JP2003267708A - 窒化アルミニウム焼結粉体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 球状を成し、破壊粒子、接合粒子等の異形粒
子が極めて少なく、且つ熱伝導性の高いＡｌＮ焼結粉体
を得ることが可能な製造方法を提供する。 【解決手段】 窒化アルミニウム粉末、有機バインダー
及び溶媒よりなる組成のスラリーを噴霧乾燥して造粒体
を得る造粒工程、該造粒工程で得られる造粒体を５０℃
以上、且つ、上記有機バインダーの分解温度未満の温度
で加熱する熱処理工程及び該熱処理工程で得られる造粒
体を不活性雰囲気下、１６００〜１９００℃の温度で焼
成する焼成工程よりなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化アルミニウム
焼結粉体（以下、ＡｌＮ焼結粉体ともいう。）の新規な
製造方法に関する。詳しくは、球状を成し、破壊粒子、
接合粒子等の異形粒子が極めて少なく、且つ熱伝導性の
高いＡｌＮ焼結粉体を得ることが可能な製造方法を提供
するものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化アルミニウムは熱伝導性に優れた素
材であり、熱伝導性を必要とする分野への応用が進めら
れており、その中に窒化アルミニウムを充填材として使
用する応用がある。例えば、樹脂に充填材として使用し
て得られる成形体の熱的特性を改良せしめたり、金属に
充填材として使用して得られる複合材の熱的特性や機械
的特性を改良せしめる用途が挙げられる。

【０００３】一方、窒化アルミニウムは、通常、粒子径
が数μｍ程度の粉末で得られるが、上記充填材として使
用する場合、充填密度を上げるため、また、熱伝導性を
十分発揮するためにはその粒子径を１０μｍ以上の大き
さとする必要であるとされている。また、樹脂等への充
填操作上、流動性の高くするため、その形状は球状が好
ましく、更に、樹脂等への充填密度を上げるためには、
粒度分布曲線で示される粒度分布において、適度に裾の
部分を有する粒度分布が望ましい。

【０００４】従来、窒化アルミニウム粉末を使用して粒
子径が増大された焼結粉体を得る方法として、特開平３
−２９５８６３号公報、特開平４−１２４００６号公報
等には、窒化アルミニウム粉末、有機バインダー及び溶
媒よりなる組成のスラリーを噴霧乾燥することにより造
粒体を得た後、該造粒体を１６００℃以上で焼成する方
法が提案されている。

【０００５】上記方法によれば、窒化アルミニウムより
なる球状の焼結粉体を得ることが可能である。ところ
が、上記噴霧乾燥により造粒された造粒体を焼成する方
法を工業的に実施しようとした場合、焼成のために容器
に充填して堆積した際の圧力による粒子の破壊や、粒子
の変形による接触面積の増大に起因した粒子の結合粒子
が生成する場合がある。特に、得られるＡｌＮ焼結粉体
において高い熱伝導性を実現するために、造粒体を製造
する際に使用するバインダーの使用量を低減した場合に
は上記破壊された粒子や結合粒子等の異形粒子の増大が
著しく、これを充填材として使用する場合の流動性の低
下や、充填密度の低下を招くおそれがある。

【０００６】また、上記破壊された粒子や結合粒子など
の異形粒子を除去するために篩い分けを行うことも考え
られるが、粒度分布曲線が該曲線の片側或いは両側の裾
部分が切り落とされた形状となり、充填材として使用す
る場合の充填密度の低下を招くばかりでなく、これらの
異形粒子を高い確率で除去することも困難であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、窒化アルミニウム粉末を使用して、篩い分けを行う
ことなく、破砕物や結合粒子等の異形粒子が少ない、し
かも、熱伝導性の高いＡｌＮ焼結粉体を得ることが可能
なＡｌＮ焼結粉体の製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を対決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、窒化アルミ
ニウム粉末、有機バインダー及び溶媒よりなる組成のス
ラリーを噴霧乾燥して得られた造粒体を、ここの粒子に
比較的荷重のかからない状態において特定の温度で熱処
理する工程を経ることにより、該造粒体の破壊強度を高
めることができ、特に、バインダーの量を低減した場合
であっても、焼成時における異形粒子の生成率を著しく
低く抑えながらＡｌＮ焼結粉体を得ることができること
を見出し、本発明を完成するに至った。

【０００９】即ち、本発明は、窒化アルミニウム粉末、
有機バインダー及び溶媒よりなる組成のスラリーを噴霧
乾燥して造粒体を得る造粒工程、該造粒工程で得られる
造粒体を５０℃以上、且つ、上記有機バインダーの分解
温度未満の温度で加熱する熱処理工程及び該熱処理工程
で得られる造粒体を不活性雰囲気下、１６００〜１９０
０℃の温度で焼成する焼成工程より成ることを特徴とす
る窒化アルミニウム焼結粉体の製造方法である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明において、原料となる窒化
アルミウム粉末は、公知のものが何ら制限なく使用する
ことが出来るが、熱伝導性に優れたＡｌＮ焼結粉体を得
るためには、酸素含有量や陽イオン不純物の少ないこと
が好ましい。即ち、ＡｌＮを窒化アルミニウム組成とす
るとき、不純物となる酸素含有量が１．５重量％以下、
陽イオン不純物が０．３重量％以下である窒化アルミニ
ウム粉末が好適である。さらに、酸素含有量が０．４〜
１．３重量％、陽イオン不純物が０．２重量％以下であ
る窒化アルミニウム粉末がより好適である。

【００１１】尚、本発明における窒化アルミニウムはア
ルミニウムとの窒素のモル比が１：１の化合物であり、
これ以外のものをすべて不純物として扱う。また、窒化
アルミニウム粉末の表面は空気中で不可避的に酸化さ
れ、Ａｌ−Ｎ結合がＡｌ−Ｏ結合に置き変っているが、
この結合Ａｌは陽イオン不純物とはみなさない。従っ
て、Ａｌ−Ｎ、Ａｌ−Ｏの結合をしていない金属アルミ
ニウムは陽イオン不純物である。

【００１２】また、本発明で用いられる窒化アルミニウ
ム粉末の粒子の大きさも特に限定されず、公知の方法に
よって製造される窒化アルミニウム粉末の粒子径範囲が
制限なく使用される。そのうち、粒子径の小さいものが
揃っていることがより好ましい。例えば、平均粒子径
（遠心式粒度分布測定装置、例えば、堀場製作所製のＣ
ＡＰＡ５００などで測定した凝集粒子の平均粒径を言
う。）が５μｍ以下、さらには３μｍ以下であることが
好ましい。

【００１３】本発明において、有機バインダーは、セラ
ミック粉末の成形に用いられる公知のものが何ら制限さ
れず使用できる。例えば、ポリビニルブチラール、ポリ
メチルメタクリレート、ポチエチルメタクリレート、ポ
リ２−エチルヘキシルメタクリレート、ポリブチルメタ
クリレート、ポリアクリレート、セルロースアセテート
ブチレート、ニトロセルロース、メチルセルロース、ヒ
ドロキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポ
リエチレンオキサイド及びポリプロピレンオキサイド等
の含酸素有機高分子体；石油レジン、ポリエチレン、ポ
リプロピレン、ポリスチレン等の炭化水素系合成樹脂；
ポリ塩化ビニール；ワックス及びそのエマルジョン等の
有機号分子体が１種または２種以上混合して使用され
る。

【００１４】また、有機バインダーとして使用する有機
高分子体の分子量は特に制限されないが、一般には３，
０００〜１，０００，０００、好ましくは５，０００〜
３００，０００のものが好適である。

【００１５】本発明において、溶媒としては、例えば、
アセトン、メチルエチルケトン及びメチルイソブチルケ
トン等のケトン類；エタノール、プロパノール及びブタ
ノール等のアルコール類；ベンゼン、トルエンおよびキ
シレン等の芳香族炭化水素類；あるいはトリクロロエチ
レン、テトラクロロエチレン及びブロムクロロメタン等
のハロゲン化炭化水素類の１種または２種以上を混合し
たものなどの有機溶媒が好適に使用される。

【００１６】また、スラリーの調製に際して、本発明の
効果を著しく阻害しない範囲で公知の添加剤を併用する
ことができる。例えば、焼結助剤、界面活性剤等か挙げ
られる。

【００１７】上記焼結助剤としては、公知のものが特に
制限なく使用される。例えば、酸化カルシウム、酸化ス
トロンチウム等のアルカリ土類金属酸化物；酸化イット
リウム、酸化ランタン等の希土類酸化物；アルミン酸カ
ルシウム等の複合酸化物等が挙げられる。

【００１８】また、前記界面活性剤は、公知のものが何
ら制限なく使用できるが、特に、親水性親油性バランス
（以下、ＨＬＢと略す）が４．５〜１８のもの、さらに
好ましくは６．０〜１０．０のものが窒化アルミニウム
粉末成形体の成形密度が上がるために好適に採用され
る。尚、本発明におけるＨＬＢは、デービスの式により
算出された値である。

【００１９】本発明において好適に使用し得る界面活性
剤を具体的に例示すると、カルボキシル化トリオキシエ
チレントリデシルエーテル、ジグリセリンモノオレエー
ト、ジグリセリンモノステアレート、カルボキシル化ヘ
プタオキシエチレントリデシルエーテル、テトラグリセ
リンモノオレエート、ポリオキシエチレンソルビタンモ
ノラウレート、ポリオキシエチレンソルビタンモノオレ
エート等が挙げられる。

【００２０】本発明における界面活性剤は、２種以上を
混合して使用しても良く、そのときのＨＬＢは、それぞ
れの界面活性剤のＨＬＢの相加平均で算出できる。

【００２１】本発明において、上記窒化アルミニウム粉
末、有機バインダー及び溶媒、更に、必要に応じて添加
される添加剤の混合は、ボールミル、アトライター等の
公知の混合装置によって行うことができる。

【００２２】また、上記ペーストの調整における結合剤
及び溶媒の使用量は、通常、窒化アルミニウム粉末１０
０重量部に対して、有機バインダーが０．１〜３０重量
部、好ましくは０．５〜１５重量部であり、溶媒が２０
〜２００重量部の範囲から選択される。

【００２３】尚、上記有機バインダー量が多い場合、得
られるＡｌＮ焼結粉体の熱伝導性は一般に低下する。従
って、かかる有機バインダー量は少ないほど高い熱伝導
性を発揮するために好ましく、本発明においては前記範
囲のうち、特に、窒化アルミニウム粉末１００重量部に
対して５重量部以下、好ましくは、３重量部未満の量と
することが推奨される。

【００２４】このように、造粒体中の有機バインダー量
を低減した場合、後記の造粒工程で得られる造粒体の破
壊強度は低下するが、本発明においては、上記造粒体を
加熱処理工程において加熱処理することにより破壊強度
が向上されるので、工業的な規模で焼成を行う場合にお
ける異形粒子の生成量が低く抑えてＡｌＮ焼結粉体を得
ることが可能である。

【００２５】また、前記焼結助剤は、窒化アルミニウム
粉末１００重量部に対して０．１〜１０重量部が、ま
た、界面活性剤は０．０１〜１０重量部、好ましくは
０．０２〜３．０重量部が好適である。

【００２６】本発明のＡｌＮ焼結粉体の製造方法は、上
記のようにして得られたスラリーを噴霧乾燥して造粒体
を得る造粒工程、該造粒工程で得られる造粒体を５０℃
以上、且つ、上記有機バインダーの分解温度未満の温度
で加熱する熱処理工程及び該熱処理工程で得られる造粒
体を不活性雰囲気下、１６００〜１９００℃の温度で焼
成する焼成工程より成る。

【００２７】上記造粒工程は、スラリー中の溶媒を噴霧
乾燥により除去すると共に、球状粒子を造粒する工程で
ある。噴霧乾燥の条件は該スラリーに含有される溶媒を
乾燥し得る条件であれば特に制限されない。好適な方法
を例示すれば、上記スラリーをスプレードドライヤーに
て、乾燥する方法が挙げられる。

【００２８】かかる造粒工程において得られる造粒体の
大きさは、用途に応じて適宜決定されるが、一般に、平
均粒子径が１０μｍ以上、好ましくは１０〜５００μ
ｍ、特に、２０〜３００μｍである。かかる粒子径は、
スラリーを噴霧するアトマイザー回転速度などスプレー
ドライヤーの運転条件によって調整することできる。ま
た、該造粒体は球状であり、短径と長径の比が０．９３
以上のものが一般に得られる。

【００２９】また、熱処理工程は、上記造粒体を５０℃
以上、且つ、上記有機バインダーの分解温度未満の温
度、好ましくは、８０〜２００℃で加熱することによ
り、上記造粒体の表面の高度を向上せしめ、後記の焼成
工程における破壊や変形による結合粒子の生成などによ
る異形粒子の生成を防止するために極めて重要である。

【００３０】また、上記加熱処理時間は、高い破壊強度
を有する造粒体を得るため、３０分〜３６時間、好まし
くは、１〜２４時間の範囲が好適である。

【００３１】上記熱処理工程において、加熱時に造粒体
の破壊や変形が起こり難くするため、造粒体の加熱は個
々の粒子に多くの荷重がかかり難い加熱方法が好適に採
用される。例えば、造粒体の堆積厚みは１００ｍｍ以
下、特に、５０ｍｍ以下に制限することが好ましい。具
体的には、上記範囲内の厚みで造粒体を置いた平らなト
レーを複数枚、間隔をあけてセットし、加熱する態様、
加熱室内を通過するコンベアー上に上記範囲内の厚みで
造粒体を置き移動させる態様、乱流の気体中に造粒体を
流動させて加熱する態様などが好適である。

【００３２】また、上記熱処理工程より得られる造粒体
の破壊強度は、１ｇ以上、好ましくは２g以上、さらに
好ましくは、３ｇ以上となるように、有機バインダーの
含有量に応じて前記加熱処理温度、加熱時間を調整する
ことが好ましい。即ち、上記破壊強度が１ｇ未満の造粒
体は、後記の焼成工程を工業的に実施しようとする場
合、造粒体を容器に充填する際の操作、充填後の粒子間
の荷重により該造粒体の破壊や変形が起こり易くなり、
得られるＡｌＮ焼結粉体における異形粒子の占める割合
が増大する傾向にある。

【００３３】尚、上記破壊強度は、実施例に示した測定
方法によって測定した値である。

【００３４】本発明において、焼成工程は、上記熱処理
工程で得られる造粒体を不活性雰囲気下、１６００〜１
９００℃、好ましくは、１６５０℃以上、１８００℃未
満の温度で焼成することにより含有される有機バインダ
ーを分解除去すると共に、窒化アルミニウム粒子を焼結
せしめてＡｌＮ焼結粉体を得る工程である。

【００３５】上記温度における焼成は、直接行っても良
いが、安定してＡｌＮ焼結粉体を得るためには有機バイ
ンダーを分解する脱脂処理を行った後、上記温度下で窒
化アルミニウムを焼結せしめるように行うことが好まし
い。

【００３６】かかる脱脂処理は、公知の条件が特に制限
なく採用される。一般に、空気や窒素雰囲気中で行わ
れ、脱脂温度は、結合剤の種類や雰囲気によって３００
〜１０００℃の範囲の任意の温度で処理する方法が一般
的である。また、処理時間は、含有される有機バインダ
ーの割合に応じて適宜決定すればよい。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明より理解されるように、本発
明の方法によれば、破壊粒子や結合粒子等の異形粒子の
含有量が極めて少ないＡｌＮ焼結粉体を工業的に極めて
有利に得ることが可能である。そして、得られたＡｌＮ
焼結粉体は、球状であること及び異形粒子が少ないこと
により流動性が良好である。また、適度な大きさを有す
るため、樹脂や金属等への充填が容易であり、これらの
マトリックスに対する充填材として極めて有用である。
しかも、上記異形粒子を除去するための篩い分けも必要
としないため、適度な粒度分布を有しており、前記マト
リックス中への高充填も可能である。

【００３８】

【実施例】本発明をさらに具体的に説明するために、以
下に実施例および比較例を掲げるが、本発明はこれらの
実施例に限定されるものではない。

【００３９】尚、以下の実施例及び比較例における各種
の物性の測定は次の方法により行った。

【００４０】１）造粒体の破壊強度 平均粒径±５μｍ以内の粒径３ケを一辺５ｍｍの正三角
形の頂点に置き、上から静かに荷重をかけ、３ケ中１ケ
以上破壊した時の荷重を造粒体の破壊強度とした。測定
は１０回繰り返し、最低値と最高値を除いた８点平均値
を用いた。

【００４１】２）ＡｌＮ焼結粉体の熱伝導性；溶融した
金属アルミニウム１００容量部中にＡｌＮ焼結粉体試料
５０容量部を均一に充填し、次いで、その融液を型に流
し込み、５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚み３ｍｍの板状体を得
た。得られた板状体について、レーザーフラッシュ法に
て熱伝導度（Ｗ／ｍ・℃）を測定した。

【００４２】３）ＡｌＮ焼結粉体の流動度 ＪＩＳ Ｒ １６３９−４に準じて、１０５℃で２時間乾
燥処理したＡｌＮ焼結粉体試料を用いて測定した。

【００４３】４）ＡｌＮ焼結粉体の異形粒子存在量 日本電子（株）製「ＪＳＭ−５４００」を用いて、１視
野当りの粒子数が５０個程度となる任意の倍率でＳＥＭ
（走査式電子顕微鏡）写真を撮影し、破壊粒子、接合粒
子等の異形粒子数の全粒子に占める面積の割合（％）を
画像処理により求めた。この測定を３視野について行
い、平均値を示した。

【００４４】５）真球度 上記方法により得られたＳＥＭ写真から、焼結粉体粒子
の長径と短径を測定し、短径と長径の比を計算した。任
意の１０点の平均値を真球度とした。

【００４５】実施例１ 内容積５０ｌのナイロン製ポットに鉄心入りナイロンボ
ールを入れ、次いで、酸素含有量０．８６重量％、カー
ボン含有量０．０４重量％、Ｓｉ含有量０．００４重量
％、その他陽イオン不純物が０．０５重量％以下、平均
粒子径１．４μｍ、比表面積２．７ｍ^２／ｇの窒化アル
ミニウム粉末（Ｈグレード；（株）トクヤマ製）１００
重量部、酸化イットリウム５．０重量部及び界面活性剤
としてヘキサグリセリンモノオレート１．０重量部、結
合剤としてメタクリル酸ブチル２．５重量部、トルエン
溶媒１００重量部を投入して、十分にボールミル混合し
た後、白色のスラリーを得た。

【００４６】こうして得られたスラリーをスプレードラ
イヤーにより１００℃で造粒した。得られた造粒体を、
窒素ガスを用いた流動加熱装置を使用して１５０℃で１
０時間加熱処理を行った。得られた造粒体の破壊強度
は、２．５ｇであった。

【００４７】上記の方法によって得られたＡｌＮ焼結粉
体は、平均粒径５８μｍ、熱伝導性１８６Ｗ／ｍ・℃、
流動度１．３４ｇ／ｓ、異形粒子存在量１％、真球度
０．９６であった。

【００４８】また、得られたＡｌＮ焼結粉体の粒子構造
を示す電子顕微鏡写真を図１に示す。

【００４９】比較例１ 実施例１において、加熱処理を実施しなかった以外は同
様にしてＡｌＮ焼結粉体を製造した。その結果、スプレ
ードラヤーより得られた造粒体の破壊強度は０．４ｇで
あり、平均粒径 ５７μｍ、熱伝導性１８２Ｗ／ｍ・
℃、流動性０．５ｇ／ｓ、異形粒子存在 １３％、真球
度 ０．９６であった。

【００５０】比較例２ 実施例１において、有機バインダー量を窒化アルミニウ
ム粉末１００重量部に対して１０重量部とし、また、加
熱処理を実施しなかった以外は同様にしてＡｌＮ焼結粉
体を製造した。その結果、スプレードラヤーより得られ
た造粒体の破壊強度は３．０ｇであり、平均粒径 ５５
μｍ、熱伝導性１６０Ｗ／ｍ・℃、流動性１．２２ｇ／
ｓ、異形粒子存在 ５％、真球度 ０．９０であった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１で得られたＡｌＮ焼結粉体の粒子構
造を示す電子顕微鏡写真

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化アルミニウム粉末、有機バインダー
   及び溶媒よりなる組成のスラリーを噴霧乾燥して造粒体
   を得る造粒工程、該造粒工程で得られる造粒体を５０℃
   以上、且つ、上記有機バインダーの分解温度未満の温度
   で加熱する熱処理工程及び該熱処理工程で得られる造粒
   体を不活性雰囲気下、１６００〜１９００℃の温度で焼
   成する焼成工程よりなることを特徴とする窒化アルミニ
   ウム焼結粉体の製造方法。
2. 【請求項２】 窒化アルミニウム粉末の平均粒子径が５
   μｍ以下である請求項１記載の窒化アルミニウム焼結粉
   体の製造方法。
3. 【請求項３】 窒化アルミニウム粉末が、酸素含有量
   １．５重量％以下、陽イオン不純物が０．３重量％以下
   である請求項１又は２記載の窒化アルミニウム焼結粉体
   の製造方法。
4. 【請求項４】 熱処理工程より得られる造粒体の破壊強
   度が１ｇ以上である請求項１〜３の何れかに記載の窒化
   アルミニウム焼結粉体の製造方法。
5. 【請求項５】 得られる窒化アルミニウム焼結粉体の平
   均粒子径が１０〜５００μｍである請求項１〜４の何れ
   かに記載の窒化アルミニウム焼結粉体の製造方法。