein Heizwiderstand und eine abnutzungsbeständige Schicht in einer einheitlichen Struktur über der Oberfläche eines hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörpers ausgebildet werden, der aus Siliziumnitridpartikeln und einer Korngrenzenphase besteht, wobei eine Kristallverbindungsphase in der Korngrenzenphase nicht weniger als 20 Volumen-%, bevorzugterweise nicht weniger als 50 Volumen-%, bezüglich der gesamten Korngrenzenphase beträgt, und der die thermische Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K), bevorzugterweise nicht weniger als 80 W/(m · K) aufweist.
  • In anderen Worten, der Thermokopf der vorliegenden Erfindung wird hergestellt durch Ausbilden eines Heizwiderstandes und einer abnutzungsbeständigen Schicht in einer einheitlichen Struktur auf dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper, der wie oben beschrieben erhalten worden ist. Der Heizwiderstand erzeugt Wärme beim Anlegen einer Pulsspannung, was ein wärmeempfindliches Aufzeichnungspapier zum Entwickeln einer Farbe in der Form von Punkten bringt. Der Heizwiderstand kann durch Bereiten eines Materials, z. B. Ta&sub2;N, NiCr-Legierung, Nesa-Film, Ta - SiO&sub2; oder Ta - Si, in eine Paste und dann durch Beschichten der Paste durch die Schichtausbildungstechnik wie ein Siebdrucken ausgebildet werden.
  • Der Heizer und der Thermokopf, die wie oben beschrieben konstruiert sind, können nicht nur eine überlegene thermische Antwort für einen AN-AUS-Betrieb der an den Heizwiderstand angelegten Spannung sondern auch eine überlegene Dauerhaftigkeit liefern, da das keramische Substrat, das die Eigenschaften der mechanischen Festigkeit und der thermischen Antwort der Produkte bestimmt, aus dem neuen, hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper ausgebildet ist, der die thermische Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K), bevorzugterweise nicht weniger als 80 W/(m · K), zusätzlich zu der hohen mechanischen Festigkeit aufweist, die einem gesinterten Körper aus Siliziumnitrid inhärent gegeben ist. In dem Thermokopf ist, da der hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid-Sinterkörper verwendet wird, der die thermische Leitfähigkeit von mindestens 2 bis 5-mal derjenigen von herkömmlich verwendetem Alumina aufweist, die Abfallzeit zum Abkühlen auf eine vorbestimmte Temperatur, die für den Heizwiderstand benötigt wird, der einmal auf die Drucktemperatur erhitzt worden ist, bemerkenswert reduziert. Darum ist die Widerholungsperiode (Pulszyklus) des Druckens, die gegeben ist durch die Summe der Anstiegszeit (Aufheizzeit) und der Abfallzeit (Wärmeableitungszeit) der Heizwiderstandstemperatur, in einem großen Ausmaß verkürzt. Als ein Ergebnis kann die thermische Antwort des Thermokopfes stark verbessert werden und die Aufzeichnungsgeschwindigkeit kann stark erhöht werden.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die die Konstruktion einer Ausführungsform einer Halbleiterkapselung entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die die Konstruktion einer anderen Ausführungsform der Halbleiterkapselung entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die die Konstruktion einer abermals weiteren Ausführungsform der Halbleiterkapselung entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt. (Keine Fig. 4 und 5 sind vorhanden.)
  • Fig. 6 ist eine vertikale Schnittansicht eines Drehkompressors, bei dem ein hochgradig wärmeleitendes Siliziumnitrid-Strukturteil entsprechend der vorliegenden Erfindung als ein Gleitteil verwendet wird.
  • Fig. 7 ist eine horizontale Schnittansicht des Drehkompressors, der in Fig. 6 gezeigt ist.
  • Fig. 8 ist eine Schnittansicht, die die Konstruktion einer Dieselmaschine zeigt, bei der das hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid-Strukturteil entsprechend der vorliegenden Erfindung als ein korrosionsbeständiges Hochtemperatur-Teil und ein Gleitteil verwendet wird.
  • Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer bewegbaren Schaufel einer Gasturbine, die aus dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Strukturteil entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
  • Fig. 10 ist eine Schnittansicht, die die Struktur einer Hochfrequenz-Empfangsröhre zeigt, die mit einer keramischen Umhüllung versehen ist, die aus dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Strukturteil entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
  • Fig. 11 ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur Herstellung von geschweißten Röhren mit Formrollen, die jeweils aus dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Strukturteil entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind.
  • Fig. 12 ist eine Draufsicht, die die Konstruktion einer Ausführungsform eines Heizers entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 13 ist eine Schnittansicht des Heizers, der in Fig. 12 gezeigt ist.
  • Fig. 14 ist eine Schnittansicht, die eine andere Ausführungsform des Heizers entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 15 ist eine Schnittansicht, die eine abermals weitere Ausführungsform des Heizers entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 16 ist eine Schnittansicht, die eine abermals weitere Ausführungsform des Heizers entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 17 ist ein Graph, der zeitabhängige Änderungen in der Oberflächentemperatur der Heizer der Beispiele und der Vergleichsbeispiele zeigt.
  • Fig. 18 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform eines Thermokopfes vom Dickschichttyp entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Fig. 19 ist ein Graph, der eine thermische Antwortcharakteristik des Thermokopfes vom Dickschichttyp entsprechend der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit dem Stand der Technik zeigt.
  • Fig. 20 ist eine Draufsicht, die eine beispielhafte Gestalt eines Heizwiderstandes zeigt.
  • Fig. 21 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel der Konstruktion eines herkömmlichen Thermokopfes vom Dickschichttyp zeigt.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben.
    • Beispiele 1-3
  • Eine Materialpulvermischung wurde bereitet durch Hinzufügen von 5 Gewichts-% Y&sub2;O&sub3;- Pulver (Yttriumoxid) mit einer mittleren Pulvergröße von 0,7 um und 1,5 Gewichts % Al&sub2;O&sub3;-Pulver (Alumina) mit einer mittleren Pulvergröße von 0,5 um, als einem Sinterhilfsmittel, zu Siliziumnitridmaterialpulver, das Sauerstoff mit 1,7 Gewichts %, kationische Verunreinigungselemente von 0,15 Gewichts % und α-Phasen-Siliziumnitrid mit 97 Gewichts % enthält und eine mittlere Pulvergröße von 0,55 um aufweist, durch Nassmischen der Materialien in Ethylalkohol für 24 Stunden und durch Trocknen der Mischung. Nach dem Hinzufügen einer vorbestimmten Menge von organischem Bindemittel zu der Materialpulvermischung und homogenes Mischen derselben, wurde die Mischung unter einem Kompaktierungsdruck von 1000 kg/cm² in eine Anzahl von Preßlingen gepresst, die jeweils 50 mm lang · 50 mm breit · 5 mm dick waren. Nach dem Entfetten der resultierenden gepressten Preßlinge bei 700ºC für 2 Stunden wurden die entfetteten Preßlinge weiter kompakter gemacht und durch Halten derselben in einer Stickstoffgasatmosphäre unter 7,5 atm. bei 1900ºC für 6 Stunden gesintert. Danach wurden die gesinterten Körper bei unterschiedlichen Abkühlungsraten von 100ºC/hr (Beispiel 1), 50ºC/hr (Beispiel 2) und 25ºC/hr (Beispiel 3) abgekühlt bis die Temperatur in einem Sinterofen auf 1500ºC reduziert war, durch Steuern der Leistungsmenge, die einer Heizeinheit geliefert wurde, die mit dem Sinterofen verbunden ist. Die gekühlten gesinterten Körper wurden dann zum Herstellen entsprechender Siliziumnitrid-Sinterkörper der Beispiele 1 bis 3 geschliffen.
    • Vergleichsbeispiele 1
  • Ein Siliziumnitrid-Sinterkörper des Vergleichsbeispiels 1 wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, ausgenommen dass der gesinterte Körper bei einer Abkühlungsrate (ungefähr 500ºC/hr) wie herkömmlich durch Abschalten der Leistungsversorgung der Heizeinheit direkt nach dem Vervollständigen des Kompaktierens und des Sinterns abgekühlt wurde.
    • Vergleichsbeispiele 2
  • Ein Siliziumnitrid-Sinterkörper des Vergleichsbeispiels 2 wurde hergestellt unter denselben Bedingungen wie bei Beispiel 1, ausgenommen dass ein Siliziumnitridmaterialpulver verwendet wurde, das Sauerstoff mit 1,5 Gewichts-%, kationische Verunreinigungselemente mit 0,6 Gewichts-% und α-Phasen-Siliziumnitrid mit 93 Gewichts % enthielt und eine mittlere Pulvergröße von 0,60 um aufwies.
    • Vergleichsbeispiele 3
  • Ein Siliziumnitrid-Sinterkörper des Vergleichsbeispiels 3 wurde hergestellt unter denselben Bedingungen wie bei Beispiel 1, ausgenommen dass ein Siliziumnitridmaterialpulver verwendet wurde, das Sauerstoff mit 1,7 Gewichts-%, kationische Verunreinigungselemente mit 0,7 Gewichts-% und α-Phasen-Siliziumnitrid mit 91 Gewichts-% enthielt und eine mittlere Pulvergröße von 1,1 um aufwies.
  • Für die Siliziumnitrid-Sinterkörper der Beispiele 1 bis 3 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 wurden die Porösität, die thermische Leitfähigkeit (bei 25ºC) und ein Durchschnittswert der Drei-Punkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur gemessen. Ein Verhältnis (Volumen) der Kristallphase in der Korngrenzenphase wurde außerdem für jeden gesinterten Körper durch das Röntgenstrahl-Beugungsverfahren gemessen. Die gemessenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 unten gezeigt. Tabelle 1
  • Wie aus den Ergebnissen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, ersichtlich ist, da die Abkühlungsrate des gesinterten Körpers direkt nach der Vervollständigung des Kompaktierens und des Sinterns kleiner als in Vergleichsbeispiel 1 eingestellt wurde, enthielt die Korngrenzenphase die Kristallphase und der gesinterte Körper, der ein höheres Verhältnis der Kristallphase aufweist, war überlegener in der thermischen Leitfähigkeit der Wärmeableitung und der mechanischen Festigkeit.
  • Wenn andererseits die Abkühlungsrate des gesinterten Körpers hoch eingestellt war, um ein schnelles Abkühlen zu bewirken, wie bei Vergleichsbeispiel 1, war die Korngrenzenphase insgesamt aus der amorphen Phase ausgebildet und die thermische Leitfähigkeit war reduziert. Wenn das Siliziumnitridpulver, das kationische Verunreinigungselemente in einer Menge von 0,6 Gewichts-% enthielt, verwendet wurde, wie in Vergleichsbeispiel 2, war die Korngrenzenphase insgesamt aus der amorphen Phase ausgebildet und die thermische Leitfähigkeit war reduziert, selbst falls die Abkühlungsrate des gesinterten Körpers auf denselben Wert wie bei Beispiel 1 eingestellt wurde.
  • Wenn des weiteren das grobe Siliziumnitridpulver mit einer mittleren Pulvergröße von 1,1 um verwendet wurde, wie im Vergleichsbeispiel 3, wurde der gesinterte Körper während des Sinterprozesses nicht ausreichend kompakt gemacht und die mechanische Festigkeit und die thermische Leitfähigkeit waren beide reduziert.
    • Beispiele 4-12 und Vergleichsbeispiele 4-7
  • Als Beispiele 4 bis 12 wurden Materialmischungen zubereitet, indem Zusammensetzungsverhältnisse des Siliziumnitridpulvers, das in Beispiel 1 verwendet wurde, das Y&sub2;O&sub3;-Pulver und das Al&sub2;O&sub3;-Pulvers ausgewählt wurden, wie unten in Tabelle 2 gezeigt ist.
  • Die resultierenden Materialmischungen wurden gepresst und entfettet unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1. Dann wurden die Presslinge unter den Bedingungen, die in Tabelle 2 gezeigt sind, gesintert und zum Herstellen entsprechender Siliziumnitrid- Sinterkörper der Beispiele 4 bis 12 geschliffen.
  • Andererseits wurden als Vergleichsbeispiele, 4 bis 7 Materialmischungen vorbereitet, die, wie in Tabelle 2 gezeigt ist, eine exzessive kleine Menge von Al&sub2;O&sub3; (Vergleichsbeispiel 4), eine exzessiv kleine Menge von Y&sub2;O&sub3; (Vergleichsbeispiel 5), eine exzessiv große Menge von Al&sub2;O&sub3; (Vergleichsbeispiel 6) bzw. eine exzessiv große Menge von Y&sub2;O&sub3; (Vergleichsbeispiel 7) enthielten. Der Prozess vom Mischen der Materialien bis zum Sintern wurde unter denselben Bedingungen wie bei Beispiel 1 zum Herstellen entsprechender Siliziumnitrid-Sinterkörper der Vergleichsbeispiele 4 bis 7 ausgeführt.
  • Für jeden der Siliziumnitrid-Sinterkörper der Beispiele 4 bis 12 und der Vergleichsbeispiele 4 bis 7 wurden die Porosität, die thermische Leitfähigkeit (bei 25ºC), ein Durchschnittswert der Dreipunkt-Biegefestigkeit bei Raumtemperatur und ein Verhältnis der Kristallphase in der Korngrenzenphase durch das Röntgenstrahl-Beugungsverfahren unter denselben Bedingungen wie bei Beispiel 1 gemessen. Die gemessenen Ergebnisse sind unten in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 Tabelle 2 fortgesetzt
  • Wie aus den in Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen offensichtlich ist, hatte jeder der gesinterten Körper der Beispiele 4 bis 12, der Y&sub2;O&sub3; und Al&sub2;O&sub3; in Mengen, die die Anforderungen erfüllten, enthielt und bei Abkühlungsraten, die die Anforderungen erfüllten, nach dem Sintern abgekühlt wurde, hohe Werte der thermischen Leitfähigkeit und der mechanischen Festigkeit. Wenn andererseits mindestens Y&sub2;O&sub3; oder Al&sub2;O&sub3; in einem exzessiv kleinen oder großen Maß hinzugefügt wurde, wie es bei den Vergleichsbeispielen 4 bis 7 war, wurde bestätigt, dass die Dreipunkt-Biegefestigkeit oder die thermische Leitfähigkeit aufgrund der Tatsache, dass der gesinterte Körper nicht in ausreichender Weise kompakt gemacht war oder die Korngrenzenphase übermäßig wurde oder das Verhältnis der Kristallphase in der Korngrenzenphase zu klein wurde, gestört.
    • Beispiele 13-16
  • Als Beispiele 13 bis 16 wurden Siliziumnitrid-Sinterkörper der Beispiele 13 bis 16 unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 hergestellt, ausgenommen dass Oxide von Seltenen Erden, die in Tabelle 3 unten gezeigt sind, anstelle von Y&sub2;O&sub3;-Pulver, das in Beispiel 1 verwendet wurde, verwendet wurden.
  • Für jeden der gesinterten Körper der Beispiele 13 bis 16 wurden die Porosität, die thermische Leitfähigkeit (bei 25ºC), ein Durchschnittswert der Dreipunkt-Biegestärke bei Raumtemperatur und ein Verhältnis der Kristallphase in der Korngrenzenphase durch das Röntgenstrahl-Beugungsverfahren unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 gemessen. Die gemessenen Ergebnisse sind unten in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3
  • Wie aus den Ergebnissen, die in Tabelle 3 gezeigt sind, offensichtlich ist, wurde bestätigt, dass jeder der gesinterten Körper der Beispiele 13 bis 16, wobei in jedem das Seltene- Erden-Oxid für Y&sub2;O&sub3; eingesetzt wurde, Eigenschaften aufwies, die mit dem gesinterten Körper, der Y&sub2;O&sub3; enthielt, vergleichbar sind.
  • Es wird nun eine Beschreibung der Ausführungsformen, bei denen der hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid-Sinterkörper entsprechend der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Produkte wie Halbleitervorrichtungsteile, Gleitteile, korrosionsbeständige Hochtemperatur-Teile und Umhüllungen angewandt wurde, unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele gegeben.
    • Beispiel 17
  • Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die die Konstruktion einer Ausführungsform einer Halbleiterkapselung entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Ansicht teilweise ein QFP (Quad Flat Package = Quad-Flachkapselung), mit dem Fe-Ni-basierte Zuleitungsrahmen 5 verbunden sind, illustriert. In Fig. 1 weist ein Keramiksubstrat 1 eine Aushöhlung 1a, die darin ausgebildet ist, zum Aufnehmen eines Halbleiterchips 2 auf. In der Aushöhlung 1a des Keramiksubstrates 1 ist eine Chiphalterung 3 vorgesehen, mit der und an der der Halbleiterchip 2 verbunden und montiert wird. Die Zuleitungsrahmen 5 sind durch Fixierglas 4 oder ähnliches mit derselben Seite, an der der Halbleiterchip 2 montiert ist, verbunden, d. h. mit entgegengesetzten vorstehenden oberen Oberflächen des Keramiksubstrates 1 an seinen äußeren Endabschnitten. Die Zuleitungsrahmen 5 sind elektrisch mit entsprechenden Elektroden des Halbleiterchips 2 durch Bonddrähte 6 verbunden. Ein keramisches Abdichtungsteil (Kappe oder Deckel) 7 ist über die Zuleitungsrahmen 5 mit der Oberseite des Keramiksubstrates 1, an der und mit der der Halbleiterchip 2 verbunden und montiert ist, durch ein Abdichtungsglas 8, z. B. ein Glas mit niedrigem Schmelzpunkt, verbunden. Der Halbleiterchip 2 ist hermetisch durch das Abdichtungsteil 7 abgedichtet.
  • Das Keramiksubstrat 1 und das keramische Abdichtungsteil 7 sind jeweils aus dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper von irgendeinem der obigen Beispiele 6 bis 16 ausgebildet. Eine Halbleiterkapselung 9 dieses Beispiels 17 ist derart konstruiert.
  • Da das Keramiksubstrat 1 und das keramische Abdichtungsteil 7 jeweils aus dem Siliziumnitrid-Sinterkörper ausgebildet sind, der sowohl in der thermischen Leitfähigkeit als auch der mechanischen Festigkeit überlegen ist, hat die Halbleiterkapselung eine gute Eigenschaft der Wärmeableitung und ist ausreichend anpassbar für einen Anstieg der Ausgangsleistung und der Wärmeerzeugung des Halbleiterchips 2. Zusätzlich ist die Halbleiterkapselung weniger anfällig für Brüche aufgrund der externen Kraft, die ausgeübt wird, wenn sie montiert wird, oder für Brüche aufgrund der thermischen Spannung, die durch den Unterschied in der thermischen Ausdehnung verursacht wird, und sie kann daher eine stabile Zuverlässigkeit des Betriebes für einen langen Zeitraum sicherstellen.
  • Beispiel 17 ist der Fall, in dem sowohl das Keramiksubstrat 1 als auch das keramische Abdichtungsteil 7 durch Verwendung des hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid- Sinterkörpers dieser Erfindung gebildet sind. Jedoch können selbst in einem Fall, in dem mindestens das Keramiksubstrat 1 durch Verwenden des hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörpers dieser Erfindung gebildet ist, Verbesserungen für die Halbleiterkapselung wirksam erhalten werden und solche Modifikationen oder Konfigurationen sind natürlich im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten.
    • Beispiel 18
  • Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die die Konstruktion einer anderen Ausführungsform der Halbleiterkapselung entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine Halbleiterkapselung 9a, die in Fig. 2 gezeigt ist, ist von derselben Konstruktion wie in Beispiel 17, ausgenommen dass ein Abdichtungsglas 10 in die Aushöhlung 1a eingegossen ist, um so den Halbleiterchip 2 hermetisch abzudichten, anstelle der Verwendung des keramischen Abdichtungsteils 7 bei der Halbleiterkapselung 9 aus Fig. 1.
  • Die Halbleiterkapselung 9a ist ebenfalls sowohl hinsichtlich der Wärmeableitung als auch der Haltbarkeit verbessert, wie bei Beispiel 17.
    • Beispiel 19
  • Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die die Konstruktion einer abermals weiteren Ausführungsform der Halbleiterkapselung entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Bei einer Halbleiterkapselung 9b, die in Fig. 3 gezeigt ist, wird anstelle der Verwendung des Keramiksubstrates 1, das in Fig. 2 gezeigt ist, welches die Aushöhlung 1a zum Aufnehmen der Halbleiterkapselung 9a aufweist, ein flaches Keramiksubstrat 1b verwendet, wobei ein rechteckiger rahmenförmiger Metallring 11 einheitlich an einer oberen Oberfläche des Keramiksubstrates 1b fixiert ist und die Zuleitungsrahmen 5 einheitlich mit einer oberen Oberfläche des Metallrings 11 durch eine Lötschicht 12 verbunden sind. Des weiteren ist ein Abdichtungsglas 10 in die Aushöhlung 1a, die in der Mitte des Metallrings 11 ausgebildet ist, gegossen, um so den Halbleiterchip 2 hermetisch abzudichten.
  • Die Halbleiterkapselung 9b dieses Beispiels 19 ist weiter bezüglich der Wärmeableitung verbessert, da das Keramiksubstrat 1b aus dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid- Sinterkörper ausgebildet ist und der Metallring 11, der die hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, verwendet wird.
  • Während die obigen Beispiele 17 bis 19 mit der Verwendung von QFPs (Quad Flat Packages = Quad Flachkapselungen) als die Halbleiterkapselungen illustriert worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf begrenzt sondern in gleicher Weise auf andere Halbleiterkapselungen wie einen DIP-Typ (Dual In-line Package), der Zuleitungsrahmen verwendet, einen BGA-Typ (Ball Grid Array), der Lotkügelchen verwendet, einen PGA- Typ (Pin Grid Array), der Zuleitungsstifte verwendet, und einen LGA-Typ (Land Grid Array), der Eingabe/Ausgabe-Inseln verwendet, anwendbar.
    • Beispiel 20
  • Die Fig. 6 und 7 sind eine senkrechte bzw. eine horizontale Schnittansicht, die die beispielhafte Struktur eines umschlossenen Drehkompressors zeigen, bei dem der hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid-Sinterkörper entsprechend der vorliegenden Erfindung als ein Strukturteil, insbesondere ein Gleitteil, verwendet wird.
  • Bei einem illustrierten Kompressor 21 sind ein Motor 23a und ein Kompressionselement 23b innerhalb eines Gehäuses 22 installiert. Das Kompressionselement 23b ist derart angeordnet, dass eine Drehwelle 24, die sich von dem Motor 23a erstreckt, durch ein Hauptlager 25 und ein Unterlager 26 mit zwei Zylindern 28a, 28b, die über eine Teilungsplatte 27 zwischen dem Hauptlager 25 und dem Unterlager 26 angeordnet sind, ein gesetzt ist. In den Zylindern 28a, 28b sind zylindrische Rollen 30a, 30b über exzentrische Abschnitte 29a, 29b, die auf der Drehwelle 24 ausgebildet sind, gesetzt und Schaufeln 31a, 31b sind so angeordnet, dass sie normalerweise in Kontakt mit den Rollen 30a, 30b, die entsprechend in einer exzentrischen Weise rotieren, gedrückt sind, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Die Schaufeln 31a, 31b werden bei Drehung der exzentrischen Abschnitte 29a, 29b und der Rollen 30a, 30b hin- und herbewegt, wobei sie Kontakt mit den äußeren Umfangsoberflächen der entsprechenden Rollen halten, um dadurch die Innenräume der Zylinder 28a, 28b hinsichtlich des Drucks zu teilen.
  • In dem Kompressor 21, der derart konstruiert ist, wird, wenn der Motor 23 zum exzentrischen Drehen der Rollen 30a, 30b in den Zylindern 28a, 28b getrieben wird, Gas, das in die Ansaugkammern 33a, 33b innerhalb der Zylinder 28a, 28b durch eine Einlassöffnung 32 gesaugt worden ist, komprimiert, während es in Richtung der Kompressionskammern 34a, 34b bewegt wird, und es wird dann durch eine Auslassöffnung 35 entladen.
  • Als ein Ergebnis der Ausbildung der Zylinder 28a, 28b in dem Kompressor 21 mit dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper von irgendeinem der obigen Beispiele 1 bis 16 wurde, nach Durchführen eines Dauerbelastungstestes mit fortlaufendem Betreiben des Kompressors für 3000 Stunden und Messen einer Abnutzung der inneren Oberfläche von jedem Zylinder 28a, 28b, bestätigt, dass die Abnutzung auf ungefähr 1/15 derjenigen in dem Zylinder des Standes der Technik, der aus FC200 gemacht war, d. h. einem herkömmlich verwendeten metallischen Material, reduziert wurde und die Zylinder in sowohl der Abnutzungsfestigkeit als auch der Dauerhaftigkeit überlegen waren. Es wurde außerdem herausgefunden, dass jedwedes abnormales Phänomen, wie ein Brennen der inneren Oberfläche des Zylinders, nicht auftrat und eine anfängliche Gleiteigenschaft verbessert wurde.
  • Außerdem wurde als ein Ergebnis der Ausbildung der Rollen 30a, 30b mit dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper von irgendeinem der obigen Beispiele 1 bis 16, nach Durchführen eines Dauerbelastungstestes in einer ähnlichen Weise und des Messens einer Abnutzung von jeder Rolle 30a, 30b, die Abnutzung auf ungefähr 1/15 derjenigen in einer Rolle des Standes der Technik, die aus Monichro-Gußeisen (Mo-N1-Cr) ausgebildet war, reduziert.
  • Des weiteren wurde als ein Ergebnis der Ausbildung der Schaufeln 31a, 31b mit dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper von irgendeinem der obigen Beispiele 1 bis 16 und des Messens einer Abnutzung jeder Schaufel nach einem Ausdauertest bestätigt, dass die Abnutzung in ähnlicher Weise auf ungefähr 1/15 derjenigen der Schaufel des Standes der Technik, die aus SKH-51 gemacht war, reduziert wurde.
  • Während ein tatsächlicher Ausdauertest mit dem Hauptlager 25, dem Unterlager 26 und der Teilungsplatte 27 als weiteren Gleitteilen nicht ausgeführt wurde, wird von diesen Teilen ebenfalls erwartet, dass sie eine überlegene Abnutzungsfestigkeit und Dauerhaftigkeit ebenso wie die Zylinder und die Rollen zeigen, die aus dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper ausgebildet sind.
    • Beispiel 21
  • Fig. 8 ist eine Schnittansicht, die die Konstruktion einer Dieselmaschine zeigt, bei der der hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid-Sinterkörper entsprechend der vorliegenden Erfindung als ein korrosionsbeständiges Hochtemperatur-Teil und ein Gleitteil verwendet wird. Durch Verwenden der hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper der obigen Beispiele 1 bis 16, die ebenfalls überlegen in der Hochtemperatur-Festigkeit sind, als Komponententeile einer thermischen Maschine, z. B. einer Dieselmaschine, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist, kann die Betriebstemperatur auf einen höheren Wert als bei den Teilen, die aus herkömmlichen metallischen Materialien gemacht sind, gesetzt werden, und daher kann der thermische Wirkungsgrad merklich verbessert werden.
  • Abhängig von den geforderten Eigenschaften können die Siliziumnitrid-Sinterkörper der obigen Beispiele 1 bis 16 praktisch auf verschiedene strukturelle Teile angewandt werden. Diese strukturellen Teile enthalten korrosionsbeständige Hochtemperatur-Teile wie einen Zylinderkopf 40, der wiederholt in Kontakt mit einem Ventil 40 in einer Verbrennungsgasatmosphäre bei hoher Temperatur gebracht wird, einen Körper des Ventils 40 ebenso wie eine Zündkerze 42 und eine Glühkerze 43 für eine Vorbrennkammer. Andere anwendbare strukturelle Teile sind eine Zylinderverkleidung 44, eine Kolbenkrone 45 usw., die bei hoher Geschwindigkeit bewegt werden, während sie gegeneinander gleiten, in Kontakt mit dem Verbrennungsgas bei hoher Temperatur gehalten werden, und daher sowohl einen hohen Abnutzungswiderstand als auch eine hohe Korrosionsfestigkeit erfordern. Die Siliziumnitrid-Sinterkörper der obigen Beispiele können auch auf Teile um den Maschinenzylinder angewandt werden, d. h. Gleitteile wie eine Kipphebelspitze 46 und einen oberen Sitz 47, einen Stößel 48 und einen Nocken 49, etc., die zum Vor- und Zurückbewegen des Ventils 40 hin- und herbewegt werden, während sie gegenseitig gleiten.
  • Durch Verwenden des Siliziumnitrid-Sinterkörpers von irgendeinem der obigen Beispiele als die korrosionsbeständigen Hochtemperatur-Teile und Gleitteile, wie es in der Dieselmaschine dieses Beispiels 21 illustriert ist, können der Abnutzungswiderstand und die Korrosionsfestigkeit dieser strukturellen Teile beide merklich im Vergleich mit herkömmlichen metallischen Teilen verbessert werden. Dieses macht es möglich, die Ma schinenbetriebstemperatur zu erhöhen und daher den thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen.
  • Ein anderes Teil, was nicht nur auf die Dieselmaschine, die in Fig. 8 gezeigt ist, sondern auch auf eine Benzinmaschine anwendbar ist, ist ein Rotor (rotierende Schaufel) 50 eines Turboladers (Superladers) zum Aufladen des Verbrennungsgases und zum Einbringen desselben in die Maschine. Durch das Ausbilden des Turboladerrotors 50 mit dem Siliziumnitrid-Körper von irgendeinem der obigen Beispiele zum Reduzieren des Rotorgewichtes kann die Beschleunigungsantwort des Turboladers ebenfalls verbessert werden.
    • Beispiel 22 (vergleichend)
  • Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer abermals anderen Ausführungsform, bei der eine bewegbare Schaufel (Rotor) 55 zur Verwendung mit einer Flugzeug- oder einer Gasturbine und zur Leistungserzeugung aus dem Siliziumnitrid-Sinterkörper von irgendeinem der obigen Beispiele 1 bis 16 ausgebildet ist. Die bewegbare Schaufel 55 der Gasturbine wird mit dem Verbrennungsgas bei hoher Temperatur während des Betriebes in Kontakt gebracht, und sie ist Gegenstand von extrem großer Zugspannung, die in der Längsrichtung auf die bewegbare Schaufel aufgrund von Zentrifugalkräften, die während der Rotation erzeugt werden, wirkt. Durch das Ausbilden der bewegbaren Schaufel 55 der Gasturbine mit dem Siliziumnitrid-Sinterkörper von einem der obigen Beispiele 1 bis 16, der überlegen in sowohl der Festigkeit als auch dem Korrosionswiderstand bei hoher Temperatur ist, kann die Dauerhaftigkeit der bewegbaren Schaufel im Vergleich mit der herkömmlichen bewegbaren Schaufel, die aus einer Superlegierung gemacht ist, merklich verbessert werden. Des weiteren kann, da das Schaufelgewicht kleiner als dasjenige der metallischen Schaufel wird, die Größe der Zentrifugalkräfte, die erzeugt werden, reduziert werden, und da kein teures Superlegierungsmaterial verwendet wird, kann die Schaufel bei niedrigeren Kosten hergestellt werden. Zusätzlich kann die Betriebstemperatur im Vergleich mit dem Fall der Verwendung der metallischen bewegbaren Schaufel erhöht werden. Dieses macht es möglich, den thermischen Wirkungsgrad beim Betrieb der Gasturbine als einer thermischen Maschine zu verbessern und daher den Treibstoffverbrauch zu reduzieren.
  • Während der Siliziumnitrid-Sinterkörper auf die bewegbare Schaufel 55 der Gasturbine bei diesem Beispiel angewandt wird, ist der ebenso auf andere strukturelle Teile wie stationäre Schaufeln (Statoren), Verbrennungsrohre, Wärmetauscher und so weiter von Gasturbinen anwendbar.
    • Beispiel 23
  • Fig. 10 ist eine Schnittansicht, die die Struktur einer Hochfrequenz-Empfangsröhre 60 zeigt, die mit einer keramischen Umhüllung als einem strukturellen Teil vorgesehen ist, das aus dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper aus Beispiel 3 ausgebildet ist, der die thermische Leitfähigkeit von 115 W/(m · K) und die Dreipunkt-Biegefestigkeit von 98 kg/mm² aufweist.
  • Genauer gesagt, bei der Hochfrequenz-Empfangsröhre 60, die in Fig. 10 gezeigt ist, ist der Siliziumnitrid-Sinterkörper, der mit dem ähnlichen Prozess wie in Beispiel 3 vorbereitet worden ist, in eine keramische Umhüllung 61 geschnitten und geschliffen, die eine vorbestimmte Gestalt aufweist, und eine Anode 62, ein Gitter 63, eine Kathode 64 und ein Heizer 65 sind in die keramische Umhüllung 61 eingebaut.
  • Da die keramische Umhüllung 61 aus dem Siliziumnitrid-Strukturteil ausgebildet ist, das in sowohl der thermischen Leitfähigkeit als auch der strukturellen Festigkeit überlegen ist, weist die Hochfrequenz-Empfangsröhre 60 gute Eigenschaften der Wärmeableitung auf, ist ausreichend anpassbar zum Verstärken der Empfangseigenschaften und zeigt eine überlegene Haltbarkeit.
  • Während das Siliziumnitrid-Strukturteil auf die keramische Umhüllung der Hochfrequenz- Empfangsröhre 60 bei diesem Beispiel angewandt worden ist, ist ihre Anwendung nicht auf die Empfangsröhre 60 begrenzt. Das Siliziumnitrid-Strukturteil kann ebenso als ein Material für Umhüllungen von elektronischen Röhren, wie Röntgenstrahlröhren, Magnetronen und Barrieren oder Umhüllungen von verschiedenen Übertragungsröhren, die insbesondere ein hohes Maß von elektrischer Isolierung, Wärmebeständigkeit und struktureller Festigkeit erfordern, angewandt werden.
    • Beispiel 24 (vergleichend)
  • Fig. 11 ist eine Seitenansicht, die eine Ausführungsform zeigt, bei der der Siliziumnitrid- Sinterkörper entsprechend der vorliegenden Erfindung auf Formungsrollen in einer Maschine zum Herstellen von geschweißten Röhren angewandt ist. Wie in Fig. 11 gezeigt ist, die Maschine zum Herstellen von geschweißten Röhren weist eine Mehrzahl von Formungsrollen 73a, 73b, ... zum Drücken eines streifenförmigen Stahls 71 von gewünschten Abmessungen in vorbestimmte Richtungen derart, dass eine zylindrische offene Röhre 72 ausgebildet wird, und eine Hochfrequenz-Schweißvorrichtung 74 auf. Die Hochfrequenz- Schweißvorrichtung 74 weist eine Arbeitsspule 75, die genau stromaufwärts eines Schweißpunktes P der offenen Röhre 72 derart angeordnet ist, dass sie den äußeren Umfang der Röhre umgibt, und eine Leistungsversorgung 76 zum Liefern eines Hochfrequenz- Stroms an die Arbeitsspule 75 auf. Die Formungsrollen 73a, 73b sind jeweils durch Schneiden und Schleifen des Siliziumnitrid-Sinterkörpers, der mit dem ähnlichen Prozess wie in Beispiel 3 vorbereitet worden ist, ausgebildet.
  • Der streifenförmige Stahl 71, der als ein Rohmaterial vorgeschoben wird, wird durch eine Mehrzahl der Formungsrollen (nicht gezeigt) so gedrückt, dass er nach und nach in die kreisförmige offene Röhre 72 geformt wird. Wenn die offene Röhre 72 durch die Arbeitsspule 75 der Hochfrequenz-Schweißvorrichtung läuft, wird ein Heizstrom in der offenen Röhre 72 so erzeugt, dass er entlang der Stromwege 77 fließt, die in Fig. 11 gezeigt sind. Aufgrund der Ströme, die in den aneinanderstoßenden Rändern 79a, 79b der offenen Röhre 72 fließen, wobei die Ränder zusammen eine V-Gestalt definieren und im wesentlichen parallel zueinander in entgegengesetzten Richtungen sind, werden diese Ströme in den aneinanderstoßenden Rändern 79a, 79b aufgrund des sogenannten Naheffektes der hochfrequenten Ströme konzentriert. Als ein Ergebnis werden die aneinanderstoßenden Ränder 79a, 79b auf hohe Temperatur, die durch die Joulesche Wärme erzeugt wird, aufgeheizt. Dann wird die offene Röhre 72 durch die Formungsrollen (Quetschrolle und Führungsrolle) 73a, 73b, die gerade stromabwärts der Hochfrequenz- Schweißvorrichtung 74 angeordnet sind, zur Seite gedrückt, so dass die aneinanderstoßenden Ränder 79a, 79b der offenen Röhre 72 miteinander zur Ausbildung einer geschweißten Röhre 78 verschweißt werden.
  • Als ein Material der Formungsrollen ist bisher gewöhnlicherweise ein metallisches Material wie ein hartes Metall verwendet worden, das eine gute Abnutzungswiderstandseigenschaft aufweist. Jedoch werden die herkömmlichen Formungsrollen, die aus dem Hartmetall sind, von verschiedenen Problemen begleitet, wie unten genannt. Rolllager werden in einem kurzen Zeitraum beschädigt, was eine abnormale Vibration verursacht, was in fehlerhaften Produkten resultiert, oder die Formungsrollen brechen, werden deformiert und/oder beschädigt aufgrund von Aufschlagkräften, die auf diese wirken, wodurch die Oberflächeneigenschaften des Produktes gestört werden, oder die Formungsrollen werden aufgrund von thermischen Schocks, die durch Kühlwasser verursacht werden, das gesprüht wird, um zu verhindern, dass sich die Rollen in der Temperatur übermäßig erhöhen, zerbrochen.
  • Bei diesem Beispiel kann, da die Formungsrollen 73a, 73b jeweils aus dem Siliziumnitrid- Sinterkörper ausgebildet sind, der in der Hochtemperaturfestigkeit, der thermischen Schockwiderstandsfähigkeit, der elektrischen Isolierung und der Abnutzungsfestigkeit überlegen ist, die Streuströme, etc. effektiv am Lecken aus der Hochfrequenz- Schweißvorrichtung 74 gehindert werden, und daher können die Lager effektiv vor einer Beschädigung aufgrund einer elektrolytischen Erosion, die durch die Leckströme induziert wird, geschützt werden. Außerdem wird, da der Siliziumnitrid-Sinterkörper ein niedrigeres Gewicht und eine höhere Abnutzungsfestigkeit als die herkömmlichen Materialien aufweist, die Wartung und die Handhabung der Rollen erleichtert werden, und die Rollen sind weniger anfällig für Beschädigung und Deformation und die Qualität der geschweißten Röhre als ein Produkt kann merklich verbessert werden.
  • Als ein Ergebnis der tatsächlichen Verwendung der Formungsrollen 73a, 73b aus diesem Beispiel wurde bestätigt, dass ein Strom kaum aus der Hochfrequenz-Schweißvorrichtung 74 leckt und dass die zum Schweißen verbrauchte Leistung um ungefähr 10% im Vergleich mit dem Fall der Verwendung der herkömmlichen Rollen, die aus dem harten Metall gemacht sind, reduziert wurde, und daher konnte ein signifikanter Leistungseinsparungseffekt erzielt werden. Des weiteren waren Beschädigungen der Lager, etc., die durch elektrolytische Erosion verursacht wurden, so klein, dass die gesamte Arbeitszeit der Rollen ungefähr 7 mal so lang wie diejenige der herkömmlichen Rollen, die aus dem harten Metall gemacht sind, wurde. Als Folge konnten die Wartung und die Unterhaltungsarbeit, z. B. ein Rollenaustausch, merklich vereinfacht werden.
  • In den obigen Beispielen 17 bis 24 wurde der Siliziumnitrid-Sinterkörper entsprechend der vorliegenden Erfindung auf das Keramiksubstrat der Halbleiterkapselung, die Gleitteile des Kompressors, die Gleitteile der Maschine und der Gasturbine und die Umhüllung angewandt. Jedoch ist der Siliziumnitrid-Sinterkörper entsprechend der vorliegenden Erfindung nicht auf die obigen Teile in seiner Anwendung begrenzt, sondern er ist auf einer Vielzahl von Gebieten aufgrund seiner überlegenen Eigenschaften der dielektrischen Stärke, Abnutzungsfestigkeit, thermischen Schockwiderstandfähigkeit, Widerstandsfähigkeit gegenüber geschmolzenem Metall und der Korrosionsfestigkeit zusätzlich zu der hohen thermischen Leitfähigkeit zusammen mit der inhärenten hohen mechanischen Festigkeit anwendbar.
  • Zum Beispiel kann er angesichts dessen, dass der Siliziumnitrid-Sinterkörper entsprechend der vorliegenden Erfindung weniger Gegenstand eines Benässens durch verschiedene geschmolzene Metalle ist und hochgradig widerstandsfähig gegenüber Korrosion ist, auf Zylinderteile und Kolbenteile einer Druckgussvorrichtung für Zn usw. angewandt werden. Außerdem ist der Siliziumnitrid-Sinterkörper geeignet als ein schmelzresistentes Material von Tiegeln und Setzteilen zum Züchten von Einkristallen von Metallen und Metallverbindungen. Durch Verwenden der überlegenen Eigenschaften der dielektrischen Stärke, der Wetterwiderstandsfähigkeit und Wetterhärte ist er auch auf Isolatoren zum Halten von Hochspannungsleitungen anwendbar. Des weiteren kann er durch Verwenden der überlegenen Eigenschaften der mechanischen Festigkeit, Steifigkeit, Abnutzungsfestigkeit und Brennwiderstandsfähigkeit als ein Material zur Ausbildung von Bällen und inneren und äußeren Laufringen von verschiedenen Lagern verwendet werden.
  • Andere anwendbare Beispiele sind strukturelle Teile für die Metallbearbeitung wie Extrusionsformen, die zum Herstellen von Kupfer und Kupferlegierungen durch Extrusionsschmelzen verwendet werden, von Heißroll-Führungsrollen und Röhrenaufsetzformen. Zusätzlich kann der Siliziumnitrid-Sinterkörper durch Verwenden seiner hohen Abnutzungsfestigkeit auch als ein strukturelles Teil einer Düse zum Ausstoßen von hochgradig harten Partikeln durch diese in einer Strahlvorrichtung verwendet werden.
  • Wie oben beschrieben worden ist, da der hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid-Sinterkörper entsprechend der vorliegenden Erfindung durch Hinzufügen der vorbestimmten Menge des Elementes der Seltenen Erden zu feinem Siliziumnitridpulver mit vorbestimmten Werten der Reinheit und Korngröße, Pressen und Sintern der Mischung, und Festlegen der Kühlungsrate des gesinterten Körpers direkt nach dem Sinterprozess derart, dass sie langsam und nicht höher als 100ºC pro Stunde ist, hergestellt werden kann, wird die Korngrenzenphase in der Struktur des gesinterten Körpers von dem amorphen Zustand in den Zustand, der eine Kristallphase enthält, entgegengesetzt zu dem Fall des schnellen Abkühlens des gesinterten Körpers durch Abschalten der Leistungsversorgung zu dem Ofen, wie es beim Stand der Technik geschieht, geändert, wodurch der kompakte gesinterte Körper, der die hohe mechanische Festigkeit und die hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, erhalten werden kann. Als Folge können, durch Anwenden des hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörpers der vorliegenden Erfindung auf strukturelle Teile wie verschiedene Gleitteile, korrosionsbeständige Hochtemperatur-Teile von Gasturbinen und Automobilmaschinen, keramische Umhüllungen von elektronischen Röhren und Empfangs/Übertragungs-Röhren, und Formungsrollen ebenso wie Halbleiterkapselungen, Heizer, etc., die Haltbarkeit, die Wärmeableitung und die Dienstlebensdauer der angewandten Produkte merklich verbessert werden, wodurch die Produkte für die Nachfrage nach einer Erhöhung der Ausgangsleistung und nach einer Verlängerung der Dienstlebensdauer anpassbar sind.
  • Als nächstes werden Ausführungsformen, bei denen der hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid-Sinterkörper entsprechend der vorliegenden Erfindung auf einen Heizer angewandt wird, unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben.
    • Beispiel 25
  • Die Fig. 12 und 13 sind eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht, die die Konstruktion einer Ausführungsform eines Heizers entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigen. Bei einem Heizer 110, der in diesem Beispiel illustriert wird, ist ein Keramiksubstrat 111 aus dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper, der wie bei Beispiel 3 vorbereitet worden ist, ausgebildet und weist die thermische Leitfähigkeit von 115 W/(m · K) und die Dreipunkt-Biegefestigkeit von 98 kg/mm² auf, ein Heizwiderstand 105, der aus Tantalnitrid (Ta&sub2;N) gemacht ist, ist über der Oberfläche des Keramiksubstrates 111 ausgebildet, und eine Isolierschicht 113 ist einheitlich auf der Oberfläche des Keramiksubstrates 111 derart ausgebildet, dass sie den Heizwiderstand 112 bedeckt. Das Keramiksubstrat 111, das aus dem obigen hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper ausgebildet ist, weist die Abmessungen 20 · 10 · 1,0 mm auf, und der Heizwiderstand 112 ist in einem Zick- Zack-Muster mit einer Breite W von 3 mm und einem Abstand L von 0,2 mm ausgebildet. Die Isolierschicht 113 und das Keramiksubstrat 111 sind jeweils aus dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper ausgebildet, der wie bei Beispiel 3 vorbereitet worden ist.
  • Mit dem Heizer aus diesem Beispiel 25 kann, da das Keramiksubstrat 111 und die Isolierschicht 113, die zusammen den Heizwiderstand 112 halten, jeweils aus dem Siliziumnitrid- Sinterkörper ausgebildet sind, der die hohe mechanische Festigkeit und die hohe thermische Leistungsfähigkeit aufweist, der Heizer gleichzeitig sowohl eine überlegene thermische Antwort für den AN-AUS-Betrieb der Spannung, die an den Heizwiderstand 112 angelegt wird, als auch eine überlegene Haltbarkeit zeigen.
  • Des weiteren ist es, da das Keramiksubstrat 111 und die Isolierschicht 113 aus demselben Material gemacht sind, möglich, das Auftreten eines Abschälens oder von Brüchen aufgrund des Unterschiedes in der thermischen Ausdehnung zwischen zwei Teilen effektiv zu verhindern und daher die Haltbarkeit weiter zu verbessern.
    • Beispiel 26
  • Fig. 14 ist eine Schnittansicht, die eine andere Ausführungsform des Heizers entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt. Insbesondere ist ein Heizer 110a dieses Beispiels 26, der in Fig. 14 gezeigt ist, derselbe wie der Heizer 110 des Beispiels 25, ausgenommen dass eine Isolierschicht 113a aus einem Isoliermaterial wie einem herkömmlichen Si&sub3;N&sub4; Sinterkörper, Al&sub2;O&sub3; oder Mullit anstelle der Isolierschicht 113, die aus dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper, der in Fig. 13 gezeigt ist, ausgebildet ist, ausgebildet ist.
  • Da das Keramiksubstrat 111, das den Heizwiderstand 112 hält, aus dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper ausgebildet ist, weist der Heizer 110a dieses Beispiels 26 eine hohe thermische Leitfähigkeit in der Richtung nach unten in Fig. 14 auf und zeigt eine hohe thermische Antwort in ähnlicher Weise.
    • Beispiel 27
  • Fig. 15 ist eine Schnittansicht, die eine abermals weitere Ausführungsform des Heizers entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt. Insbesondere ist der Heizer 110b dieses Beispiels 27, der in Fig. 15 gezeigt ist, derselbe wie die Heizer 110a, 110b der Beispiele 25 und 26, ausgenommen dass die Isolierschichten aus den Heizern 110a, 110b, die in den Fig. 13 und 14 gezeigt sind, eliminiert sind.
  • Derart weist der Heizer 110b dieses Beispiels 27 eine einfachere Struktur auf, da keine Isolierschicht darauf beschichtet ist und der Heizwiderstand 112 an der Oberfläche freigelegt ist. Dementsprechend kann der Heizer 110b dieses Beispiels 27, der die einfache Struktur aufweist, ausreichend in dem Fall angewandt werden, bei dem andere Leiter und so weiter, die bei Kontakt mit dem Heizwiderstand 112 kurzgeschlossen werden könnten, um den Heizer 110b nicht vorhanden sind.
    • Beispiel 28
  • Fig. 16 ist eine Schnittansicht, die eine abermals weitere Ausführungsform des Heizers entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt. Insbesondere ist der Heizer 110c dieses Beispiels 28, der in Fig. 16 gezeigt ist, derselbe wie der Heizer 110 des Beispiels 25, ausgenommen dass ein Keramiksubstrat 111a aus einem herkömmlichen Isoliermaterial wie einen herkömmlichen Si&sub3;N&sub4; Sinterkörper, Al&sub2;O&sub3; oder Mullit anstelle des Keramiksubstrates 111, das aus dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper, der in Fig. 13 gezeigt ist, ausgebildet ist, ausgebildet ist.
  • Da der hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid-Sinterkörper als ein Material zur Ausbildung der Isolierschicht 113 verwendet wird, weist der Heizer 110c dieses Beispiels 28 die hohe thermische Leitfähigkeit in der Richtung nach oben in Fig. 16 auf und zeigt eine hohe thermische Antwort in ähnlicher Weise.
    • Vergleichsbeispiel 8
  • Andererseits wurde ein Al&sub2;O&sub3; Heizer dieses Vergleichsbeispiels 8 durch denselben Prozess wie in Beispiel 25 hergestellt, ausgenommen dass ein Keramiksubstrat und eine Isolierschicht jeweils aus einem Al&sub2;O&sub3;-Sinterkörper, der die thermische Leitfähigkeit von 25 W/(m · K) und die Dreipunkt-Biegefestigkeit von 31 kg/mm² anstelle des Keramiksubstrates 111 und der Isolierschicht 113, die in dem Heizer 110 des Beispiels 25, das in Fig. 13 gezeigt ist, verwendet wurden, ausgebildet sind.
    • Vergleichsbeispiel 9
  • Des weiteren wurde ein AlN-Heizer dieses Vergleichsbeispiels 9 durch denselben Prozess wie in Beispiel 25 hergestellt, ausgenommen dass ein Keramiksubstrat und eine Isolierschicht jeweils aus einem AlN-Sinterkörper, der die thermische Leitfähigkeit von 140 W/(m · K) und die Dreipunkt-Biegefestigkeit von 32 kg/mm² aufweist, anstelle des Keramiksubstrates 111 und der Isolierschicht 113, die in dem Heizer 110 des Beispiels 25, das in Fig. 13 gezeigt ist, verwendet wurden, ausgebildet wurden.
  • Für die Heizer des Beispiels 25 und der Vergleichsbeispiele 8 und 9 wurden die Ergebnisse, die in Fig. 17 gezeigt sind, durch Einstellen der Leistungsmenge, die dem Wärmewiderstand 112 jedes Heizers geliefert wird, auf 15 W und durch Messen der zeitabhängigen Änderungen in der Oberflächentemperatur des Heizers zum Evaluieren der Aufheizeigenschaften (thermische Antwort) der Heizer gemessen. Außerdem wurden die Ergebnisse, die in Tabelle 4 unten gezeigt sind, durch Messen der Aufheizrate und der Leistungsdichte als Indizien für die Aufheizfähigkeiten der Heizer erhalten. Tabelle 4
  • Wie aus den Ergebnissen, die in Fig. 17 und Tabelle 4 gezeigt sind, offensichtlich ist, wurde bestätigt, dass der Heizer des Beispiels 25, bei dem das Keramiksubstrat und die Isolierschicht aus dem Siliziumnitrid-Sinterkörper mit der hohen mechanischen Festigkeit und der hohen thermischen Leitfähigkeit ausgebildet wurden, einen schnelleren Anstieg in der Oberflächentemperatur direkt nach dem Start der Leistungsversorgung und eine bessere thermische Antwort als der Heizer des Vergleichsbeispiels 8 liefert, bei dem die aus dem Al&sub2;O&sub3;-Sinterkörper ausgebildet wurden. In Fig. 17 zeigen der Heizer des Beispiels 25 und der Heizer des Vergleichsbeispiels 9, der aus dem AlN-Sinterkörper ausgebildet ist, vergleichbare Aufheizeigenschaften aufgrund dessen, dass beide die hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Wie es aus Tabelle 4 offensichtlich ist, weist der Heizer des Vergleichsbeispiels 9 jedoch eine Dreipunkt-Biegestärke, die ungefähr 1/3 mal diejenige Zeit des Beispiels 25 ist, auf und daher ist die Haltbarkeit des ersteren derjenigen des letzteren extrem unterlegen.
  • Während oben Beispiele in Verbindung mit den Heizern in der Form einer flachen Platte beschrieben worden sind, sind die Heizer nicht auf die flache Form begrenzt, sondern sie können in irgendeiner gewünschten Gestalt wie einer dreieckigen oder ringförmigen Gestalt hergestellt werden, abhängig von z. B. der Konfiguration des zu erhitzenden Objekts.
  • Als nächstes werden Ausführungsformen, bei denen der hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid-Sinterkörper, der mit irgendeinem der obigen Beispiele hergestellt wurde, auf einen Thermokopf angewandt wird, unter Bezugnahme auf das folgende Beispiel beschrieben.
    • Beispiel 29
  • Fig. 18 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform eines Thermokopfes vom Dickschichttyp entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt. Bemerke, dass dieselben Komponenten wie diejenigen bei dem Stand der Technik, der in Fig. 21 gezeigt ist, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind und die Beschreibung dieser Komponenten hier nicht wiederholt wird.
  • Bei dem Thermokopf vom Dickschichttyp dieses Beispiels 29 sind ein Heizwiderstand 102 und eine abnutzungsbeständige Schicht 105 auf die Oberfläche eines hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörpers 107 laminiert, der wie bei Beispiel 3 vorbereitet worden ist und die Oberflächenrauheit Ra, die nicht größer als 1 um ist, die thermische Leitfähigkeit von 115 W/(m · K) und die Dreipunkt-Biegefestigkeit von 98 kg/mm² aufweist. Elektrische Leitungen (Elektroden) 103 sind so ausgebildet, dass sie mit beiden Endabschnitten des Heizwiderstandes 102 durch Übertragen und Backen einer Leiterpaste wie Ag, Pd - Ag oder Pt - Au verbunden sind.
  • Ein Hauptmerkmal des Thermokopfes dieses Beispiels ist, dass sein Keramiksubstrat aus dem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper 107 ausgebildet ist, der die thermische Leitfähigkeit aufweist, die 4 bis 5 mal diejenige des herkömmlichen Alumina- Substrates ist.
  • Ein Wert der Oberflächenrauheit Ra (mittlere Rauheit entlang der Mittellinie, spezifiziert in JIS 0601) beeinflusst stark die Anhaftung und die chemische Bindungsstärke zwischen dem gesinterten Körper 107 und dem Heizwiderstand 102, der darauf geordnet ist. Darum ist die Oberflächenrauheit Ra bevorzugterweise so eingestellt, dass sie nicht größer als 1 um ist. Falls die Oberflächenrauheit Ra 1 um überschreitet, würden die Anhaftung und die Bindungsstärke des Sinterkörpers 107 bezüglich des Heizwiderstandes 102 und der elektrischen Leitungen 103 reduziert, was in einer Störung der Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des Thermokopfes resultiert.
  • Der hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid-Sinterkörper 107 mit der Oberflächenrauheit Ra, die nicht größer als 1 um ist, kann z. B. durch Schleifen der Oberfläche des Sinterkörpers in eine Spiegeloberfläche in einer gewöhnlichen Weise vorbereitet werden.
  • Der Heizwiderstand 102 erzeugt Wärme beim Anlegen einer Pulsspannung zwischen den elektrischen Leitungen (Elektroden) 103 und 103, was den Farbbildner in dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungspapier zum Entwickeln einer Farbe in der Form von Punkten bringt. Der Heizwiderstand ist ausgebildet durch Vorbereiten eines Materials, z. B. Ta&sub2;N, NiCr-Legiening, Nesa-Film, Ta - SiO&sub2; oder Ta - Si, in eine Paste und dann Beschichten der Paste durch eine Filmausbildungstechnik wie Siebdrucken.
  • Die abnutzungsbeständige Schicht 105 dient zum Schützen des Wärmewiderstands 102 gegen Abnutzung, die durch Kontakt mit dem wärmeempfindlichen Aufzeichnungspapier verursacht wird, und ist ausgebildet aus Materialien wie SiO&sub2; - Ta&sub2;O&sub3;, SiC, Al&sub2;O&sub3; und SiO&sub2;.
  • Wenn eine Pulsspannung an den Heizwiderstand 102 durch die Elektroden 103, 103 angelegt wird, erzeugt der Heizwiderstand 102 des Thermokopfes Wärme, woraufhin der Farbbildner, der auf das wärmeempfindliche Aufzeichnungspapier 104 beschichtet ist, das durch eine Vorschubrolle 106 gegen den Wärmewiderstand 102 über die abnutzungsbeständige Schicht 105 gedrückt wird, eine Farbe in der Form von Punkten entwickelt. Die Zeit, während der die Pulsspannung angelegt wird, ist gewöhnlich in der Größenordnung von 1 bis 10 ms (Millisekunden).
  • Nach dem Verschwinden der Pulsspannung wird die Wärme, die durch den Heizwiderstand 102 erzeugt worden ist, an die Außenseite über den hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper 107 abgeleitet und der Heizwiderstand 102 wird auf eine vorbestimmte untere Grenze der Drucktemperatur abgekühlt. Dann werden, auf das Anlegen der nächsten Pulsspannung hin, die Heiz- und Kühlzyklen in ähnlicher Weise wiederholt, so dass eine Anzahl von Punkten eine Farbe auf dem sich bewegenden wärmeempfindlichen Aufzeichnungspapier entwickeln, um dadurch ein Bild aus Buchstaben, Symbolen oder Figuren, abhängig von einem Feld der Farbe entwickelnden Punkte, aufzuzeichnen.
  • Eine Beschreibung wird nun von den überlegenen Eigenschaften des Thermokopfes dieses Beispiels verglichen mit dem Stand der Technik gegeben. Fig. 19 ist ein Graph, der die zeitabhängigen Änderungen in der Heizwiderstandstemperatur zeigt, die aus einem Drucktest resultieren, bei dem der Thermokopf des Dickschichttyps aus Beispiel 29, der den hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper 107, der in Fig. 18 gezeigt ist, verwendet, und der herkömmliche Thermokopf vom Dickschichttyp, der das Al&sub2;O&sub3;- Keramiksubstrat, das in Fig. 21 gezeigt ist, verwendet, jeweils tatsächlich in einen Drucker eingesetzt wurden.
  • Wie durch die durchgezogene Linie in Fig. 19 angezeigt ist, hat, da der Thermokopf dieses Beispiels den hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper 107 als ein Keramiksubstrat verwendet, dieser eine überlegene Eigenschaft der Wärmeableitung nach dem Verschwinden der Pulsspannung und daher ist die Wärmeableitungszeit t&sub1;, die für den Heizwiderstand benötigt wird, um auf die vorbestimmte untere Grenze der Drucktemperatur abzukühlen, wesentlich kürzer als die Wärmeableitungszeit t&sub0;, die für den Stand der Technik benötigt wird, der das Keramiksubstrat 101, das aus Al&sub2;O&sub3; gemacht ist, verwendet.
  • Dieses bedeutet, dass die Druckwiederholungsperiode, die durch die Summe der Aufheizzeit und der Wärmeableitungszeit gegeben ist, reduziert wird und die Aufzeichnungsausrüstung, wie Drucker, im Betrieb beschleunigt werden kann.
  • Eine Konfiguration des Heizwiderstandes in dem Thermokopf entsprechend der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Zuvor ist ein Heizwiderstand, der zwischen einem Paar von elektrischen Leitungen angeordnet ist, in einer bandartigen Gestalt derart ausgebildet worden, das er einen gleichförmigen Querschnitt an jeder axialen Position aufweist.
  • Wie in Fig. 20 gezeigt ist, kann der Wärmewiderstand 102a des Thermokopfes außerdem derart ausgebildet werden, dass seine Endabschnitte, die mit den Elektroden 103, 103 verbunden sind, in einer bandartigen Gestalt wie herkömmlich ausgebildet sind, wohingegen die Breite W des mittleren Abschnittes schmaler als diejenige der Endabschnitte eingestellt ist, was insgesamt eine in der Mitte verengte Konfiguration liefert. In diesem Fall weist der zentrale Abschnitt des Heizwiderstandes 102a einen maximalen Widerstandswert auf. Wenn eine Spannung an den Heizwiderstand 102a über die Elektroden 103, 103 angelegt wird, um einen Stromfluss zwischen diesen zu ergeben, wird nur der zentrale Abschnitt zuerst zum Erhöhen der Temperatur derart aufgeheizt, dass die Temperatur einen Punkt erreicht, der für die Tinte, die auf das wärmeempfindliche Aufzeichnungspapier beschichtet ist, zum Lösen ausreicht, und kleine Punkte werden auf die Papieroberfläche übertragen. Mit dem fortgesetzten Anlegen der Spannung an den Wärmewiderstand 102a unter der obigen Bedingung, wird der Bereich, in dem die Temperatur den Tintenlösungspunkt erreicht, nach und nach vergrößert. Durch ein derartiges variables Einstellen der Energie, die an den jeweiligen Heizwiderstand 102a angelegt wird, entsprechend der Breite der angelegten Pulsspannung, kann die Größe jedes übertragenen Punktes abhängig von der Tönung eines Bildes geändert werden. In anderen Worten, es ist möglich, eine Abstufung in der Farbe für jeden Punkt zu liefern und daher eine Aufzeichnung durch Drucken mit einer exzellenten Abstufung ohne Reduzierung der Auflösung zu erreichen.
  • Entsprechend des Heizers und des Thermokopfes der vorliegenden Erfindung können, wie oben beschrieben worden ist, da Keramiksubstrate, die ihre Eigenschaften bezüglich der mechanischen Festigkeit und der thermischen Antwort bestimmen, jeweils aus dem neuen hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Sinterkörper ausgebildet sind, der die thermische Leitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K) aufweist, zusätzlich zu der hohen mechanischen Festigkeit, die einem gesinterten Körper aus Siliziumnitrid inhärent gegeben ist, der Heizer und der Thermokopf nicht nur eine überlegene thermische Antwort für den AN-AUS-Betrieb der Spannung, die an den Heizwiderstand angelegt wird, sondern auch eine überlegene Haltbarkeit liefern. Bei dem Thermokopf ist insbesondere, da der hochgradig wärmeleitende Siliziumnitrid-Sinterkörper verwendet wird, der die thermische Leitfähigkeit von mindestens 2 bis 5 mal derjenigen von herkömmlich verwendeten Alumina aufweist, die Abfallzeit zum Abkühlen auf eine vorbestimmte Temperatur, die für den Heizwiderstand benötigt wird, der einmal auf die Drucktemperatur aufgeheizt ist, merklich reduziert. Darum wird die Wiederholungsperiode des Druckens, die durch die Summe der Anstiegszeit und der Abfallzeit der Heizwiderstandstemperatur gegeben ist, in einem großen Ausmaß verkürzt. Als ein Ergebnis kann die thermische Antwort des Thermokopfes stark verbessert werden und die Aufzeichnungsgeschwindigkeit kann stark erhöht werden.
    • Übersetzung der Legenden in den Figuren
  • (Fig. 17, 18, 19 und 21)
  • Fig. 17:
  • SURFACE TEMPERATURE OF HEATER = OBERFLÄCHENTEMPERATUR DES HEIZERS
  • COMPARATIVE EXAMPLE = VERGLEICHSBEISPIEL
  • EXAMPLE = BEISPIEL
  • TIME = ZEIT
  • Fig. 18:
  • HIGH-THERMAL CONDUCTIVE = HOCH WÄRMELEITENDES Si&sub3;N&sub4;
  • Fig. 19:
  • TEMPERATURE OF HEATING RESISTOR = TEMPERATUR DES HEIZWIDERSTANDS
  • APPLIED PULSE VOLTAGE = ANGELEGTE PULSSPANNUNG
  • UPPER LIMIT OF PRINTING TEMPERATURE = OBERE GRENZE DER DRUCKTEMPERATUR
  • LOWER LIMIT OF PRINTING TEMPERATURE = UNTERE GRENZE DER DRUCKTEMPERATUR
  • EXAMPLE = BEISPIEL
  • PRIOR ART = STAND DER TECHNIK
  • PRINTING TEMPERATURE RANGE = DRUCKTEMPERATURBEREICH
  • TIME = ZEIT
  • HEATING-UP TIME = AUFHEIZZEIT
  • HEAT RELEASING TIME = WÄRMEABLEITUNGSZEIT
  • PULSE CYCLE = PULSZYKLUS
  • Fig. 21:
  • PRIOR ART = STAND DER TECHNIK

Claims (8)

1. Gleitteil, das aus einem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Strukturteil ausgebildet ist, das aus Siliziumnitridpartikeln und einer Korngrenzenphase, wobei eine Kristallverbindungsphase in der Korngrenzenphase nicht weniger als 20 Vol.-% bezüglich der gesamten Korngrenzenphase beträgt, besteht und die Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K) aufweist.
2. Eine Hülle, die aus einem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Strukturteil ausgebildet ist, das aus Siliziumnitridpartikeln und einer Korngrenzenphase, wobei eine Kristallverbindungsphase in der Korngrenzenphase nicht weniger als 20 Vol.-% bezüglich der gesamten Korngrenzenphase beträgt, besteht und die Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K) aufweist.
3. Eine Halbleiterverpackung, die ein Keramiksubstrat, auf dem ein Halbleiterchip montiert ist, Zuleitungsrahmen, die mit derselben Oberfläche des Keramiksubstrates, auf der der Halbleiterchip montiert ist, verbunden sind, und Bonddrähte zum elektrischen Verbinden des Halbleiterchips und der Zuleitungsrahmen aufweist, bei dem das Keramiksubstrat aus einem hochgradig wärmeleitenden Silitiumnitrid-Strukturteil ausgebildet ist, das aus Siliziumnitridpartikeln und einer Korngrenzenphase, wobei eine Kristallverbindungsphase in der Korngrenzenphase nicht weniger als 20 Vol.-% bezüglich der gesamten Korngrenzenphase beträgt, besteht und die Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K) aufweist.
4. Ein Heizelement, bei dem ein Heizwiderstand in einer Einheitsstruktur mit einem hochgradig wärmeleitenden Silitiumnitrid-Strukturteil angeordnet ist, das aus Siliziumnitridpartikeln und einer Korngrenzenphase, wobei eine Kristallverbindungsphase in der Korngrenzenphase nicht weniger als 20 Vol.-% bezüglich der gesamten Korngrenzenphase beträgt, besteht und die Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K) aufweist.
5. Ein Heizelement, dasein Keramiksubstrat, einen Heizwiderstand, der auf dem Keramiksubstrat angeordnet ist, und eine Isolierschicht, die auf das Keramiksubstrat zum Bedecken des Heizwiderstandes beschichtet ist, aufweist, bei dem die Isolierschicht aus einem hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Strukturteil ausgebildet ist, das aus Siliziumnitridpartikeln und einer Korngrenzenphase, wobei eine Kristallverbindungsphase in der Korngrenzenphase nicht weniger als 20 Vol.-% bezüglich der gesamten Korngrenzenphase beträgt, besteht und die Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K) aufweist.
6. Ein Thermokopf, bei dem ein Heizwiderstand und eine abnutzungswiderstandsfähige Schicht in einer Einheitsstruktur auf der Oberfläche eines hochgradig wärmeleitenden Siliziumnitrid-Strukturteils laminiert sind, das aus Siliziumnitridpartikeln und einer Korngrenzenphase, wobei eine Kristallverbindungsphase in der Korngrenzenphase nicht weniger als 20 Vol.-% bezüglich der gesamten Korngrenzenphase beträgt, besteht und die Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 60 W/(m · K) aufweist.
7. Thermokopf nach Anspruch 6, bei dem der Heizwiderstand aus mindestens einem Element oder einer Verbindung gemacht ist, das/die ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo, W, NiCr, Nesa-Film, Ta-Si, Ta&sub2;N, Ta-SiO&sub2; und Nb-SiO&sub2;.
8. Thermokopf nach Anspruch 6, bei dem der Heizwiderstand an beiden Enden mit entsprechenden Elektroden verbunden ist, wobei die Endabschnitte des Heizwiderstandes, die mit den Elektroden verbunden sind, jeweils in einer Streifenform ausgebildet sind und die Breite eines Zentralabschnittes des Heizwiderstandes so eingestellt ist, daß sie kleiner als die Breite der beiden Endabschnitte ist.
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