JP2004115369A - 窒化アルミニウム粉末およびこれを使用した窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】　窒化アルミニウム粉末を所定の有機化合物で表面処理することにより、耐水性を有する窒化アルミニウム粉末と、該窒化アルミニウム粉末を原料として熱伝導性に優れた窒化アルミニウム焼結体の製造方法を提供する。
【構成】　カルボキシル基である官能基を１分子中に２基以上有する脂肪族炭化水素の有機化合物で表面処理して親水性物質の被膜を有する窒化アルミニウム粉末と、その粉末を原料として所望形状に成形後焼成して優れた高熱伝導性の焼結体を製造する窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【選択図】　　　図１

Description

　本発明は、窒化アルミニウム粉末およびこれを使用した窒化アルミニウム焼結体の製造方法に関し、詳しくは親水性の被膜を有する窒化アルミニウム粉末およびその粉末を所望の形状に成形後焼成して、窒化アルミニウム焼結体を製造する方法に関するものである。

　窒化アルミニウム粉末を主成分とするセラミック焼結体は、優れた熱伝導性と高い電気絶縁性を有しており、半導体素子用の絶縁基板として注目されている。
　窒化アルミニウム粉末は次式に示すように、水と容易に反応する性質がある。
　ＡｌＮ ＋ ３Ｈ₂Ｏ → Ａｌ（ＯＨ）₃ ＋ ＮＨ₃

　そのため、上記の優れた特徴である熱伝導性が劣化するという欠点があった。従って、窒化アルミニウム焼結体の製造工程などで使用する分散媒には非水系の有機溶剤が使用されている。しかしながら、非水系の有機溶剤は一般に引火性ならびに毒性を有するため、その取扱い上、安全性の対策が必要である。

　現在、その対策として、飽和もしくは不飽和の高級脂肪酸，高級脂肪族アルコール，高級脂肪族アミン等で表面処理して、窒化アルミニウム粉末の水との反応性を低下させている。また、リン酸で処理する方法も提案されている。

　しかし、このような従来の技術、即ち、
(1)　非水系の有機溶剤を分散媒として使用する方法。
(2)　飽和もしくは不飽和の高級脂肪酸，高級脂肪族アルコール，高級脂肪族アミンで表面処理する方法。
(3) リン酸で表面処理する方法。
等には、次のような欠点がある。

　上記(1)の方法は、製造装置が複雑であり、従って製造コストが増大し、しかも有機溶剤は引火性ならびに毒性を有するため、安全性の対策が必要である。
　上記(2)のような表面処理剤で処理した窒化アルミニウム粉末は、水に分散しないため、さらに熱処理して表面処理剤中の疎水基を分解する必要がある。もしくは、界面活性剤の添加が必要であること。
　上記(3)の方法は、焼成時のリン酸の揮散により焼成炉に悪影響を及ぼし、更にリン酸中の酸素が窒化アルミニウム焼結体の特性である熱伝導率に悪影響を及ぼす。
特開平２−８８４１２号公報 特開昭６２−２０７７７０号公報

　本発明は、上記のような従来の諸欠点を解消し、窒化アルミニウム粉末を表面処理することにより、水との反応性を劣化させる（以下、耐水性という）と共に耐酸化性を有する親水性の窒化アルミニウム粉末を提供し、該窒化アルミニウム粉末を原料として熱伝導性に優れた窒化アルミニウム焼結体の製造方法を提供するものである。なお、ここにいう親水性とは、通常一般に行われている水系の乾式成形法が可能なことを意味する。

　本発明における第１の発明は、アミノ基およびヒドロキシル基のうち少なくとも１種以上の官能基を１分子中に２基以上有する有機化合物である被膜を表面に有することを特徴とする窒化アルミニウム粉末を提供するものであり、第２の発明は、カルボキシル基である官能基を１分子中に２基以上有する脂肪族炭化水素の有機化合物である被膜を表面に有することを特徴とする窒化アルミニウム粉末を提供するものであり、第３の発明は、１．１０−ジアミノデカン，１．１２−ジアミノドデカン，１．１０−ジヒドロキシデカン，１．１２−ジヒドロキシドデカン，ドデカン２酸，ペンタデカン２酸，１．３−ジアミノ−２−プロパノール，１２−アミノドデカン酸の中から選ばれる有機化合物である被膜を表面に有することを特徴とする窒化アルミニウム粉末を提供するものである。

　また、第４〜６の発明は、上記した有機化合物である被膜を有する窒化アルミニウム粉末を成形後焼成して焼結体とすることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法である。

　本発明によれば、アミノ基又はヒドロキシル基あるいは脂肪族炭化水素のカルボキシル基のうち少なくとも１種以上の官能基を１分子中に２基以上、好ましくは２〜４基を有する有機化合物である親水性物質で表面処理することにより、耐水性を有する窒化アルミニウム粉末が得られる。

　また、該窒化アルミニウム粉末を原料として成形・焼成して製造した焼結体は、優れた高熱伝導率（１５０ｗ／ｍｋ以上）を有するのである。

　また、本発明により製造した窒化アルミニウム焼結体は、優れた熱伝導率と高い電気絶縁性を有しているので、半導体素子用の絶縁用基板として使用することができるのである。

　本発明は、発明者等が従来技術の諸欠点を解消すべく長期にわたり鋭意研究の結果開発したものであり、即ちアミノ基またはヒドロキシル基の有機化合物として１．１０−ジアミノデカン，１．１２−ジアミノドデカン，１．３ジアミノ−２−プロパノール，１．１０−ジヒドロキシデカン，１．１２−ジヒドロキシドデカン等、また脂肪族炭化水素でアミノ基またはカルボキシル基の有機化合物として１２−アミノドデカン酸，ドデカン２酸，ペンタデカン２酸等のアミノ基又はヒドロキシル基あるいは脂肪族炭化水素のカルボキシル基のうち少なくとも１種以上の官能基を１分子中に２基以上、好ましくは２〜４基を有する有機化合物で、窒化アルミニウム粉末を表面処理すると、優れた耐水性を持ち、しかも水への分散性の良い窒化アルミニウム粉末が得られるとの知見を得た。

　上記の親水性の官能基が１分子中に１つの場合、例えばステアリン酸等のモノ脂肪酸で表面処理した場合には、一応耐水性は付与されるが、水との親和性が悪くなり、またその窒化アルミニウム粉末で製造した焼結体の熱伝導率も向上しない（後記比較例２）。

　また、本発明の処理粉末を原料として、酸化イットリウム等の焼結助剤と共に焼結すると、高い熱伝導率（１５０ｗ／ｍＫ以上）の窒化アルミニウム焼結体が得られることが分った。

　なお、成形方法としては、通常一般に行なわれている水系の乾式成形法や、鋳込み成形法等が採用できる。得られた成形体は、Ｎ₂雰囲気中で４００〜６００℃で脱脂後、Ｎ₂雰囲気中で１５００〜２０００℃の温度で焼成することにより焼結体を得ることができる。次に、本発明の実施例を説明する。

実施例−１
　金属窒化法で製造した平均粒径２μｍの窒化アルミニウム粉末１００ｇをビーカーに採取し、１００ｍｌのイソプロピルアルコール（分散媒）に懸濁させた。次に、表面処理剤として１．１０−ジアミノドデカン（試薬）を８．０×１０^-3ｍｏｌ添加し、マグネチックスターラーで攪拌混合した後、約１００℃に保持した乾燥機で乾燥してイソプロピルアルコールを蒸発させ、残分を粉砕機で粉砕して、表面処理された親水性物質の被膜を有する窒化アルミニウム粉末を製造した。

　上記のようにして得られた窒化アルミニウム粉末を７５℃の温水中に添加し、マグネチックスターラーで攪拌して、ｐＨの経時変化を調べた結果は図１のＡの通りであり、耐水性に優れた窒化アルミニウム粉末であることが分る。

　次に、上記のようにして製造した窒化アルミニウム粉末に焼結助剤（酸化イットリウム）を添加混合し、ペレット成形体を作製し、１８５０℃で５時間、Ｎ₂雰囲気中で焼成し、焼結体を製造した。この焼結体は高密度で優れた高熱伝導率（１５０ｗ／ｍｋ以上）を有していた。

実施例−２
　還元法で製造した平均粒径２μｍの窒化アルミニウム粉末１００ｇをポリビニール製容器に採取し、１００ｍｌのイソプロピルアルコールを分散媒とし、表面処理剤としてドデカン２酸（特級試薬）８．０×１０^-3ｍｏｌを添加し、更に焼結助剤として酸化イットリウム１．５ｇ、結合剤としてアクリル系バインダー（固形分換算で２重量部）を添加した。

上記混合物を回転数７０ｒｐｍのボールミルに装入して２４時間攪拌，混合および表面処理した。得られたスラリーをホットプレートで乾燥し粉砕した後、水を窒化アルミニウム粉末に対し重量比で１：１になるように添加し、スラリーとした。

　この時のスラリーのｐＨ経時変化は、図１のＢに示す通りであり、耐水性に優れた窒化アルミニウム粉末であることが分る。

次に、上記スラリーをスプレードライヤーで脱水・乾燥・造粒した後、成型機により１ｔｏｎ／ｃｍ²で所定形状に加圧成形した。この成型体を５００℃で５時間脱脂処理した後、焼成炉に装入し、１８５０℃で５時間、Ｎ₂雰囲気中で焼成した。

　その結果、得られた窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を測定した結果、１５０ｗ／ｍｋ以上であった。

比較例−１
　上記実施例１と同様な操作で、表面処理剤を全く添加しないで、製造した窒化アルミニウム粉末に水を添加し水スラリーとすると、図１中Ｄに示すように急激な水との反応が起こり、窒化アルミニウム粉末が得られなかった。従って、焼結体を製造することができなかった。

比較例−２
　上記実施例２と同様な操作で、表面処理剤としてステアリン酸（モノ脂肪酸）を使用して、窒化アルミニウム粉末を製造した。この粉末を上記実施例２で製造した粉末と同様に７５℃の温水中に添加し、マグネチックスターラーで攪拌してｐＨの経時変化を調べた。その結果は図１のＣの通りであり、表面処理剤としてドデカン２酸を使用して製造した窒化アルミニウム粉末と比較して、ｐＨの変化が大きく、耐水性が劣り、しかも水への分散性も劣っていた。

　また、上記のようにステアリン酸を表面処理剤として使用して製造した窒化アルミニウム粉末を原料とし、実施例２と同様の操作で窒化アルミニウム焼結体を作製して、その熱伝導率を測定したところ、１１０ｗ／ｍｋにすぎなかった。

　上記の実施例および比較例で製造した各窒化アルミニウム粉末を、各別個に７５℃の温水中に添加し、マグネチックスターラーで攪拌しながらｐＨの経時変化を求めたのが図１であり、図１中Ａは実施例１で製造した窒化アルミニウム粉末の場合で、表面処理剤としての１．１０−ジアミノドデカンを窒化アルミニウム１００ｇに対して８．０×１０^-3ｍｏｌを添加して処理して製造した窒化アルミニウム粉末の場合のｐＨ曲線であり、図中Ｂは実施例２で製造した窒化アルミニウム粉末の場合で、表面処理剤としてのドデカン２酸を窒化アルミニウム１００ｇに対して８．０×１０^-3ｍｏｌを添加し処理して製造した窒化アルミニウム粉末の場合のｐＨ曲線である。

　図１中Ｃは比較例２の場合で、実施例２と同様な操作で表面処理剤としてステアリン酸を使用して製造した窒化アルミニウム粉末の場合のｐＨ曲線であり、図１中Ｄは比較例１の場合で、実施例１で表面処理剤を使用しないで製造した窒化アルミニウム粉末の場合のｐＨ曲線であるが、水との反応のため途中で測定中断したものである。

各種窒化アルミニウム粉末の温水中でのｐＨの経時変化を示すグラフである。

符号の説明

Ａ：実施例１で製造した窒化アルミニウム粉末の温水中でのｐＨ経時変化を示すグラフである。
Ｂ：実施例２で製造した窒化アルミニウム粉末の温水中でのｐＨ経時変化を示すグラフである。
Ｃ：比較例２で製造した窒化アルミニウム粉末の温水中でのｐＨ経時変化を示すグラフである。
Ｄ：比較例１で製造した窒化アルミニウム粉末の温水中でのｐＨ経時変化を示すグラフである。

Claims (4)

1. カルボキシル基である官能基を１分子中に２基以上有する脂肪族炭化水素の有機化合物である被膜を表面に有することを特徴とする窒化アルミニウム粉末。
2. １．１０−ジアミノデカン，１．１２−ジアミノドデカン，１．１０−ジヒドロキシデカン，１．１２−ジヒドロキシデカン，ドデカン２酸，ペンタデカン２酸，１．３−ジアミノ−２−プロパノール，１２−アミノドデカン酸の中から選ばれる有機化合物である被膜を表面に有することを特徴とする窒化アルミニウム粉末。
3. 請求項１記載の窒化アルミニウム粉末を、成形後焼成して焼結体とすることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
4. 請求項２記載の窒化アルミニウム粉末を、成形後焼成して焼結体とすることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体の製造方法。　　
   

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