特許 5752144 高熱伝導性セラミック製の機能性押出成形体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5752144

(24)【登録日】2015年5月29日

(45)【発行日】2015年7月22日

(54)【発明の名称】高熱伝導性セラミック製の機能性押出成形体

(51)【国際特許分類】

   B28B 3/20 20060101AFI20150702BHJP

   C04B 35/581 20060101ALI20150702BHJP

   C04B 35/632 20060101ALI20150702BHJP

【ＦＩ】

   B28B3/20 K

   C04B35/58 104D

   C04B35/00 108

【請求項の数】23

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2012-541502(P2012-541502)

(86)(22)【出願日】2010年12月2日

(65)【公表番号】特表2013-512794(P2013-512794A)

(43)【公表日】2013年4月18日

(86)【国際出願番号】EP2010068717

(87)【国際公開番号】WO2011067325

(87)【国際公開日】20110609

【審査請求日】2013年11月29日

(31)【優先権主張番号】102009047412.9

(32)【優先日】2009年12月2日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】511004645

【氏名又は名称】セラムテック ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＣｅｒａｍＴｅｃ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100099483

【弁理士】

【氏名又は名称】久野 琢也

(72)【発明者】

【氏名】ゲアハート ギュントナー

(72)【発明者】

【氏名】アクセル シェーラー

(72)【発明者】

【氏名】アレクサンダー ドーン

(72)【発明者】

【氏名】アルフレート ティム

【審査官】 末松 佳記

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−２５７９７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２１９８５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１７２０１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０４６３８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１７２０１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１２６２７６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２８Ｂ ３／００−３／２６

Ｃ０４Ｂ ３５／５８１−３５／５８２

Ｃ０４Ｂ ３５／６３２−３５／６３６

(57)【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と、少なくとも１種のバインダとの水性混合物、又は、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と、少なくとも１種のバインダと、分散剤及び／又は油又はワックスと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】

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、５０：５０の比で混合する、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】

セラミック成分中のＹ₂Ｏ₃の全量が、２〜５％である、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】

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の平均粒度ｄ₅₀を有する、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】

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、１．０〜２．０μmの平均粒度ｄ₅₀を有する、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】

バインダが、全混合物を基準として、２〜１２％の量で、ポリビニルアルコール及び／又はセルロース種から選択されている、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】

バインダが、全混合物を基準として、５〜１０％の量で、ポリビニルアルコール及び／又はセルロース種から選択されている、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】

バインダが、全混合物を基準として、７〜８％の量で、ポリビニルアルコール及び／又はセルロース種から選択されている、請求項１から１０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12】

ポリビニルアルコール及び／又はセルロース種が、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９から１１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13】

分散剤として、全混合物を基準として、０．０５〜０．５％の量の、完全に熱分解可能な薬剤を使用する、請求項１から１２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14】

分散剤として、全混合物を基準として、０．１〜０．３％の量の、完全に熱分解可能な薬剤を使用する、請求項１から１３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15】

分散剤として、全混合物を基準として、０．１２〜０．２％の量の、完全に熱分解可能な薬剤を使用する、請求項１から１４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16】

分散剤として、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１５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17】

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％の量で使用する、請求項１から１６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18】

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、５〜８％の量で使用する、請求項１から１７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19】

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、６〜７％の量で使用する、請求項１から１８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20】

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１９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21】

請求項１から６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22】

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の、請求項２１記載の機能性成形体の使用。

【請求項23】

液体冷却器としての、請求項２１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。