JP2004284916A - 窒化アルミニウム粉末及びその製造方法ならびに窒化アルミニウム焼結体 - Google Patents
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Abstract
【課題】特にＦｅ量が低減された窒化アルミニウム粉末を工業的規模で製造することを主な目的とする。
【解決手段】１０−２Ｔｏｒｒ以下の減圧下において１４００〜１８５０℃で窒化アルミニウム粉末を熱処理することを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方法に係る。
【選択図】なし
【解決手段】１０−２Ｔｏｒｒ以下の減圧下において１４００〜１８５０℃で窒化アルミニウム粉末を熱処理することを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方法に係る。
【選択図】なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な窒化アルミニウム粉末及びその製造方法ならびに窒化アルミニウム焼結体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化アルミニウム粉末（ＡｌＮ粉末）は、主にＡｌＮ焼結体を製造するための焼結用粉末として用いられている。ＡｌＮ焼結体は、ＡｌＮ粉末を焼結助材とともに成形し、焼結することにより製造される。そして、これにより得られる焼結体の特性は、原料となる窒化アルミニウム粉末の特性、製造条件等により大きく異なる。
【０００３】
ＡｌＮ焼結体は、半導体基板、半導体パッケージ基材、半導体製造装置等をはじめ、各種の用途に使用されている。特に、ＡｌＮ焼結体は、一般のアルミナセラミックス等に比べて高い熱伝導率を有するとともに、その熱膨張係数がシリコンとほぼ同じであることから、ＩＣの放熱基板用の材料として脚光を浴びている。
【０００４】
しかしながら、ＡｌＮの理論的な熱伝導率が約３２０Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、実際のＡｌＮ単結晶又はＡｌＮセラミックスでは、ＡｌＮ粉末に含まれる不純物により、焼結方法にもよるが理論値の１／２前後の熱伝導率しか得られていない。
【０００５】
ＡｌＮ粉末中の不純物は、焼結工程中にＡｌＮの格子へ拡散し、格子欠陥を引き起こすことにより、ＡｌＮ焼結体の熱伝導率を低下させる。特に、Ｓｉ、Ｆｅ及び酸素は、熱伝導率を低下させることが知られている。
ＡｌＮ粉末の工業的な製造方法は、直接窒化法（以下「直接法」といい、それにより得られる粉末を「直接法粉末」という。）と還元窒化法（以下「還元法」といい、それにより得られる粉末を「還元法粉末」という。）に大別される。
【０００６】
還元法は、アルミナ粉末とカーボン粉末の混合物を窒素又はアンモニア雰囲気中で加熱し、アルミナを還元して窒化する方法である。ところが、還元法では、ａ）高価なアルミナを原料とすること、ｂ）還元が吸熱反応で進行するため、１５００℃以上の高温で１２時間以上処理を行う必要があること、ｃ）雰囲気中の窒素を反応に関与するようにしなければならないので、窒化処理に際して被反応物を薄く充填する必要があり、処理炉中への原料充填率が低くならざるを得ないこと等の問題により、製造コストが直接法よりも高くなる。
【０００７】
一方、直接法は、金属アルミニウム粉末を窒素雰囲気中で加熱して窒化合成させる方法である。直接法粉末は、直接法で得られた塊状ＡｌＮを粉砕することにより得られる。直接法は発熱反応であるため、還元法と比較してはるかに低温かつ短時間での製造が可能であり、安価なＡｌＮ粉末を供給することができる。ところが、一般的には直接法粉末は、還元法粉末に比べてＳｉ、Ｆｅ及び酸素含有量が多く、焼結体の熱伝導が低いとされている。その理由は、合成時の反応熱により粒成長又は合体が進行することから、平均粒子径を細かくするために窒化工程後、生成窒化物の粉砕工程が必要になるためである。この粉砕工程で生成される新生面はきわめて反応性が高く、雰囲気中の汚染物質と反応し、表層に汚染層を形成しやすく、Ｓｉ、Ｆｅ及び酸素含有量を増加させる。また、直接法においても、高純度ＡｌＮ粉末を得るためには、Ｓｉ及びＦｅ含有量の少ない高純度金属アルミニウム粉末を原料とする必要があり、この点においてコスト的に不利である。
【０００８】
得られたＡｌＮ粉末を原料粉末として処理を施し、酸素含有量を低減させる方法は従来から知られている。例えば、ａ）ＡｌＮ原料粉末と遊離炭素、炭素含有有機物質及びそれらの混合物等の炭素質添加剤とからなる粒状混合物をアルゴン、窒素及びそれらの混合物から選ばれた非酸化性雰囲気中で加熱処理する方法（例えば、特許文献１）、ｂ）ＡｌＮ原料粉末をカーボン製容器に収容し、窒素又は窒素を含む不活性ガス中で加熱処理する方法（例えば、特許文献２）、ｃ）ＡｌＮ原料粉末にカーボンブラック粉末を混合した後、アンモニアを含む非酸化性雰囲気中で加熱処理する方法（例えば、特許文献３）、ｄ）ＡｌＮ原料粉末を窒素ガスを含む雰囲気中で炭化水素ガスと接触させて加熱処理する方法（例えば、特許文献４）、ｅ）ＡｌＮ原料粉末をアンモニアを含むガスと接触させて加熱処理する方法（例えば、特許文献５）、ｆ）ＡｌＮ原料粉末をアンモニアを含む雰囲気中で炭化水素ガスと接触させて加熱処理する方法（例えば、特許文献６）が開示されている。
【０００９】
しかしながら、これらの方法では、Ｆｅ、Ｓｉ等の所定の金属元素を低減させることはできなかった。
【００１０】
他方、直接法及び還元法以外の方法として、アルミニウム化合物（気体）を窒素又はアンモニアと気相で反応させる気相合成法がある。具体的には、ｇ）有機アルミニウム化合物とアンモニアを気相反応させ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ及びＮｉの合計が７７重量ｐｐｍ以下の高純度ＡｌＮ粉末を得る方法（例えば、特許文献７）、ｈ）ハロゲン化アルミニウムとアンモニアとをＣＶＤ法により反応させて合成したＡｌＮ粉末と炭素源を混合した後、窒素を含む非酸化性雰囲気中で熱処理して、酸素０．７〜０．９％、炭素０．１％、Ｆｅ１０ｐｐｍ、Ｃａ５ｐｐｍ及びＣｕ１ｐｐｍの高純度ＡｌＮ粉末を得る方法（例えば、特許文献８）が開示されている。
【００１１】
しかしながら、いずれの方法も、大量の有機アルミニウム化合物又はハロゲン化アルミニウムとアンモニアの取扱いが困難であるという問題があり、工業的規模での生産に適しているとは言い難い。また、気相合成法で得られる高純度ＡｌＮ粉末は、一般に微細粉であって比表面積が大きいことから、成形性が劣る等の問題がある。
【００１２】
【特許文献１】
特開昭６０−７１５７６号公報
【００１３】
【特許文献２】
特開平２−２６８１３号公報
【００１４】
【特許文献３】
特開平５−３１０４０６号公報
【００１５】
【特許文献４】
特開平５−３１０４０７号公報
【００１６】
【特許文献５】
特開平５−３１０４０８号公報
【００１７】
【特許文献６】
特開平６−１００３０５号公報
【００１８】
【特許文献７】
特開平７−３３４１２
【００１９】
【特許文献８】
特開昭６１−２０１６０８号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、特にＦｅ量が低減された窒化アルミニウム粉末を工業的規模で製造することを主な目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来技術の問題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定のプロセスによりＡｌＮ粉末を製造することにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００２２】
すなわち、本発明は、下記のＡｌＮ粉末及びその製造方法ならびにＡｌＮ焼結体に係る。
【００２３】
１． １０−２Ｔｏｒｒ以下の減圧下において１４００〜１８５０℃で窒化アルミニウム粉末を熱処理することを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方法。
【００２４】
２． 前記項１記載の製造方法により得られる窒化アルミニウム粉末であって、１）平均粒子径が０．１〜１０μｍ、２）比表面積が１〜２０ｍ２／ｇ及び３）Ｆｅ含有量が１０質量ｐｐｍ以下である窒化アルミニウム粉末。
３． 前記項２記載の窒化アルミニウム粉末を焼結して得られる窒化アルミニウム焼結体。
【００２５】
【発明の実施の形態】
１．ＡｌＮ粉末の製造方法
本発明のＡｌＮ粉末の製造方法は、１０−２Ｔｏｒｒ以下の減圧下において１４００〜１８５０℃で窒化アルミニウム原料粉末を熱処理することを特徴とする。
（１）窒化アルミニウム粉末（ＡｌＮ原料粉末）
ＡｌＮ原料粉末は、その組成（純度）、平均粒子径等の制限はなく、公知又は市販のＡｌＮ粉末も使用することができる。また、その製造法も限定されず、直接法、還元法等のいずれの方法で得られたものであっても良い。
【００２６】
特に、本発明方法は、不純物であるＦｅ及びＳｉの含有量が比較的高い窒化アルミニウム粉末をＡｌＮ原料粉末として用いることがより効果的である。具体的には、Ｆｅ含有量が１０質量ｐｐｍを超えるもの（特にＦｅ含有量２０質量ｐｐｍ以上のもの）が好ましい。より好ましくは、Ｆｅ含有量が１０質量ｐｐｍを超えるもの（特にＦｅ含有量２０質量ｐｐｍ以上のもの）であって、かつ、Ｓｉ含有量が３０質量ｐｐｍを超える（特にＳｉ含有量５０質量ｐｐｍ以上）窒化アルミニウム粉末がＡｌＮ原料粉末としてより効果的である。
【００２７】
ＡｌＮ原料粉末の平均粒子径は特に限定されないが、一般的に０．１〜１０μｍとすることが望ましい。また、比表面積（ＢＥＴ法）も限定的ではないが、一般には１〜２０ｍ２／ｇとすることが好ましい。
（２）熱処理
本発明方法では、前記ＡｌＮ原料粉末を１０−２Ｔｏｒｒ以下（好ましくは５×１０−３Ｔｏｒｒ以下）の減圧下で１４００〜１８５０℃（好ましくは１６００〜１８５０℃）の条件で熱処理する。この熱処理条件によって、金属不純物量（特にＦｅ及びＳｉ）の低減を図ることができる。圧力が１０−２Ｔｏｒｒを超える場合は、Ｆｅ、Ｓｉ等の金属不純物量の低減効果が小さくなる。炉内圧力の下限値は特に限定されないが、一般的には１０−６Ｔｏｒｒ程度とすれば良い。また、熱処理温度が１４００℃未満の場合には、金属不純物量を低減させるのに時間がかかりすぎる。また、１８５０℃を超える場合には、ＡｌＮ粉末の粒成長が著しくなり、焼結温度の上昇が避けられない。熱処理時間は、熱処理温度等により適宜設定すれば良いが、通常１〜２０時間程度とすれば良い。
【００２８】
熱処理雰囲気は限定されないが、非酸化性雰囲気とすることが好ましい。また、熱処理前後の昇温及び降温時の雰囲気は、必ずしも１０−２Ｔｏｒｒ以下の減圧下とする必要はないが、非酸化性雰囲気とすることが望ましい。非酸化性雰囲気は、具体的には、アルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気のほか、還元性雰囲気も含む。
【００２９】
熱処理後、得られた粉末は、必要に応じて振動ミル等により凝集を解したり、あるいはさらに分級した後、回収すれば良い。
【００３０】
本発明の製造方法は、本発明ＡｌＮ粉末の製造に適しており、特に焼結用ＡｌＮ粉末の製造方法として有効である。
【００３１】
本発明の製造方法によって、好ましくはＡｌＮ原料粉末のＦｅ含有量から２０％以上低減することができる。また、本発明の製造方法により、好ましくはＡｌＮ原料粉末のＳｉ含有量から１０％以上低減することができる。
２．ＡｌＮ粉末
本発明のＡｌＮ粉末は、本発明の製造方法により得られる窒化アルミニウム粉末であって、１）平均粒子径が０．１〜１０μｍ、２）比表面積が１〜２０ｍ２／ｇ及び３）Ｆｅ含有量が１０質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
【００３２】
本発明ＡｌＮ粉末のＦｅ含有量は、通常１０質量ｐｐｍ以下であり、好ましくは８質量ｐｐｍ以下、さらに好ましくは５質量ｐｐｍ以下である。Ｆｅ含有量が１０質量ｐｐｍを超えると、熱伝導率が低下する。なお、Ｆｅ含有量の下限値は特に限定されないが、一般的には０．１質量ｐｐｍ程度とすれば良い。
【００３３】
Ｓｉ含有量は限定的でないが、通常５０質量ｐｐｍ以下、特に３０質量ｐｐｍ以下、さらには２０質量ｐｐｍ以下であることが望ましい。Ｓｉ含有量が５０質量ｐｐｍを超えると、所望の熱伝導率が得られなくなるおそれがある。なお、Ｓｉ含有量の下限値は特に限定されないが、一般的には０．１質量ｐｐｍ程度とすれば良い。
【００３４】
ＡｌＮ粉末の平均粒子径は、通常０．１〜１０μｍ、好ましくは０．１〜３μｍである。平均粒子径が０．１μｍ未満になると比表面積が大きくなり、熱伝導率が低下する。平均粒子径が１０μｍを超えると焼結温度が高くなる。
【００３５】
本発明ＡｌＮ粉末の金属不純物の合計含有量は、Ｆｅ含有量等が上記範囲内に規定されている限り特に制限されないが、一般的には１０００質量ｐｐｍ以下（特に１００質量ｐｐｍ以下）とすることが望ましい。
【００３６】
ＡｌＮ粉末の比表面積は、通常１〜２０ｍ２／ｇ程度であり、好ましくは１〜１０ｍ２／ｇである。比表面積が２０ｍ２／ｇを超えると比表面積が大きくなり、熱伝導率が低下する。一方、比表面積が１ｍ２／ｇ未満になると焼結温度が高くなる。
【００３７】
本発明のＡｌＮ粉末は、特に焼結用粉末として有効である。例えば、焼結放熱基板を製造するための原料粉末として本発明ＡｌＮ粉末は最適である。
３．ＡｌＮ焼結体
本発明のＡｌＮ粉末を焼結することによって、本発明のＡｌＮ焼結体を得ることができる。焼結温度は、通常は１６００〜２１００℃程度（特に１７００〜１８５０℃）の範囲内とすれば良い。焼結雰囲気は限定的ではないが、特に窒素雰囲気とすることが望ましい。また、焼結方法も限定的でなく、常圧焼結、加圧焼結等のいずれも採用することができる。
【００３８】
本発明では、必要に応じて、焼結に先立ってＡｌＮ粉末を所望の形状に成形することもできる。成形方法は、プレス成形法、押出し成形法、ＣＩＰ法等の公知の成形法に従えば良い。この場合、必要に応じて公知の焼結助材（Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＣａＯ等）、バインダー（アクリル系バインダー、ポリビニルアルコール系バインダー、ポリビニルブチラール系バインダー等）、有機溶媒（イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール、ブタノール、ヘキサン等）を添加しても良い。また、成形前に原料粉末を予め造粒しておくこともできる。例えば、ＡｌＮ粉末からなるスラリーを調整し、このスラリーを用いて造粒すれば良い。造粒法等は、公知の方法に従って実施することができる。
【００３９】
ＡｌＮ焼結体は、特に熱伝導率が高い（通常は１８０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは２１０Ｗ／ｍＫ以上）という点で優れている。このため、高熱伝導性を利用する用途に好適に用いることができる。例えば、放熱基板、各種の構造部材として有用である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のＡｌＮ粉末の製造方法によれば、Ｆｅ含有量等が制御されたＡｌＮ粉末を得ることができる。
【００４１】
本発明のＡｌＮ粉末は、上記のようにＦｅ含有量等が制御されていることから、特に焼結用粉末として好適に用いることができる。
【００４２】
特に、本発明のＡｌＮ粉末は、焼結性に優れており、比較的低い温度でも十分な焼結性を得ることができる。
【００４３】
そして、本発明のＡｌＮ粉末から得られるＡｌＮ焼結体は、高い熱伝導率を発揮することができる。従って、本発明に係るＡｌＮ焼結体は、例えば、ＩＣ等の電子機器等に使用される放熱板、その他の構造部材等として有効である。
【００４４】
【実施例】
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４５】
なお、各物性は次のようにして測定した。
（１）平均粒子径
電子顕微鏡法観察により直接測定した。
（２）比表面積
ＢＥＴ法（「ＮＯＶＡ２０００」ユアサアイオニクス株式会社製）により測定した。
（３）金属不純物含有量
ＩＣＰ発光分光分析法により測定した。
（４）熱伝導率
熱定数測定装置「ＴＣ−７０００」（ＵＬＶＡＣ製）を用い、レーザーフラッシュ法により測定した。
【００４６】
比較例１
直接法で得られた塊状ＡｌＮを粉砕することにより、直接法粉末を得た。この粉末は、平均粒子径１．６μｍ、比表面積７．２ｍ２／ｇ、Ｆｅ含有量２６ｐｐｍ、Ｓｉ含有量３５ｐｐｍであった。この粉末をＡｌＮ原料粉末として用いた。
【００４７】
上記ＡｌＮ原料粉末１００重量部に対して焼結助材（Ｙ２Ｏ３）５重量部及びアクリル系バインダー５重量部を配合した後、プレス成形にてφ１０ｍｍ×３ｍｍの成形体を作成し、これを４５０℃で１時間加熱することにより脱脂した。次いで、窒素雰囲気中１８５０℃で３時間常圧焼結することによってＡｌＮ焼結体を得た。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。
【００４８】
実施例１
比較例１のＡｌＮ原料粉末を用い、２×１０−３Ｔｏｒｒの真空中１７００℃で３時間熱処理した。熱処理後、軽い凝集を振動ミルで解し、得られたＡｌＮ粉末の組成を測定した。その結果を表１に示す。
【００４９】
次いで、得られたＡｌＮ粉末１００重量部に対して焼結助材（Ｙ２Ｏ３）５重量部及びアクリル系バインダー５重量部を配合した後、プレス成形にてΦ１０ｍｍ×３ｍｍの成形体を作成し、これを４５０℃で１時間加熱することにより脱脂した。次いで、窒素雰囲気中１８５０℃で３時間常圧焼結することによってＡｌＮ焼結体を得た。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
実施例２
直接法で得られた塊状ＡｌＮを湿式分級することにより直接法微粉末を得た。この粉末は、平均粒子径０．０８μｍ、比表面積３１．２ｍ２／ｇ、Ｆｅ含有量２６ｐｐｍ、Ｓｉ含有量３５ｐｐｍであった。この粉末をＡｌＮ原料粉末として用いたほかは、実施例１と同様にしてＡｌＮ粉末を調製し、焼結体を作製した。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。
【００５２】
実施例３〜７及び比較例２〜３
熱処理雰囲気及び温度を表１に示すように変更したほかは、実施例１と同様にしてＡｌＮ粉末を調製し、焼結体を作製した。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。
【００５３】
比較例４
熱処理雰囲気及び温度を表１に示すように変更したほかは、実施例１と同様にしてＡｌＮ粉末を調製した後、その焼結を試みたが、未焼結であった。
【００５４】
比較例５
還元法で合成された市販のＡｌＮ粉末（品番Ｈグレード、株式会社トクヤマ製）をＡｌＮ原料粉末として用いた。
【００５５】
上記ＡｌＮ原料粉末１００重量部に対して焼結助材（Ｙ２Ｏ３）５重量部及びアクリル系バインダー５重量部を配合した後、プレス成形にてΦ１０ｍｍ×３ｍｍの成形体を作成し、これを４５０℃で１時間加熱することにより脱脂した。次いで、窒素雰囲気中１８５０℃で３時間常圧焼結することによってＡｌＮ焼結体を得た。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。
【００５６】
実施例８
比較例５のＡｌＮ原料粉末を用い、実施例１と同様にしてＡｌＮ粉末を調製し、焼結体を作製した。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な窒化アルミニウム粉末及びその製造方法ならびに窒化アルミニウム焼結体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化アルミニウム粉末（ＡｌＮ粉末）は、主にＡｌＮ焼結体を製造するための焼結用粉末として用いられている。ＡｌＮ焼結体は、ＡｌＮ粉末を焼結助材とともに成形し、焼結することにより製造される。そして、これにより得られる焼結体の特性は、原料となる窒化アルミニウム粉末の特性、製造条件等により大きく異なる。
【０００３】
ＡｌＮ焼結体は、半導体基板、半導体パッケージ基材、半導体製造装置等をはじめ、各種の用途に使用されている。特に、ＡｌＮ焼結体は、一般のアルミナセラミックス等に比べて高い熱伝導率を有するとともに、その熱膨張係数がシリコンとほぼ同じであることから、ＩＣの放熱基板用の材料として脚光を浴びている。
【０００４】
しかしながら、ＡｌＮの理論的な熱伝導率が約３２０Ｗ／ｍ・Ｋであるのに対し、実際のＡｌＮ単結晶又はＡｌＮセラミックスでは、ＡｌＮ粉末に含まれる不純物により、焼結方法にもよるが理論値の１／２前後の熱伝導率しか得られていない。
【０００５】
ＡｌＮ粉末中の不純物は、焼結工程中にＡｌＮの格子へ拡散し、格子欠陥を引き起こすことにより、ＡｌＮ焼結体の熱伝導率を低下させる。特に、Ｓｉ、Ｆｅ及び酸素は、熱伝導率を低下させることが知られている。
ＡｌＮ粉末の工業的な製造方法は、直接窒化法（以下「直接法」といい、それにより得られる粉末を「直接法粉末」という。）と還元窒化法（以下「還元法」といい、それにより得られる粉末を「還元法粉末」という。）に大別される。
【０００６】
還元法は、アルミナ粉末とカーボン粉末の混合物を窒素又はアンモニア雰囲気中で加熱し、アルミナを還元して窒化する方法である。ところが、還元法では、ａ）高価なアルミナを原料とすること、ｂ）還元が吸熱反応で進行するため、１５００℃以上の高温で１２時間以上処理を行う必要があること、ｃ）雰囲気中の窒素を反応に関与するようにしなければならないので、窒化処理に際して被反応物を薄く充填する必要があり、処理炉中への原料充填率が低くならざるを得ないこと等の問題により、製造コストが直接法よりも高くなる。
【０００７】
一方、直接法は、金属アルミニウム粉末を窒素雰囲気中で加熱して窒化合成させる方法である。直接法粉末は、直接法で得られた塊状ＡｌＮを粉砕することにより得られる。直接法は発熱反応であるため、還元法と比較してはるかに低温かつ短時間での製造が可能であり、安価なＡｌＮ粉末を供給することができる。ところが、一般的には直接法粉末は、還元法粉末に比べてＳｉ、Ｆｅ及び酸素含有量が多く、焼結体の熱伝導が低いとされている。その理由は、合成時の反応熱により粒成長又は合体が進行することから、平均粒子径を細かくするために窒化工程後、生成窒化物の粉砕工程が必要になるためである。この粉砕工程で生成される新生面はきわめて反応性が高く、雰囲気中の汚染物質と反応し、表層に汚染層を形成しやすく、Ｓｉ、Ｆｅ及び酸素含有量を増加させる。また、直接法においても、高純度ＡｌＮ粉末を得るためには、Ｓｉ及びＦｅ含有量の少ない高純度金属アルミニウム粉末を原料とする必要があり、この点においてコスト的に不利である。
【０００８】
得られたＡｌＮ粉末を原料粉末として処理を施し、酸素含有量を低減させる方法は従来から知られている。例えば、ａ）ＡｌＮ原料粉末と遊離炭素、炭素含有有機物質及びそれらの混合物等の炭素質添加剤とからなる粒状混合物をアルゴン、窒素及びそれらの混合物から選ばれた非酸化性雰囲気中で加熱処理する方法（例えば、特許文献１）、ｂ）ＡｌＮ原料粉末をカーボン製容器に収容し、窒素又は窒素を含む不活性ガス中で加熱処理する方法（例えば、特許文献２）、ｃ）ＡｌＮ原料粉末にカーボンブラック粉末を混合した後、アンモニアを含む非酸化性雰囲気中で加熱処理する方法（例えば、特許文献３）、ｄ）ＡｌＮ原料粉末を窒素ガスを含む雰囲気中で炭化水素ガスと接触させて加熱処理する方法（例えば、特許文献４）、ｅ）ＡｌＮ原料粉末をアンモニアを含むガスと接触させて加熱処理する方法（例えば、特許文献５）、ｆ）ＡｌＮ原料粉末をアンモニアを含む雰囲気中で炭化水素ガスと接触させて加熱処理する方法（例えば、特許文献６）が開示されている。
【０００９】
しかしながら、これらの方法では、Ｆｅ、Ｓｉ等の所定の金属元素を低減させることはできなかった。
【００１０】
他方、直接法及び還元法以外の方法として、アルミニウム化合物（気体）を窒素又はアンモニアと気相で反応させる気相合成法がある。具体的には、ｇ）有機アルミニウム化合物とアンモニアを気相反応させ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ及びＮｉの合計が７７重量ｐｐｍ以下の高純度ＡｌＮ粉末を得る方法（例えば、特許文献７）、ｈ）ハロゲン化アルミニウムとアンモニアとをＣＶＤ法により反応させて合成したＡｌＮ粉末と炭素源を混合した後、窒素を含む非酸化性雰囲気中で熱処理して、酸素０．７〜０．９％、炭素０．１％、Ｆｅ１０ｐｐｍ、Ｃａ５ｐｐｍ及びＣｕ１ｐｐｍの高純度ＡｌＮ粉末を得る方法（例えば、特許文献８）が開示されている。
【００１１】
しかしながら、いずれの方法も、大量の有機アルミニウム化合物又はハロゲン化アルミニウムとアンモニアの取扱いが困難であるという問題があり、工業的規模での生産に適しているとは言い難い。また、気相合成法で得られる高純度ＡｌＮ粉末は、一般に微細粉であって比表面積が大きいことから、成形性が劣る等の問題がある。
【００１２】
【特許文献１】
特開昭６０−７１５７６号公報
【００１３】
【特許文献２】
特開平２−２６８１３号公報
【００１４】
【特許文献３】
特開平５−３１０４０６号公報
【００１５】
【特許文献４】
特開平５−３１０４０７号公報
【００１６】
【特許文献５】
特開平５−３１０４０８号公報
【００１７】
【特許文献６】
特開平６−１００３０５号公報
【００１８】
【特許文献７】
特開平７−３３４１２
【００１９】
【特許文献８】
特開昭６１−２０１６０８号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、特にＦｅ量が低減された窒化アルミニウム粉末を工業的規模で製造することを主な目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来技術の問題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定のプロセスによりＡｌＮ粉末を製造することにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００２２】
すなわち、本発明は、下記のＡｌＮ粉末及びその製造方法ならびにＡｌＮ焼結体に係る。
【００２３】
１． １０−２Ｔｏｒｒ以下の減圧下において１４００〜１８５０℃で窒化アルミニウム粉末を熱処理することを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方法。
【００２４】
２． 前記項１記載の製造方法により得られる窒化アルミニウム粉末であって、１）平均粒子径が０．１〜１０μｍ、２）比表面積が１〜２０ｍ２／ｇ及び３）Ｆｅ含有量が１０質量ｐｐｍ以下である窒化アルミニウム粉末。
３． 前記項２記載の窒化アルミニウム粉末を焼結して得られる窒化アルミニウム焼結体。
【００２５】
【発明の実施の形態】
１．ＡｌＮ粉末の製造方法
本発明のＡｌＮ粉末の製造方法は、１０−２Ｔｏｒｒ以下の減圧下において１４００〜１８５０℃で窒化アルミニウム原料粉末を熱処理することを特徴とする。
（１）窒化アルミニウム粉末（ＡｌＮ原料粉末）
ＡｌＮ原料粉末は、その組成（純度）、平均粒子径等の制限はなく、公知又は市販のＡｌＮ粉末も使用することができる。また、その製造法も限定されず、直接法、還元法等のいずれの方法で得られたものであっても良い。
【００２６】
特に、本発明方法は、不純物であるＦｅ及びＳｉの含有量が比較的高い窒化アルミニウム粉末をＡｌＮ原料粉末として用いることがより効果的である。具体的には、Ｆｅ含有量が１０質量ｐｐｍを超えるもの（特にＦｅ含有量２０質量ｐｐｍ以上のもの）が好ましい。より好ましくは、Ｆｅ含有量が１０質量ｐｐｍを超えるもの（特にＦｅ含有量２０質量ｐｐｍ以上のもの）であって、かつ、Ｓｉ含有量が３０質量ｐｐｍを超える（特にＳｉ含有量５０質量ｐｐｍ以上）窒化アルミニウム粉末がＡｌＮ原料粉末としてより効果的である。
【００２７】
ＡｌＮ原料粉末の平均粒子径は特に限定されないが、一般的に０．１〜１０μｍとすることが望ましい。また、比表面積（ＢＥＴ法）も限定的ではないが、一般には１〜２０ｍ２／ｇとすることが好ましい。
（２）熱処理
本発明方法では、前記ＡｌＮ原料粉末を１０−２Ｔｏｒｒ以下（好ましくは５×１０−３Ｔｏｒｒ以下）の減圧下で１４００〜１８５０℃（好ましくは１６００〜１８５０℃）の条件で熱処理する。この熱処理条件によって、金属不純物量（特にＦｅ及びＳｉ）の低減を図ることができる。圧力が１０−２Ｔｏｒｒを超える場合は、Ｆｅ、Ｓｉ等の金属不純物量の低減効果が小さくなる。炉内圧力の下限値は特に限定されないが、一般的には１０−６Ｔｏｒｒ程度とすれば良い。また、熱処理温度が１４００℃未満の場合には、金属不純物量を低減させるのに時間がかかりすぎる。また、１８５０℃を超える場合には、ＡｌＮ粉末の粒成長が著しくなり、焼結温度の上昇が避けられない。熱処理時間は、熱処理温度等により適宜設定すれば良いが、通常１〜２０時間程度とすれば良い。
【００２８】
熱処理雰囲気は限定されないが、非酸化性雰囲気とすることが好ましい。また、熱処理前後の昇温及び降温時の雰囲気は、必ずしも１０−２Ｔｏｒｒ以下の減圧下とする必要はないが、非酸化性雰囲気とすることが望ましい。非酸化性雰囲気は、具体的には、アルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気のほか、還元性雰囲気も含む。
【００２９】
熱処理後、得られた粉末は、必要に応じて振動ミル等により凝集を解したり、あるいはさらに分級した後、回収すれば良い。
【００３０】
本発明の製造方法は、本発明ＡｌＮ粉末の製造に適しており、特に焼結用ＡｌＮ粉末の製造方法として有効である。
【００３１】
本発明の製造方法によって、好ましくはＡｌＮ原料粉末のＦｅ含有量から２０％以上低減することができる。また、本発明の製造方法により、好ましくはＡｌＮ原料粉末のＳｉ含有量から１０％以上低減することができる。
２．ＡｌＮ粉末
本発明のＡｌＮ粉末は、本発明の製造方法により得られる窒化アルミニウム粉末であって、１）平均粒子径が０．１〜１０μｍ、２）比表面積が１〜２０ｍ２／ｇ及び３）Ｆｅ含有量が１０質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする。
【００３２】
本発明ＡｌＮ粉末のＦｅ含有量は、通常１０質量ｐｐｍ以下であり、好ましくは８質量ｐｐｍ以下、さらに好ましくは５質量ｐｐｍ以下である。Ｆｅ含有量が１０質量ｐｐｍを超えると、熱伝導率が低下する。なお、Ｆｅ含有量の下限値は特に限定されないが、一般的には０．１質量ｐｐｍ程度とすれば良い。
【００３３】
Ｓｉ含有量は限定的でないが、通常５０質量ｐｐｍ以下、特に３０質量ｐｐｍ以下、さらには２０質量ｐｐｍ以下であることが望ましい。Ｓｉ含有量が５０質量ｐｐｍを超えると、所望の熱伝導率が得られなくなるおそれがある。なお、Ｓｉ含有量の下限値は特に限定されないが、一般的には０．１質量ｐｐｍ程度とすれば良い。
【００３４】
ＡｌＮ粉末の平均粒子径は、通常０．１〜１０μｍ、好ましくは０．１〜３μｍである。平均粒子径が０．１μｍ未満になると比表面積が大きくなり、熱伝導率が低下する。平均粒子径が１０μｍを超えると焼結温度が高くなる。
【００３５】
本発明ＡｌＮ粉末の金属不純物の合計含有量は、Ｆｅ含有量等が上記範囲内に規定されている限り特に制限されないが、一般的には１０００質量ｐｐｍ以下（特に１００質量ｐｐｍ以下）とすることが望ましい。
【００３６】
ＡｌＮ粉末の比表面積は、通常１〜２０ｍ２／ｇ程度であり、好ましくは１〜１０ｍ２／ｇである。比表面積が２０ｍ２／ｇを超えると比表面積が大きくなり、熱伝導率が低下する。一方、比表面積が１ｍ２／ｇ未満になると焼結温度が高くなる。
【００３７】
本発明のＡｌＮ粉末は、特に焼結用粉末として有効である。例えば、焼結放熱基板を製造するための原料粉末として本発明ＡｌＮ粉末は最適である。
３．ＡｌＮ焼結体
本発明のＡｌＮ粉末を焼結することによって、本発明のＡｌＮ焼結体を得ることができる。焼結温度は、通常は１６００〜２１００℃程度（特に１７００〜１８５０℃）の範囲内とすれば良い。焼結雰囲気は限定的ではないが、特に窒素雰囲気とすることが望ましい。また、焼結方法も限定的でなく、常圧焼結、加圧焼結等のいずれも採用することができる。
【００３８】
本発明では、必要に応じて、焼結に先立ってＡｌＮ粉末を所望の形状に成形することもできる。成形方法は、プレス成形法、押出し成形法、ＣＩＰ法等の公知の成形法に従えば良い。この場合、必要に応じて公知の焼結助材（Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＣａＯ等）、バインダー（アクリル系バインダー、ポリビニルアルコール系バインダー、ポリビニルブチラール系バインダー等）、有機溶媒（イソプロピルアルコール、エタノール、メタノール、ブタノール、ヘキサン等）を添加しても良い。また、成形前に原料粉末を予め造粒しておくこともできる。例えば、ＡｌＮ粉末からなるスラリーを調整し、このスラリーを用いて造粒すれば良い。造粒法等は、公知の方法に従って実施することができる。
【００３９】
ＡｌＮ焼結体は、特に熱伝導率が高い（通常は１８０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは２１０Ｗ／ｍＫ以上）という点で優れている。このため、高熱伝導性を利用する用途に好適に用いることができる。例えば、放熱基板、各種の構造部材として有用である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のＡｌＮ粉末の製造方法によれば、Ｆｅ含有量等が制御されたＡｌＮ粉末を得ることができる。
【００４１】
本発明のＡｌＮ粉末は、上記のようにＦｅ含有量等が制御されていることから、特に焼結用粉末として好適に用いることができる。
【００４２】
特に、本発明のＡｌＮ粉末は、焼結性に優れており、比較的低い温度でも十分な焼結性を得ることができる。
【００４３】
そして、本発明のＡｌＮ粉末から得られるＡｌＮ焼結体は、高い熱伝導率を発揮することができる。従って、本発明に係るＡｌＮ焼結体は、例えば、ＩＣ等の電子機器等に使用される放熱板、その他の構造部材等として有効である。
【００４４】
【実施例】
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４５】
なお、各物性は次のようにして測定した。
（１）平均粒子径
電子顕微鏡法観察により直接測定した。
（２）比表面積
ＢＥＴ法（「ＮＯＶＡ２０００」ユアサアイオニクス株式会社製）により測定した。
（３）金属不純物含有量
ＩＣＰ発光分光分析法により測定した。
（４）熱伝導率
熱定数測定装置「ＴＣ−７０００」（ＵＬＶＡＣ製）を用い、レーザーフラッシュ法により測定した。
【００４６】
比較例１
直接法で得られた塊状ＡｌＮを粉砕することにより、直接法粉末を得た。この粉末は、平均粒子径１．６μｍ、比表面積７．２ｍ２／ｇ、Ｆｅ含有量２６ｐｐｍ、Ｓｉ含有量３５ｐｐｍであった。この粉末をＡｌＮ原料粉末として用いた。
【００４７】
上記ＡｌＮ原料粉末１００重量部に対して焼結助材（Ｙ２Ｏ３）５重量部及びアクリル系バインダー５重量部を配合した後、プレス成形にてφ１０ｍｍ×３ｍｍの成形体を作成し、これを４５０℃で１時間加熱することにより脱脂した。次いで、窒素雰囲気中１８５０℃で３時間常圧焼結することによってＡｌＮ焼結体を得た。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。
【００４８】
実施例１
比較例１のＡｌＮ原料粉末を用い、２×１０−３Ｔｏｒｒの真空中１７００℃で３時間熱処理した。熱処理後、軽い凝集を振動ミルで解し、得られたＡｌＮ粉末の組成を測定した。その結果を表１に示す。
【００４９】
次いで、得られたＡｌＮ粉末１００重量部に対して焼結助材（Ｙ２Ｏ３）５重量部及びアクリル系バインダー５重量部を配合した後、プレス成形にてΦ１０ｍｍ×３ｍｍの成形体を作成し、これを４５０℃で１時間加熱することにより脱脂した。次いで、窒素雰囲気中１８５０℃で３時間常圧焼結することによってＡｌＮ焼結体を得た。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。
【００５０】
【表１】
実施例２
直接法で得られた塊状ＡｌＮを湿式分級することにより直接法微粉末を得た。この粉末は、平均粒子径０．０８μｍ、比表面積３１．２ｍ２／ｇ、Ｆｅ含有量２６ｐｐｍ、Ｓｉ含有量３５ｐｐｍであった。この粉末をＡｌＮ原料粉末として用いたほかは、実施例１と同様にしてＡｌＮ粉末を調製し、焼結体を作製した。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。
【００５２】
実施例３〜７及び比較例２〜３
熱処理雰囲気及び温度を表１に示すように変更したほかは、実施例１と同様にしてＡｌＮ粉末を調製し、焼結体を作製した。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。
【００５３】
比較例４
熱処理雰囲気及び温度を表１に示すように変更したほかは、実施例１と同様にしてＡｌＮ粉末を調製した後、その焼結を試みたが、未焼結であった。
【００５４】
比較例５
還元法で合成された市販のＡｌＮ粉末（品番Ｈグレード、株式会社トクヤマ製）をＡｌＮ原料粉末として用いた。
【００５５】
上記ＡｌＮ原料粉末１００重量部に対して焼結助材（Ｙ２Ｏ３）５重量部及びアクリル系バインダー５重量部を配合した後、プレス成形にてΦ１０ｍｍ×３ｍｍの成形体を作成し、これを４５０℃で１時間加熱することにより脱脂した。次いで、窒素雰囲気中１８５０℃で３時間常圧焼結することによってＡｌＮ焼結体を得た。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。
【００５６】
実施例８
比較例５のＡｌＮ原料粉末を用い、実施例１と同様にしてＡｌＮ粉末を調製し、焼結体を作製した。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。
Claims (3)
- １０−２Ｔｏｒｒ以下の減圧下において１４００〜１８５０℃で窒化アルミニウム粉末を熱処理することを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方法。
- 請求項１記載の製造方法により得られる窒化アルミニウム粉末であって、１）平均粒子径が０．１〜１０μｍ、２）比表面積が１〜２０ｍ２／ｇ及び３）Ｆｅ含有量が１０質量ｐｐｍ以下である窒化アルミニウム粉末。
- 請求項２記載の窒化アルミニウム粉末を焼結して得られる窒化アルミニウム焼結体。
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| JP2003082082A JP2004284916A (ja) | 2003-03-25 | 2003-03-25 | 窒化アルミニウム粉末及びその製造方法ならびに窒化アルミニウム焼結体 |
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2003
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