DE69013862T2

DE69013862T2 - Lichtabweisender Sinterkörper aus Aluminiumnitrid und Verfahren zu seiner Herstellung.

Info

Publication number: DE69013862T2
Application number: DE69013862T
Authority: DE
Inventors: Sato Yoshiko Goto; Akihiro Horiguchi; Mitsuo Kasori; Morita Naoki Shutoh; Fumio Ueno
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2010-11-30
Also published as: JPH03257071A; US5126293A; EP0431834B1; EP0431834A1; DE69013862D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aluminiumnitrid- Lichtabschirmsinterkörper und ein Verfahren zur Herstellung desselben und insbesondere einen Aluminiumnitrid-Lichtabschirmsinterkörper, der sich zur Verwendung als Substrat einer Schaltungsplatte eignet, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Ein Aluminiumnitrid (AlN)-Sinterkörper weist eine thermische Leitfähigkeit weit über der von Aluminiumoxid, eine gute Isoliereigenschaft und einen thermischen Expansionskoeffizienten, der dem von Silizium (Si) nahe kommt, auf. Folglich wird versucht, einen AlN-Sinterkörper auf ein Substrat einer Schaltungsplatte zum Bau einer Halbleitervorrichtung zu applizieren.
Aus der US-PS 4 847 221 ist ein AlN-Sinterkörper aus einer AlN-Einzelphase und einer zweiten Phase mit 0,01 - 8 000 ppm Seltenerdeelement und 2 000 ppm oder weniger Sauerstoff, der eine thermische Leitfähigkeit von 200 W/m.K oder mehr aufweist, bekannt. Da ein derartiger AlN-Sinterkärper eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, wird ein unerwünschtes Phänomen, das bei herkömmlichen Sinterkörpern nicht auftritt, hervorgerufen. Das heißt, die hohe thermische Leitfähigkeit des obigen AlN-Sinterkörpers wird durch die hohe Reinheit des Sinterkörpers erreicht. Ein AlN-Sinterkörper hoher Reinheit zeigt jedoch unvermeidbar als seine wesentliche Eigenschaft Transparenz. Die Transparenz ist in Abhängigkeit vom Anwendungsgebiet eine unerwünschte Eigenschaft. Wenn beispielsweise der obige AlN-Sinterkörper als Substrat einer Schaltungsplatte verwendet wird, kann durch die untere Oberfläche der Schaltungsplatte hindurchgelassenes Licht auf einen auf der oberen Oberfläche der Schaltungsplatte aufgebrachten Halbleiterchip, beispielsweise ein IC-Chip oder LSI-Chip, einstrahlen, wodurch es zu fehlerhaften Betrieb durch eine photoelektrische Wirkung kommt. Da darüber hinaus ein aus einem transparenten AlN-Sinterkörper bestehendes Substrat einen schwachen Farbtonunterschied zeigt, ist sein äußeres Aussehen beeinträchtigt.
Um die obigen Probleme bzw. Schwierigkeiten zu lösen, ist aus der US-PS 4 883 780 ein AlN-Sinterkörper, der schwarzgrau, schwarz o.dgl. gefärbt ist, bekannt. Dieser AlN-Sinterkörper besteht aus
(a) AlN,
(b) mindestens einem Element, ausgewählt aus der Gruppe Seltenerdealuminiumverbindung, Erdalkaliverbindung und Seltenerdeerdalkalialuminiumverbindung, und
(c) mindestens einem Element, ausgewählt aus der Gruppe Hf, Mo, W und zu den Gruppen Va, VIIa und VIII des Periodensystems gehörende Übergangsmetalle.
Der AlN-Sinterkörper enthält 0,01 - 18 Gew.-% (Oxidgehalt) der Komponente (b) und 0,01 - 15 Gew.-% der Komponente (c). Da jedoch mindestens eine Verbindung aus Seltenerdealuminiumverbindungen, Erdalkaliverbindungen und Seltenerdeerdalkalialuminiumverbindungen als Komponente (b) in einer AlN- Korngrenze oder dergleichen eines derartigen AlN-Sinterkörpers vorhanden ist, ist die thermische Leitfähigkeit dieses AlN-Sinterkörpers unzureichend, d.h. maximal höchstens etwa 110 W/m K.
Wie oben beschrieben, ist es schwierig, einen AlN-Sinterkörper sowohl hoher thermischer Leitfähigkeit als auch ausreichender Lichtabschirmeigenschaft im Rahmen der herkömmlichen Techniken herzustellen.
Aus der US-A-4 877 760 ist ein durch Herstellen eines Preßlings aus einem Material mit 100 Gew.-Teilen Aluminiumnitrid und 0,1 - 10 Gew.-Teilen, bezogen auf das Metallelement, mindestens einer Komponente, ausgewählt aus der Gruppe Elemente der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodensystems und ihre Verbindungen, und Sintern des Preßlings bei einer Temperatur im Bereich von 1500 - 2000ºC in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre mit einer Bor- und/oder Kohlenstoffzufuhrquelle gebildeter Sinterkörper auf AlN-Basis mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit bekannt. Die Verbindungen umfassen die Oxide, Boride, Nitride und Carbide. Die Elemente umfassen W, Mo, Ta und Ti. Die Oxide werden durch Sintern in andere Verbindungen umgewandelt.
Aus der EP-A-0342595 ist ein Sinterkörper aus Aluminiumnitrid mit
(i) Aluminiumnitrid als Hauptkomponente und
(ii) mindestens einer Komponente, ausgewählt aus der Gruppe Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Nd und Ho und Verbindungen derselben, in einer Gesamtmenge von nicht mehr als 1,0 Gew.-% und nicht weniger als 0,01 Gew.-%, ausgedrückt als die Elemente, bezogen auf den Sinterkörper,
bekannt. Der Sinterkörper ist gefärbt.
Aus der EP-A-0207465 ist ein Aluminiumsinterkörper mit
(a) Aluminiuninitrid,
(b) mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe eine Aluminiumverbindung eines Seltenerdemetalls, eine Aluminiumverbindung eines Erdalkalimetalls und eine Aluminiumverbindung eines Seltenerdemetalls und eines Erdalkalimetalls, und
(c) mindestens einem Element, ausgewählt aus den Übergangselementen der Gruppen IVa, Va, VIa, VIIa und VIII des Periodensystems und/oder mindestens einer Verbindung mit den Elementen,
sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben durch Vermischen von Aluminiumnitrid mit
(i) mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe Seltenerdemetall und/oder Erdalkalimetall, und
(ii) mindestens einem Element, ausgewählt aus der Gruppe Übergangselement der Gruppen IVa, Va, VIa, VIIa und VIII des Periodensystems, und/oder mindestens einer Verbindung mit dem Element,
gefolgt von einem Ausformen und Sintern des Gemisches bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen AlN-Sinterkörper hoher thermischer Leitfähigkeit und guter Lichtabschirmeigenschaft bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung des obigen AlN-Sinterkörpers sowohl hoher thermischer Leitfähigkeit als auch ausreichender Lichtabschirmeigenschaft durch einfache Herstellungsschritte anzugeben.
Gegenstand eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Aluminiumnitrid-Lichtabschirmsinterkörper im wesentlichen aus gesinterten Aluminiumnitridkristallkörnchen und 0,01 - 1,5 Gew.-%, ausgedrückt als Metall, von homogen in den gesinterten Aluminiumnitridkristallkörnchen dispergierten Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung, der eine thermische Leitfähigkeit von nicht weniger als 200 W/m K aufweist.
Gegenstand eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtabschirmaluminiumnitridsinterkörpers, das die folgenden Schritte umfaßt: Ausformen eines aus nicht mehr als 30 Gew.-%, ausgedrückt als Erdalkali- oder Seltenerdeelement, eines Pulvers aus einer Erdalkaliverbindung und/oder eines Pulvers aus einer Seltenerdeverbindung und 0,01 - 1,5 Gew.-%, ausgedrückt als Metall, von Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung und zum Rest aus Aluminiumnitridpulver bestehenden Rohmaterialpulvers, und Sintern des Formkörpers in einer reduzierenden Gasatmosphäre aus einem Gasgemisch von Kohlenstoffgas und einem Inertgas bei 1800 - 2000ºC während einer zur Entfernung der Erdalkaliverbindung und/oder Seltenerdeverbindung ausreichenden Zeit.
Die vorliegende Erfindung läßt sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen vollständiger verstehen. In den Zeichnungen bedeuten:
Fig. 1 bis 4 SEM-Photographien von Bereichen von gemäß Beispiel 1 bzw. den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 hergestellten AlN-Sinterkörpern und
Fig. 5 bis 8 Graphen einer Auftragung der Streudurchlässigkeit der gemäß Beispiel 1 bzw. den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 hergestellten AlN- Sinterkörpern gegen Licht eines spezifischen Wellenlängenbereichs.
Ein erfindungsgemäßer Lichtabschirm-AlN-Sinterkörper umfaßt, wie bereits ausgeführt, Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung.
Beispiele für das Übergangsmetall sind Zr, Nb, Ta, Ti, W, Mo, Cr, Fe, Co und Ni. Obwohl die Verbindung beispielsweise ein Nitrid, ein Carbid, ein Oxid, ein Oxycarbid und ein Oxynitrid der verschiedensten Übergangsmetalltypen sein kann, weist die Verbindung bevorzugt eine elektrische Leitfähigkeit auf. Beispiele für Übergangsmetallverbindungen mit elektrischer Leitfähigkeit sind ein Nitrid und ein Carbids eines Metalls, ausgewählt aus der Gruppe Zr, Nb, Ta und Ti.
Die Übergangsmetallteilchen oder die Teilchen einer Übergangsmetallverbindung weisen vorzugsweise eine durchschnittliche Teilchengröße von 5 um oder weniger auf, da bei einer durchschnittlichen Teilchengröße der Übergangsmetallteilchen oder der Teilchen der Übergangsmetallverbindung von mehr als 5 um die Färbungswirkung unzureichend werden kann.
Die Dispersionsmenge der Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung ist aus den folgenden Gründen begrenzt. Bei einer Dispersionsmenge der Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung von weniger als 0,01 Gew.-% kann kein AlN- Sinterkörper mit einer Lichtabschirmeigenschaft erhalten werden. Bei einer Dispersionsmenge der Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung von mehr als 1,5 Gew.-% wird die in der Korngrenze o.dgl. der AlN-Kristallkörnchen dispergierte Menge der Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung zu groß, um einen AlN-Sinterkörper mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit und beeinträchtigten elektrischen Eigenschaften zu erhalten. Die Dispersionsmenge der Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung beträgt vorzugsweise 0,2 - 1 Gew.-%.
Es sei darauf hingewiesen, daß der erfindungsgemäße AlN-Sinterkörper 8 000 ppm oder weniger und vorzugsweise 3 000 ppm oder weniger kationischer Verunreinigungen eines Erdalkalielements und/oder Seltenerdeelements und 2 000 ppm oder weniger Sauerstoffverunreinigungen in Form von sich von den AlN-Kristallkörnchen und den Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung unterscheidenden Komponenten enthalten kann.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Lichtabschirm-AlN-Sinterkörper besteht im wesentlichen aus Aluminiumnitridkristallkörnchen und darin homogen dispergierten Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung und weist eine thermische Leitfähigkeit von 200 W/m K oder mehr auf.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumnitrid- Lichtabschirmsinterkörpers gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt, wie ausgeführt, ein Ausformen eines Rohmaterialpulvers aus einem Pulver einer Erdalkaliverbindung und/oder eines Pulvers einer Seltenerdeverbindung und von Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung und zum Rest Aluminiumnitridpulver.
Das AlN-Pulver enthält zweckmäßigerweise 0,1 - 2,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 - 2,0 Gew.-%, Sauerstoffverunreinigungen und weist eine durchschnittliche Teilchengröße von zweckmäßigerweise 1,5 um oder weniger, vorzugsweise 0,1 - 1,2 um, auf. Die Menge der Sauerstoffverunreinigungen und der durchschnittliche Teilchendurchmesser sind aus den folgenden Gründen begrenzt. Bei einer Menge einer Sauerstoffverunreinigung von weniger als 0,1 Gew.-% ist es schwierig, einen AlN-Sinterkörper mit sowohl hoher Dichte als auch hoher Reinheit herzustellen. Bei einer Menge an Sauerstoffverunreinigungen über 2,5 Gew.-% ist es schwierig, einen AlN-Sinterkörper mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit herzustellen. Darüber hinaus wird bei einer durchschnittlichen Teilchengröße des AlN-Pulvers von mehr als 1,5 um die Sintereigenschaft des AlN-Pulvers beeinträchtigt, so daß es schwierig wird, einen AlN-Sinterkörper mit sowohl hoher Dichte als auch hoher Reinheit herzustellen.
Die Erdalkaliverbindung und/oder Seltenerdeverbindung werden beim Sintern in ein zusammengesetztes Oxid, beispielsweise ein Erdalkalialuminat, Seltenerdealuminat oder Erdalkali/Seltenerde-Aluminat, umgewandelt und aus dem System des Sinterkörpers bei Beendigung des Sinterns entfernt. Beispiele für derartige Erdalkaliverbindungen sind die Oxide, Carbide, Fluoride, Carbonate, Oxalate, Nitrate und Alkoxide von Ca, Ba und Sr. Beispiele für die Seltenerdeverbindungen sind die Oxide, Carbide, Fluoride, Carbonate, Oxalate, Nitrate und Alkoxide von Y, La, Ce, Nd, Dy und Pr. Besonders bevorzugte Beispiele sind Verbindungen von Y, La und Ce.
Die Zugabemenge des Pulvers einer Erdalkaliverbindung und/oder Pulvers einer Seltenerdeverbindung ist aus den folgenden Gründen begrenzt. Bei einer Menge der Pulver der Verbindungen von mehr als 30 Gew.-% verbleiben die Elemente der Verbindungen in einer AlN-Korngrenze unter Beeinträchtigung der hohen thermischen Leitfähigkeit des AlN-Sinterkörpers. Die Menge der Pulver der Verbindungen beträgt vorzugsweise 0,1 - 20 Gew.-%.
Beispiele für die Übergangsmetallverbindung sind die Oxide, Carbide, Fluoride, Carbonate, Oxalate, Nitrate und Alkoxide eines Übergangsmetalls.
Die Menge der Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung ist aus den folgenden Gründen begrenzt. Bei einer Menge der Teilchen von weniger als 0,01 Gew.-% kann kein AlN-Sinterkörper mit einer Lichtabschirmeigenschaft erhalten werden. Bei einer Menge von mehr als 1,5 Gew.-% kann nicht nur kein AlN-Sinterkörper mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit erhalten werden, sondern es ist auch die Sinterungseigenschaft des AlN-Sinterkörpers beeinträchtigt. Eine bevorzugte Menge der Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung beträgt 0,01 - 0,99 Gew.-%.
Ein Beispiel des Reduktionsgases ist ein Gasgemisch von Kohlenstoffgas und einem Inertgas, beispielsweise N&sub2;, Ar oder He. Das Kohlenstoffgas kann aus einer Kohlenstoffheizvorrichtung oder einem Kohlenstoffgefäß eines Sinterofens oder aus einem thermischen Zersetzungsgas eines Kohlenwasserstof fgases, beispielsweise Methan, das zusammen mit dem Inertgas zugespeist wird, zugeführt werden.
Die Sintertemperatur ist aus den folgenden Gründen begrenzt. Wenn die Sintertemperatur weniger als 1800ºC beträgt, wird nicht nur die Sintereigenschaft des Formlings beeinträchtigt, sondern es werden auch die Elemente des Pulvers der Erdalkaliverbindung und/oder des Pulvers der Seltenerdeverbindung als Sinterhilfsmittel nicht entfernt, sondern verbleiben in einer AlN-Korngrenze unter Verringerung der thermischen Leitfähigkeit des hergestellten AlN-Sinterkörpers. Wenn die Sintertemperatur mehr als 2000ºC beträgt, kommt es zu einer Sublimation von AlN im Formling unter Reaktion mit Kohlenstoffgas in der Atmosphäre. Dadurch wird eine große Menge Carbid und Nitrid unter Verringerung der thermischen Leitfähigkeit des hergestellten AlN-Sinterkörpers gebildet. Darüber hinaus wird ein Sintern vorzugsweise 6 h lang oder mehr, wenn die Sintertemperatur an der unteren Grenze (1800ºC) des obigen Sintertemperaturbereichs liegt, und 4 h lang oder mehr, wenn sie an der oberen Grenze (2000ºC) liegt, durchgeführt.
Da der oben beschriebene erfindungsgemäße AlN-Sinterkörper im wesentlichen aus AlN-Kristallkörnchen und 0,01 - 1,5 Gew.-% (Gehalt eines Elements im Falle einer Übergangsmetallverbindung) von homogen dispergierten Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung besteht, weist er sowohl eine hohe thermische Leitfähigkeit als auch gute Lichtabschirmeigenschaft auf.
Das heißt, es wird angenommen, daß bei Sintern eines aus einem AlN-Pulver und einem Additiv bestehenden Formlings bei einer bestimmten Temperatur eine in dem AlN-Pulver unvermeidbar enthaltene Aluminiumoxidverunreinigung mit dem Additiv unter Bildung eines Aluminats reagiert und zu einer Flüssigphasenreaktion unter Erhöhung der Dichte eines AlN- Sinterkörpers führt. Wenn beispielsweise Y&sub2;O&sub3; als Additiv verwendet wird, wird ein Verbundoxid auf Y-Al-O-Basis, beispielsweise 3Y&sub2;O&sub3; 5Al&sub2;O&sub3;, Y&sub2;O&sub3; Al&sub2;O&sub3; oder 2Y&sub2;O&sub3; Al&sub2;O&sub3;, im AlN-Sinterkörper gebildet. Wenn CaO als Additiv verwendet wird, wird ein Verbundoxid auf Ca-Al-O-Basis, beispielsweise CaO Al&sub2;O&sub3; oder 2CaO Al&sub2;O&sub3;, im Sinterkörper gebildet. Ein derartiges Aluminat verbleibt als Korngrenzphase in einem Korngrenztripelpunkt. Mit anderen Worten wird eine in dem AlN-Pulver enthaltene Aluminiumoxidverunreinigung bei Bildung des Aluminats durch eine Korngrenzfläche eingeschlossen, wobei die Reinheit der AlN-Kristalle erhöht wird.
Wenn das Aluminat in dem AlN-Sinterkörper verbleibt, wird die thermische Leitfähigkeit des AlN-Sinterkörpers jedoch in Reaktion zur verbleibenden Menge verringert. Folglich erfolgt ein Sintern in einer reduzierenden Atmosphäre während einer ausreichend langen Zeit, um das Verbundoxid aus dem System zu entfernen und dadurch die Reinheit, d.h. die thermische Leitfähigkeit, zu erhöhen. Ein ein derartiges Verbundoxid nicht enthaltender AlN-Sinterkörper besteht bekanntermaßen im wesentlichen aus einer einzelnen AlN-Phase, wie mit Hilfe einer röntgendiffraktometrischen Untersuchung oder einer SEM festgestellt werden kann. Man nimmt an, daß der Mechanismus einer Entfernung des Verbundoxids in bezug zu einer Reduktionsnitrierreaktion und einer Verdampfung des Verbundoxids steht. Die Geschwindigkeit, mit der das Verbundoxid den AlN-Sinterkörper verläßt, hängt von der Sinteratmosphäre ab und ist in einer Atmosphäre unter Verwendung eines Kohlenstoffsintergefäßes höher als in einer Atmosphäre unter Verwendung eines AlN- oder BN-Sintergefäßes. Auf diese Weise werden bekannte, eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisende AlN-Sinterkörper grob in AlN-Sinterkörper aus einer einzelnen AlN-Phase und AlN-Sinterkörper, bei denen ein von einer in einem AlN-Pulver als Rohmaterial enthaltenen Aluminiumoxidverunreinigung herrührendes Aluminat verbleibt, eingeteilt.
Der erfindungsgemäße AlN-Sinterkörper besteht im wesentlichen aus AlN-Kristallkörnchen und 0,01 - 1,5 Gew.-% (Gehalt an einem Element im Falle einer Übergangsmetallverbindung) von homogen dispergierten Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung und ist folglich ein neues Produkt, das das oben beschriebene Aluminat nicht enthält. Folglich weist der erfindungsgemäße AlN-Sinterkörper sowohl eine hohe thermische Leitfähigkeit von 200 W/m K oder mehr, die durch eine hohe Reinheit des AlN erreicht wird, als auch eine Lichtabschirmeigenschaft, die durch die Anwesenheit der Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung erhalten wird, auf. Es wird angenommen, daß ein AlN-Sinterkörper mit der obigen Ausgestaltung aus den folgenden Gründen eine Lichtabschirmeigenschaft aufweist:
Wenn eine vorgegebene Menge der Übergangsmetallteilchen und/oder der Teilchen einer Übergangsmetallverbindung in den AlN-Kristallkörnchen dispergiert sind, tritt auf den Oberflächen der Übergangsmetallteilchen und/oder der Teilchen einer Übergangsmetallverbindung eine Lichtabsorption auf. Der Grund dafür ist vermutlich, daß die dispergierten Teilchen elektrisch leitend sind. Eine elektrisch leitende Substanz, beispielsweise ein Metall, reflektiert Licht beinahe vollständig und zeigt somit einen sogen. metallischen Glanz, selbst wenn seine Oberflächenschicht Licht absorbiert. Wenn feine Teilchen vorhanden sind, wiederholen sich an einem Teil der feinen Teilchen Reflexion und Absorption unbegrenzt. Darüber hinaus sind viele Metallteilchen schwarz, wie wohl bekannt ist. Es wird folglich angenommen, daß in einem durch Dispergieren einer gegebenen Menge der Übergangsmetallteilchen und/oder der Teilchen einer Übergangsmetallverbindung in AlN-Kristallkörnchen erhaltenen AlN- Sinterkörper eine Lichtabschirmeigenschaft durch Lichtabsorption und mehrfache Reflexion auf den Kornoberflächen erreicht wird.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß ein aus einer gegebenen Menge eines Pulvers einer Erdalkaliverbindung und/oder eines Pulvers einer Seltenerdeverbindung, einer gegebenen Menge von Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung und zum Rest aus Aluminiumnitrid (AlN)-Pulver bestehendes Rohmaterialpulver ausgeformt, worauf der Formkörper in einer reduzierenden Gasatmosphäre bei 1800 - 2000ºC gesintert wird. Mit fortschreitender Sinterungsreaktion erhöht sich die Dichte und Reinheit des AlN- Pulvers ungeachtet der Anwesenheit der Übergangsmetallkörnchen und/oder Körnchen einer Übergangsmetallverbindung. Mit anderen Worten bewirken die Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung beinahe keine Erhöhung der Dichte und Reinheit von AlN im obigen Sinterverfahren. Als Ergebnis kann ein AlN-Sinterkörper hergestellt werden, bei dem die Reinheit der AlN-Kristallkörnchen erhöht ist und Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung homogen in einer Korngrenze der AlN-Kristallkörnchen verteilt sind.
Obwohl der nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte AlN-Sinterkörper aufgrund einer Bestimmung unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers oder einer SEM aus AlN und einer Übergangsmetallverbindung besteht, enthält er gemäß der Ergebnisse einer Elementaranalyse Sauerstoff oder weitere kationische Verunreinigungen in einer Menge von mehreren 100 ppm. Darüber hinaus behält die Übergangsmetallverbindung gemäß der Ergebnisse einer Berechnung auf der Basis von SEM-Photographien trotz eines Wachstums der AlN-Kristallkörnchen auf eine durchschnittliche Korngröße von 5 - 20 um während eines Sinterns im wesentlichen ihre Rohmaterialform bei und bedingt nahezu kein Kornwachstum. Folglich kann ein AlN-Sinterkörper mit sowohl hoher thermischer Leitfähigkeit von 200 W/m K oder mehr als auch einer Lichtabschirmeigenschaft aufgrund der Anwesenheit der Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung in der Korngrenze der AlN-Kristallkörnchen hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand ihrer Beispiele detaillierter beschrieben.

Beispiel 1

3 Gew.-Teile (Y-Gehalt: 2,38 Gew.-Teile) eines Y&sub2;O&sub3;-Pulvers einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,1 um und einer Reinheit von 99,9% und 0,5 Gew.-Teile (Ti-Gehalt: 0,30 Gew.- Teile) von TiO&sub2;-Teilchen einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1,0 um und einer Reinheit von 99,9% wurden in 96,5 Gew.-Teile eines AlN-Pulvers mit einer Verunreinigungsmenge in Form von Sauerstoff von 1,0 Gew.-% und einer durchschnittlichen Primärteilchengröße von 0,6 um eingetragen, worauf das erhaltene Material mit Hilfe einer Kugelmühle zur Herstellung eines Rohmaterialpulvers vermischt wurde. Danach wurden 5 Gew.-% eines Acrylbindemittels in das Rohmaterialpulver eingetragen, das Gemisch granuliert und 12 g des granulierten Pulvers bei einem uniaxialen Druck von 500 kg/cm² unter Herstellung eines Preßlings einer Größe von 30 mm x 30 mm x 7 mm ausgeformt.
Nachfolgend wurde der Preßling in einer Stickstoffgasatmosphäre zur Entfernung des Bindemittels auf Acrylbasis auf 700ºC erwärmt. Danach wurde der erhaltene Preßling in ein Kohlenstoffgefäß eingebracht, worauf das Gefäß in einen Kohlenstoffheizofen zur Durchführung einer 48-stündigen Sinterung bei 1850ºC in einer Stickstoffgasatmosphäre eines Drucks von 1 atm eingebracht wurde. Dabei wurde ein AlN-Sinterkörper hergestellt. Ein Teststück des erhaltenen AlN-Sinterkörpers wurde vermahlen, worauf seine Strukturphase durch Röntgendiffraktometrie bestimmt wurde. Als Ergebnis handelte es sich bei der sich von AlN unterscheidenden Strukturphase lediglich um eine unbekannte Phase, vermutlich TiN (vgl. die folgende Tabelle 1).

Vergleichsbeispiel 1

Ein gemäß dem folgenden Beispiel 1 hergestellter Preßling wurde in ein Kohlenstoffgefäß eingebracht, worauf das Gefäß in einen Kohlenstoffheizofen zur Durchführung einer 2-stündigen Sinterung bei 1850ºC in einer Atmosphäre bei einem Druck von 1 atm zur Herstellung eines AlN-Sinterkörpers eingebracht wurde. Gemäß Beispiel 1 wurde die Strukturphase des erhaltenen AlN-Sinterkörpers durch Röntgendiffraktometrie bestimmt. Als Ergebnis handelte es sich bei den von AlN verschiedenen Strukturphasen um TiN und die Yttriumaluminiumverbindungen YAlO&sub3; und Y&sub4;Al&sub2;O&sub9; (vgl. die folgende Tabelle 1).

Vergleichsbeispiel 2

Entsprechend dem Vorgehen in Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß ein Rohmaterialpulver durch Eintragen von lediglich 3 Gew.-Teilen (Y-Gehalt: 2,38 Gew.-Teile) eines Y&sub2;O&sub3;-Pulvers in 97 Gew.-Teile eines dem in Beispiel 1 verwendeten AlN- Pulvers ähnlichen AlN-Pulvers und Vermischen des erhaltenen Materials mit Hilfe einer Kugelmühle hergestellt worden war, wurde ein AlN-Sinterkörper hergestellt. Die Strukturphase des erhaltenen AlN-Sinterkörpers wurde durch Röntgendiffraktometrie entsprechend dem Verfahren in Beispiel 1 bestimmt. Als Ergebnis wurde keine andere Strukturphase als AlN festgestellt (vgl. die folgende Tabelle 1).

Vergleichsbeispiel 3

Entsprechend dem Vorgehen in Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß ein Rohmaterialpulver durch Zugabe von lediglich 3 Gew.- Teilen (Y-Gehalt: 2,38 Gew.-Teile) eines Y&sub2;O&sub3;-Pulvers zu 97 Gew.-Teilen eines dem in Beispiel 1 verwendeten AlN-Pulver ähnlichen AlN-Pulvers und Vermischen des erhaltenen Materials mit Hilfe einer Kugelmühle sowie 2-stündiges Sintern hergestellt worden war, wurde ein AlN-Sinterkörper zubereitet. Die Strukturphase des erhaltenen AlN-Sinterkörpers wurde durch Röntgendiffraktometrie entsprechend dem Vorgehen in Beispiel 1 identifiziert. Als Ergebnis handelte es sich bei den von AlN verschiedenen Strukturphasen um die Yttriumaluminiumverbindungen YAlO&sub3; und Y&sub4;Al&sub2;O&sub9; (vgl. die folgende Tabelle 1).
Der Farbton eines jeden AlN-Sinterkörpers des Beispiels 1 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 wurde untersucht. Daneben wurden gemäß den folgenden Verfahren die Dichte und thermische Leitfähigkeit eines jeden AlN-Sinterkörpers des Beispiels 1 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 bestimmt. Die Ergebnisse sind auch in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.

(1) Dichtebestimmung eines AlN-Sinterkörpers.

Die Dichte eines jeden AlN-Sinterkörpers wurde nach dem Archimedes-Verfahren bestimmt.

(2) Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit eines AlN- Sinterkörpers.

Aus jedem AlN-Sinterkörper wurde eine Scheibe eines Durchmessers von 10 mm und einer Dicke von 3 mm herausgeschnitten, worauf die thermische Leitfähigkeit bei einer Temperatur von 21ºC ± 2ºC mit Hilfe eines Laserblitzlichtverfahrens bestimmt wurde.
Die Fig. 1 bis 4 zeigen SEM-Photographien von Bereichen der gemäß Beispiel 1 bzw. den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 erhaltenen AlN-Sinterkörpern. Die Fig. 5 bis 8 zeigen die diffuse Transmission der AlN-Sinterkörper des Beispiels 1 bzw. der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 in Relation zu Licht eines spezifischen Wellenlängenbereichs.
Wie aus der folgenden Tabelle 1 und der in Fig. 5 dargestellten diffusen Transmission ersichtlich, weist der AlN- Sinterkörper des Beispiels 1 sowohl eine hohe thermische Leitfähigkeit als auch eine gute Lichtabschirmeigenschaft auf. Der AlN-Sinterkörper des Beispiels 1 weist aufgrund seines Bestehens aus lediglich AlN-Kristallkörnchen und einer nahe einer Korngrenze der Körnchen homogen verteilten Phase, die vermutlich aufgrund des Verständnisses aus der in Tabelle 1 dargestellten Strukturphase und der in Fig. 1 dargestellten SEM-Photographie aus TiN besteht, ausgezeichnete Eigenschaften auf.
Wie aus der folgenden Tabelle 1 und der in Fig. 6 dargestellten diffusen Transmission ersichtlich, weist der AlN- Sinterkörper des Vergleichsbeispiels 1 trotz einer guten Lichtabschirmeigenschaft eine geringe thermische Leitfähigkeit auf. Die thermische Leitfähigkeit des AlN-Sinterkörpers des Vergleichsbeispiels 1 ist gering, da die AlN-Körnchen eine unzureichende Verunreinigungskonzentration aufweisen und ferner Yttriumaluminiumoxid neben TiN nahe der Korngrenze der AlN-Kristallkörnchen gemäß dem Verständnis der in Tabelle 1 dargestellten Strukturphase und der in Fig. 2 dargestellten SEM-Photographie vorhanden ist.
Wie aus der folgenden Tabelle 1 und der in Fig. 7 dargestellten diffusen Transmission ersichtlich, weist der AlN- Sinterkörper des Vergleichsbeispiels 2 trotz einer hohen thermischen Leitfähigkeit eine Transparenz auf. Der AlN-Sinterkörper des Vergleichsbeispiels 2 weist eine Transparenz auf, da keine andere Strukturphase als die AlN-Kristallkörnchen vorhanden ist und die Reinheit erhöht ist, wie sich aus dem Verständnis der in Tabelle 1 dargestellten Strukturphase und der in Fig. 3 dargestellten SEM-Photographie ergibt.
Wie aus der folgenden Tabelle 1 und der in Fig. 8 dargestellten diffusen Transmission ersichtlich, weist der AlN- Sinterkörper des Vergleichsbeispiels 3 nicht nur eine geringe thermische Leitfähigkeit, sondern auch eine Transparenz auf. Der AlN-Sinterkörper des Vergleichsbeispiels 3 weist eine niedrige thermische Leitfähigkeit und Transparenz auf, da die AlN-Körnchen eine jedoch unzureichende Verunreinigungskonzentration aufweisen und ferner da eine große Menge Yttriumaluminiumoxid nahe einer Korngrenze der AlN- Kristallkörnchen gemäß dem Verständnis aus der in Tabelle 1 dargestellten Strukturphase und der in Fig. 4 dargestellten SEM-Photographie vorhanden ist.

Beispiele 2 bis 8

Entsprechend dem Vorgehen in Beispiel 1 jedoch unter Verwendung der in der folgenden Tabelle 2 dargestellten Rohmaterialpulver wurden sieben Typen von AlN-Sinterkörpern hergestellt.
Der Farbton eines jeden AlN-Sinterkörpers der Beispiele 2 bis 8 wurde untersucht. Als Ergebnis wies jeder AlN-Sinterkörper eine dunkelbraune oder graue Farbe auf. Dies deutet auf eine zufriedenstellende Lichtabschirmeigenschaft hin. Bei einer röntgendiffraktometrischen Untersuchung dieser AlN-Sinterkörper wiesen die Sinterkörper der Beispiele 2, 3, 4 bzw. 5 bis 8 neben der AlN-Phase eine andere Phase, bei der es sich vermutlich um eine ZrN-, NbC-, TaC- bzw. TiN- Phase handelt, auf. Darüber hinaus wurden entsprechend dem Vorgehen in Beispiel 1 die Dichte und thermische Leitfähigkeit eines jeden AlN-Sinterkörpers sowie der elektrische Widerstand, die Isolierdurchschlagspannung und die Dielektrizitätskonstante dieser Sinterkörper nach den folgenden Verfahren bestimmt. Die Meßergebnisse sind in der folgenden Tabelle 2 dargestellt.

(1) Bestimmung des elektrischen Widerstands eines AlN- Sinterkörpers.

Der elektrische Widerstand wurde durch Anlegen einer Gleichspannung von 100 V an den AlN-Sinterkörper bei Raumtemperatur im Rahmen eines Zweiklemmenverfahrens bestimmt.

(2) Bestimmung einer Isolierdurchschlagspannung eines AlN- Sinterkörpers.

Die Isolierdurchschlagspannung wurde durch Anlegen einer 50 Hz-Wechselspannung an den AlN-Sinterkörper in einem isolierenden Öl bei Raumtemperatur bei einer Verstärkungsrate von 500 V/s bestimmt.

(3) Bestimmung der Dielektrizitätskonstante eines AlN- Sinterkörpers.

Die Dielektrizitätskonstante des AlN-Sinterkörpers wurde bei Raumtemperatur und einer Frequenz von 10 GHz im Rahmen eines Hohlraumresonanzverfahrens bestimmt.

Beispiele 9 bis 14

Entsprechend dem Vorgehen in Beispiel 1 jedoch unter Verwendung der in der folgenden Tabelle 3 dargestellten Rohmaterialpulver wurden sechs Typen von AlN-Sinterkörpern hergestellt.
Die Farbtönung eines jeden AlN-Sinterkörpers der Beispiele 9 bis 14 wurde untersucht. Als Ergebnis wies jeder AlN-Sinterkörper eine dunkelbraune oder graue Farbe auf. Dies weist auf eine ausreichende Lichtabschirmeigenschaft hin. Wurden diese AlN-Sinterkörper einer röntgendiffraktometrischen Untersuchung unterzogen, zeigte sich, daß die Sinterkörper der Beispiele 9, 10, 11, 12, 13 und 14 neben AlN unbekannte Phasen, bei denen es sich vermutlich um ZrN, NbC, TaC, TiN, metallisches W bzw. metallisches Mo handelt, aufwiesen. Daneben wurden die Dichte, die elektrische Leitfähigkeit, der elektrische Widerstand, die Isolierdurchschlagspannung und die Dielektrizitätskonstante eines jeden AlN-Sinterkörpers im Rahmen der oben beschriebenen Verfahren bestimmt. Die Meßergebnisse sind in der folgenden Tabelle 3 dargestellt.

Beispiele 15 bis 19

Entsprechend dem Vorgehen in Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß Rohmaterialpulver einer Komponentenzusammensetzung gemäß Beispiel 1 unter Verwendung von AlN-Pulvern mit Zusammensetzungen gemäß der folgenden Tabelle 4 hergestellt wurden und ein Sintern unter den in Tabelle 4 dargestellten Bedingungen erfolgte, wurden fünf Typen von AlN-Sinterkörpern hergestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß in Beispiel 19 6 g Granulatpulver verwendet wurden.
Es wurde die Farbtönung eines jeden AlN-Sinterkörpers der Beispiele 15 bis 19 untersucht. Als Ergebnis zeigte jeder AlN-Sinterkörper eine dunkelbraune oder graue Farbe. Dies weist auf eine ausreichende Lichtabschirmeigenschaft hin. Bei einer röntgendiffraktometrischen Untersuchung dieser AlN-Sinterkörper wiesen alle AlN-Sinterkörper eine unbekannte Phase, bei der es sich vermutlich um TiN handelte, neben AlN auf. Daneben wurden die Dichte, die thermische Leitfähigkeit, der elektrische Widerstand, die lsolierdurchschlagspannung und die Dielektrizitätskonstante eines jeden AlN-Sinterkörpers nach den oben beschriebenen Verfahren bestimmt. Die Meßergebnisse sind in der folgenden Tabelle 4 dargestellt.

Beispiel 20

Eine durch Eintragen eines Bindemittels auf Acrylbasis in ein dem in Beispiel 1 verwendeten Rohmaterialpulver ähnliches Rohmaterialpulver hergestellte Zusammensetzung wurde im Rahmen eines Luftrakelverfahrens zu einer Folie ausgeformt und zu 1000 Folien einer jeweiligen Größe von 6,2 mm x 6,2 mm x 0,77 mm zurecht geschnitten. Danach wurden diese Folien einer Bindemittelentfernung und einem Sintern gemäß dem Vorgehen in Beispiel 1 unterworfen. Dabei wurden folienartige AlN-Sinterkörper hergestellt.

Vergleichsbeispiel 4

Durch Eintragen von lediglich 3 Gew.-Teilen (Y-Gehalt: 2,38 Gew.-Teile) eines Y&sub2;O&sub3;-Pulvers in 97 Gew.-Teile eines dem in Beispiel 1 verwendeten AlN-Pulver ähnlichen AlN-Pulvers und Vermischen des erhaltenen Materials mit Hilfe einer Kugelmühle wurde ein Rohmaterialpulver hergestellt. Durch Zugabe eines Bindemittels auf Acrylbasis zu dem Materialpulver wurde eine Zusammensetzung erhalten. Die erhaltene Zusammensetzung wurde im Rahmen eines Luftrakelverfahrens zu einer Folie ausgeformt und diese zu 1000 Folien einer jeweiligen Größe von 6,2 mm x 6,2 mm x 0,77 mm zurechtgeschnitten. Danach wurden diese Folien einer Bindemittelentfernung und einem Sintern entsprechend den Verfahren in Beispiel 1 zur Herstellung von folienartigen AlN-Sinterkörpern unterworfen.
Die Anwesenheit/Abwesenheit einer Farbvariation wurde mit bloßem Auge und unter Verwendung eines Mikroskops bei jedem der folienartigen AlN-Sinterkörper des Beispiels 20 und Vergleichsbeispiels 4 untersucht. Das Ergebnis war, daß bei deru Sinterkörper des Beispiels 20 bei lediglich drei von 1000 Folien eine Farbvariation festgestellt wurde, während bei dem Sinterkörper des Vergleichsbeispiels 4 bei 270 von 1000 Folien eine Farbvariation festgestellt wurde.
Wie oben beschrieben, wird erfindungsgemäß ein AlN-Sinterkörper mit sowohl hoher thermischer Leitfähigkeit von 200 W/m K oder mehr als auch einer guten Lichtabschirmeigenschaft bereitgestellt. Der AlN-Sinterkörper kann folglich in geeigneter Weise als Substrat einer Schaltungsplatte verwendet werden. Ferner wird ein Verfahren zur einfachen Herstellung eines derartigen AlN-Sinterkörpers in hoher Ausbeute angegeben. TABELLE 1 Farbtönung Von AlN verschiedene Strukturphase Dichte (g/cm³) Thermische Leitfähigkeit (W/m K) Beispiel Vergleichsbeispiel Dunkelbraun Schwach orangeweiß (transparent) TABELLE 2 Rohmaterialpulverzusammensetzung AlN-Pulver Additiv Menge an Sauerstoffverunreinigung (Gew.%) Durchschnittliche Teilchengröße (um) Komponente Zugabemenge (Elementgehalt in Klammern)* Beispiel *Zugabemenge und Elementgehalt sind in Gew.-Teilen angegeben. TABELLE 2 (Fortsetzung): Dichte (g/cm²) Thermische Leitfähigkeit (W/m K) Elektrischer Widerstand (Ω cm) Isolierdurchschlagspannung (KV/mm) bei 50Hz Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz Beispiel TABELLE 3 Rohmaterialpulverzusammensetzung AlN-Pulver Additiv Menge an Sauerstoffverunreinigung (Gew.%) Durchschnittliche Teilchengröße (um) Pulver Zugabemenge (Elementgehalt in Klammern)* Beispiel *Zugabemenge und Elementgehalt sind in Gew.-Teilen angegeben. TABELLE 3 (Fortsetzung) Dichte (g/cm²) Thermische Leitfähigkeit (W/m K) Elektrischer Widerstand (Ω cm) Isolierdurchschlagspannung (KV/mm) bei 50Hz Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz Beispiel TABELLE 4 AlN-Pulver Menge an Sauerstoffverunreinigung (Gew.%) Durchschnittliche Teilchengröße (um) Temperatur (Cº) Zeit (h) Thermische Leitfähigkeit (W/m K) Elektrischer Widerstand (Ω cm) Isolierdurchschlagspannung (KV/mm) bei 50Hz Dielektrizitätskonstante bei 1 MHz Beispiel

Claims

1. Lichtabschirmender Aluminiumnitridsinterkörper aus im wesentlichen gesinterten Aluminiumnitridkristallkörnchen und 0,01 - 1,5 Gew.-%, ausgedrückt als Metall, Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung, die homogen in den gesinterten Aluminiumnitridkristallkörnchen dispergiert sind, einer thermischen Leitfähigkeit von nicht weniger als 200 W/m K.

2. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Teilchengröße der Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung nicht mehr als 5 um beträgt.

3. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmetallverbindung eine elektrische Leitfähigkeit aufweist.

4. Sinterkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmetallverbindung mit elektrischer Leitfähigkeit aus einem Nitrid oder einem Carbid eines Metalls, ausgewählt aus der Gruppe Zr, Nb, Ta und Ti, besteht.

5. Verfahren zur Herstellung eines lichtabschirmenden Aluminiumnitridsinterkörpers, umfassend die folgenden Stufen:

Ausformen eines Rohmaterialpulvers aus nicht mehr als 30 Gew.-%, ausgedrückt als Erdalkalielement oder Seltenerdeelement, eines Pulvers einer Erdalkaliverbindung und/oder eines Pulvers einer Seltenerdeverbindung und 0,01 - 1,5 Gew.-%, ausgedrückt als Metall, Übergangsmetallteilchen und/oder Teilchen einer Übergangsmetallverbindung und zum Rest aus Aluminiumnitridpulver und Sintern des Formlings in einer reduzierenden Gasatmosphäre aus einem Gasgemisch von Kohlenstoffgas und einem Inertgas bei 1 800 - 2 000ºC während einer zur Entfernung der Erdalkaliverbindung und/oder Seltenerdeverbindung ausreichenden Zeit.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumnitridpulver 0,1 bis 2,5 Gew.-% Sauerstoffverunreinigung enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Teilchengröße des Aluminiumnitridpulvers nicht mehr als 1,5 um beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdalkaliverbindung aus einem Oxid, einem Carbid, einem Fluorid, einem Carbonat, einem Oxalat, einem Nitrat oder einem Alkoxid von Ca, Ba oder Sr besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seltenerdeverbindung aus einem Oxid, einem Carbid, einem Fluorid, einem Carbonat, einem Oxalat, einem Nitrat oder einem Alkoxid eines Metalls, ausgewählt aus der Gruppe Y, La, Ce, Nd, Dy und Pr, besteht.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmetallverbindung aus einem Oxid, einem Nitrid, einem Carbid, einem Fluorid, einem Carbonat, einem Oxalat, einem Nitrid oder einem Alkoxid eines Übergangsmetalls besteht.