(57)【要約】  本発明は、高熱伝導性材料、すなわち窒化アルミニウム製の機能性成形体、押出しによるそれらの製造方法、及びそれらの使用に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウムセラミック製の機能性成形体の製造方法であって、
炭素熱還元により製造された窒化アルミニウム粉末及び窒化アルミニウム−酸化イットリウム粒状物、少なくとも１種のバインダ及び場合により分散剤及び／又は油又はワックスの水性混合物を激しく混合し、この混合物を、押出機中で粗製機能性成形体（ブランク）にプレスし、このブランクを窒化アルミニウムセラミックに常用の条件下で焼結させることを特徴とする、
窒化アルミニウムセラミック製の機能性成形体の製造方法。
【請求項２】
使用される窒化アルミニウム−酸化イットリウム粒状物が、炭素熱還元により製造されている、請求項１記載の窒化アルミニウムセラミック製の機能性成形体の製造方法。
【請求項３】
窒化アルミニウム−酸化イットリウム粒状物に、有機コーティングが設けられている、請求項１又は２記載の窒化アルミニウムセラミックの機能性成形体の製造方法。
【請求項４】
炭素熱還元により製造された窒化アルミニウム粉末及び窒化アルミニウム−酸化イットリウム粒状物を、２０：８０〜８０：２０の比で、好ましくは５０：５０の比で混合する、請求項１から３までのいずれか１項記載の窒化アルミニウムセラミック製の機能性成形体の製造方法。
【請求項５】
セラミック成分中のＹ2Ｏ3の全量が、好ましくは、２〜５％である、請求項１から４までのいずれか１項記載の窒化アルミニウムセラミック製の機能性成形体の製造方法。
【請求項６】
使用される炭素熱還元により製造された窒化アルミニウムが、１〜１０m2/gの比表面積及び０．５〜５μm、好ましくは１．０〜２．０μmの平均粒度ｄ50を有する、請求項１から５までのいずれか１項記載の窒化アルミニウムセラミック製の機能性成形体の製造方法。
【請求項７】
バインダが、全混合物を基準として、２〜１２％、好ましくは５〜１０％、特に好ましくは７〜８％の量で、ポリビニルアルコール及び／又はセルロース種、例えばポリビオール、モビオール及び／又はタイローズから選択されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の窒化アルミニウムセラミック製の機能性成形体の製造方法。
【請求項８】
分散剤として、全混合物を基準として、０．０５〜０．５％、好ましくは０．１〜０．３％、特に好ましくは０．１２〜０．２％の量の、例えばポリアクリラートベースの、完全に熱分解可能な薬剤を使用する、請求項１から７までのいずれか１項記載の窒化アルミニウムセラミック製の機能性成形体の製造方法。
【請求項９】
押出機からの配合物の滑動を促進する油を使用し、かつ全混合物を基準として、３〜１０％、好ましくは５〜８％、特に好ましくは６〜７％の量で使用する、請求項１から８までのいずれか１項記載の窒化アルミニウムセラミック製の機能性成形体の製造方法。
【請求項１０】
懸濁に必要な水が、全混合物の０．５〜１２％になる、請求項１から９までのいずれか１項記載の窒化アルミニウムセラミック製の機能性成形体の製造方法。
【請求項１１】
請求項１から５までのいずれか１項に従い製造される、窒化アルミニウムセラミック製の機能性成形体。
【請求項１２】
発光ダイオード用の基板として、抵抗管として、発光ダイオード用のヒートシンクを組み立てるため又は冷却器として、特に液体冷却器としての、請求項６記載の機能性成形体の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の対象は、高熱伝導性材料製の機能性成形体、それらの製造方法及びそれらの使用である。
【０００２】
高い絶縁抵抗を有する抵抗器コアは、例えば、円柱形セラミック基板からなる。それらの表面上に、定義された抵抗を有する層状被覆が焼結される／熱処理される。
【０００３】
前記セラミックはその際に主に、低い熱伝導率（約１０〜２５W/m・K）を有するアルミナ含有材料からなる。
【０００４】
定義されたデザインを有する高熱伝導性材料製の機能性成形体、例えば３０×３０×２５０mmの寸法を有する液体冷却用の（複数の）内管を有する長く延びたヒートシンクは、商業的にはまだ得られない。そのような目的に適した高熱伝導性材料は、所望のデザインに、知られた安価な方法を用いては、困難にのみ加工されうるか又はそれどころか加工されることができない。
【０００５】
高熱伝導性材料として、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が特に好ましい。この材料から製造されるセラミック（ＡｌＮセラミック）は、例えば熱を迅速に導出するために、高出力用途に特に適しているであろう。定義されたデザインを有する機能性成形体に使用される押出法は、これまで、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に使用され得なかった、それというのも、押出材料は通常、水で状態調節されるからである。窒化アルミニウムの加水分解感受性は、この方法の使用を妨げ、それゆえ定義されたデザインを有する窒化アルミニウム製の機能性成形体の大工業的な製造をこれまで不可能にしていた。水性媒体中では、水酸化アルミニウム及びアンモニアへの窒化アルミニウムの不完全な分解が観察されうる。
【０００６】
本発明の課題は、故に、押出法に適した窒化アルミニウムを提供することであった。本発明のさらなる課題は、定義されたデザインを有する窒化アルミニウム製の機能性押出成形体を提供することにあった。
【０００７】
窒化アルミニウムは、原則的に２つの方法で製造されることができる。
【０００８】
窒化アルミニウムを製造する１つの経路は、いわゆる直接窒化である。この合成法の場合に、金属アルミニウム粉末もしくは酸化アルミニウム粉末は、＞９００℃の温度でＮ2又はＮＨ3と反応して窒化アルミニウム（ＡｌＮ）になる：
２Ａｌ  ＋  Ｎ2  →  ２ＡｌＮ
Ａｌ2Ｏ3  ＋  ２ＮＨ3  →  ２ＡｌＮ  ＋  ３Ｈ2Ｏ。
【０００９】
選択的に、＞１６００℃の温度で、窒化アルミニウム粉末は、酸化アルミニウム、窒素もしくはアンモニア及び過剰量の炭素から、炭素熱反応において製造されうる：
２Ａｌ2Ｏ3  ＋  ９Ｃ  ＋  ４ＮＨ3  →  ４ＡｌＮ  ＋  ３ＣＨ4  ＋  ６ＣＯ
Ａｌ2Ｏ3  ＋  ３Ｃ  ＋  Ｎ2  →  ２ＡｌＮ  ＋  ３ＣＯ。
【００１０】
直接窒化される窒化アルミニウムとは違って、炭素熱還元による製造(carbothermischer Herstellung)由来の窒化アルミニウムは、加水分解する傾向がより少ない。
【００１１】
本発明によれば、本発明の基礎となる課題は、特に状態調節された窒化アルミニウムの提供及び押出法におけるその使用により解決された。本発明によれば、それ自体として知られ、炭素熱還元により製造された窒化アルミニウム粉末と、それ自体として知られた窒化アルミニウム酸化イットリウム粒状物、例えば欧州特許(EP-B1)第0 258 523号明細書に類似して製造される窒化アルミニウム−酸化イットリウム粒状物、好ましくは炭素熱還元により製造された窒化アルミニウム−酸化イットリウム粒状物とを使用することが規定されている。好ましくは、窒化アルミニウム−酸化イットリウム粒状物には有機コーティングが設けられており、かつ使用目的にとって十分に高い酸化イットリウム含量を有する。有機コーティングを有する窒化アルミニウム−酸化イットリウム粒状物は、例えば欧州特許(EP-B1)第0 588 171号明細書に類似して製造されることができる。
【００１２】
本発明により使用可能な出発物質は、商業的にも得られうる。
【００１３】
意外なことに、本発明により使用可能なタイプの窒化アルミニウムは、水、少なくとも１種の有機バインダ及び場合により分散剤及び油又はワックスと共に化学的に安定な押出可能な配合物に調製されうる。それらから、定義されたデザインを有する窒化アルミニウム製の機能性成形体、例えば小さな中実体、数ミリメートルのサイズを有する短い円柱形中空体、しかしまたほぼ任意の寸法を有する長い円形又は角形の形材、例えば約９０mmの外部寸法及び通常１００〜４００mmの長さを有する形材が製造されることができる。
【００１４】
本発明によれば、炭素熱還元により製造された窒化アルミニウム粉末と、好ましくは有機コーティングが設けられており、かつ十分に高い酸化イットリウム含量を有する炭素熱還元により製造された窒化アルミニウム−酸化イットリウム粒状物を混合することが規定されている。これにより、既にプレス材料製造の開始時に、加水分解は大幅に防止されるので、ＡｌＮ及びＹ2Ｏ3の極めて費用のかかるコーティングが不必要になる。
【００１５】
本発明により規定されるタイプの窒化アルミニウムは、Ｙ2Ｏ3の使用される粒状物の含量とは独立して、２０：８０〜８０：２０の比で、好ましくは５０：５０の比で、混合されることができる。セラミック成分中のＹ2Ｏ3の全量は、好ましくは２〜５％である。必要な場合には、バッチに、付加的にＹ2Ｏ3も添加されることができる。使用される炭素熱還元により製造された窒化アルミニウムは通常、１〜１０m2/gの比表面積及び０．５〜５μm、好ましくは１．０〜２．０μmの平均粒度ｄ50を有する。本発明により規定されるタイプの窒化アルミニウムは、少なくとも１種のバインダ、場合により分散剤及び離型油を添加しながら、水中に懸濁され、かつ強力に混合される。バインダとして適しているのは、全混合物を基準として、２〜１２％、好ましくは５〜１０％、特に好ましくは７〜８％の量の、ポリビニルアルコール及び／又はセルロース種、例えばポリビオール(Polyviol)、モビオール(Mowiol)及び／又はタイローズ(Tylose)である。分散剤として適しているのは、全混合物を基準として、０．０５〜０．５％、好ましくは０．１〜０．３％、特に好ましくは０．１２〜０．２％の量の、例えばポリアクリラートベースの、完全に熱分解可能な薬剤である。油として、押出機からの配合物の滑動を促進する全てのものが適している。これらの助剤は、全混合物を基準として、３〜１０％、好ましくは５〜８％、特に好ましくは６〜７％の量で、使用されることができる。懸濁に必要な水は、全混合物の０．５〜１２％になる。
【００１６】
強力に混合された材料は、ついで押出機を用いて、好ましくは５０hかけて、所望の形へプレスされ、引き続き窒化アルミニウムセラミックに常用の条件下で焼結される。
【００１７】
前記のことから、本発明による教示が、窒化アルミニウムセラミック製の機能性成形体の製造方法に関することがわかり、その際に：
・炭素熱還元により製造された窒化アルミニウム粉末及び窒化アルミニウム−酸化イットリウム粒状物、少なくとも１種のバインダ及び場合により分散剤及び／又は油又はワックスの水性混合物は激しく混合され、この混合物は、押出機中で粗製機能性成形体（ブランク）にプレスされ、かつこのブランクは、窒化アルミニウムセラミックに常用の条件下で焼結される。
【００１８】
本発明による方法の場合に、その際に次のことが好ましい：
・使用される窒化アルミニウム−酸化イットリウム粒状物が、炭素熱還元により製造されている；
・窒化アルミニウム−酸化イットリウム粒状物に、有機コーティングが設けられている；
・炭素熱還元により製造された窒化アルミニウム粉末及び窒化アルミニウム−酸化イットリウム粒状物が、２０：８０〜８０：２０の比、好ましくは５０：５０の比で混合される；
・セラミック成分中のＹ2Ｏ3の全量が好ましくは２〜５％である；
・使用される炭素熱還元により製造された窒化アルミニウムが、１〜１０m2/gの比表面積及び０．５〜５μm、好ましくは１．０〜２．０μmの平均粒度ｄ50を有する；
・バインダが、全混合物を基準として、２〜１２％、好ましくは５〜１０％、特に好ましくは７〜８％の量で、ポリビニルアルコール及び／又はセルロース種、例えばポリビオール、モビオール及び／又はタイローズから選択されている；
・分散剤として、全混合物を基準として、０．０５〜０．５％、好ましくは０．１〜０．３％、特に好ましくは０．１２〜０．２％の量の、例えばポリアクリラートベースの、完全に熱分解可能な薬剤が使用される；
・押出機からの配合物の滑動を促進する油が使用され、かつ全混合物を基準として、３〜１０％、好ましくは５〜８％、特に好ましくは６〜７％の量で、使用される；
・懸濁に必要な水が、全混合物の０．５〜１２％になる。
【００１９】
本発明による教示は、さらに、本発明による方法により製造可能な、窒化アルミニウムセラミック製の機能性成形体、並びに発光ダイオード用の基板として、抵抗管として、発光ダイオード用のヒートシンクを組み立てるため又は冷却器として、特に液体冷却器としての、本発明による機能性成形体の使用に関する。
【００２０】
以下の例は、本発明をより詳細に説明するが、本発明を限定するものではない。
【００２１】
例１（本発明による）：
炭素熱還元により製造されたＡｌＮ粉末５０％と、炭素熱還元により製造されたＡｌＮ及びＹ2Ｏ3 ４．８％のＡｌＮ粒状物５０％とを混合する。ついで、油６．０％、分散剤０．１２％、水１．３％及び有機バインダ７．６％を添加し、強力に混合する。このバッチを、定義されたデザインを有する窒化アルミニウム製の以下の機能性成形体に押し出す。
【００２２】
１．１  断面が３０×３０mm及び１２mm幅の円形リセスのブランクを押し出し、３００mmの個々の片へカットし、乾燥させ、窒素下で黒鉛炉中で１８００℃で焼結させる。焼結体は、３．２９g/cm3の密度及び１８０W/m・Kの熱伝導率を有する。少なくとも一方の面を研削し、金ペーストで、ＬＥＤを接触させるための導体パスレイアウトをメタライゼーションする。そのような機能性成形体は、例えば発光ダイオード用の基板として使用される。
【００２３】
１．２  １．５mm幅のリセスを有する断面３mmの円形ブランクを押し出す。それらから、１０mm長さの個々の片にカットし、乾燥させ、窒素下で黒鉛炉中で１８００℃で焼結させる。そのような機能性成形体は、例えば抵抗管として使用される。
【００２４】
１．３  フィンを有するヒートシンクの形（Ｅ型）のブランクを押し出す。寸法４０×４０mm。６０mm長さにカット。乾燥及び焼結は上記のとおり。フラットな面を、研削により平らにする。そのような機能性成形体は、例えば発光ダイオード用のヒートシンクの組み立てに使用される。
【００２５】
１．４  母材を、本発明により調製されたＡｌＮバッチから押し出し、これは"パンフルート"又は同じく長い管を有する小さなオルガンのように形成されている。この母材を乾燥させ、窒素下で黒鉛炉中で１８００℃で焼結させる。相応する装置を用いて管の端部に設けると、この母材は、例えば冷却器として、特に液体冷却器として使用されることができる。
【００２６】
例２（本発明によらない）：
直接窒化されたＡｌＮ粉末１００％、ｄ50＝２．１μmを、油６．０％、分散剤０．１２％、水１．３％及び有機バインダ７．６％と混合し、かつ強力に混合する。このバッチを押し出す。
【００２７】
バッチは硬化しており、強いアンモニアのにおいがする。押出機中でのプレスは不可能である、それというのも、押出機は、数ミリメートル絞り出された後で閉塞されるからである。
【国際調査報告】
2013512794.tif 000002
2013512794.tif 000003
2013512794.tif 000004
2013512794.tif 000005
2013512794.tif 000006
2013512794.tif 000007