JP2006131492A - Aluminum nitride powder and its production method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently produce an AlN powder having a small average particle size, a small specific surface area and a low oxygen content. <P>SOLUTION: In a production method of the aluminum nitride powder, a mixed powder containing 100 pts.wt. aluminum nitride raw material powder and 0.01-15 pts.wt. carbonaceous substance is subjected to a first heat-treatment at 1,400-1,600°C in a non-oxidative atmosphere with a carbon dioxide gas concentration of 0-10 vol.% and subsequently to a second heat-treatment at 500-800°C in an oxidative atmosphere. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、窒化アルミニウム粉末及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an aluminum nitride powder and a method for producing the same.

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。このAlN焼結体は、半導体基板、半導体パッケージ基材等をはじめ、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。   Aluminum nitride powder (AlN powder) is mainly used as a sintering powder for producing an AlN sintered body. The AlN sintered body is manufactured by molding and sintering AlN powder together with a sintering aid. This AlN sintered body is used for various applications including a semiconductor substrate and a semiconductor package base material. In particular, the AlN sintered body has a high thermal conductivity compared to general alumina ceramics and the like, and its thermal expansion coefficient is almost the same as that of silicon. Yes.

ところが、AlN焼結体は、その焼結温度が1800℃前後と高温であるため、アルミナセラミックス等に比して製造コストが高くなる。従って、焼結温度を下げることができれば、AlN焼結体の製造コストの削減につながる。   However, since the sintering temperature of the AlN sintered body is as high as about 1800 ° C., the manufacturing cost is higher than that of alumina ceramics. Therefore, if the sintering temperature can be lowered, the production cost of the AlN sintered body can be reduced.

焼結温度を下げる方法としては、一般的にはAlN粉末の平均粒子径を小さくすることが考えられる。ところが、平均粒子径を小さくすると、比表面積の増加に伴い、AlN粉末の酸素含有量が増加し、AlN焼結体の特徴である高熱伝導性が損なわれるという問題が起こる。しかも、比表面積の増加により、焼結時に多量のバインダーが必要となるため、コスト高となるばかりでなく、焼結体の寸法精度の低下も引き起こされる。   As a method for lowering the sintering temperature, it is generally considered to reduce the average particle diameter of the AlN powder. However, when the average particle size is reduced, the oxygen content of the AlN powder increases with an increase in the specific surface area, which causes a problem that the high thermal conductivity that is characteristic of the AlN sintered body is impaired. Moreover, an increase in specific surface area requires a large amount of binder at the time of sintering, which not only increases the cost, but also causes a decrease in the dimensional accuracy of the sintered body.

ところで、AlN粉末の工業的な製造方法としては、直接窒化法(以下「直接法」といい、こ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、これにより得られる粉末を「還元法粉末」という。)に大別できる。   By the way, as an industrial production method of AlN powder, a direct nitriding method (hereinafter referred to as “direct method”, and a powder obtained thereby is referred to as “direct method powder”) and a reductive nitriding method (hereinafter referred to as “reducing method”). The powder obtained by this is roughly classified into “reduction method powder”).

還元法は、アルミナ粉末とカーボン粉末と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。しかし、還元法では、アルミナの中でも高価な粉末を原料とする上、還元が吸熱反応で進行することから、1500℃以上の高温で12時間以上処理する必要がある。加えて、還元法では、各粉末粒子が雰囲気中の窒素と均等に反応させるため、還元処理に際してアルミナ粉末を層状に薄く充填する必要があり、一回で還元処理できる量が制約される。これらの点から、還元法は、製造コストが高くなるという欠点がある。   The reduction method is a method in which a mixture of alumina powder and carbon powder is heated in a nitrogen or ammonia atmosphere to reduce and nitride the alumina. However, in the reduction method, an expensive powder among alumina is used as a raw material, and the reduction proceeds by an endothermic reaction. Therefore, it is necessary to perform the treatment at a high temperature of 1500 ° C. or more for 12 hours or more. In addition, in the reduction method, since each powder particle reacts uniformly with nitrogen in the atmosphere, it is necessary to fill the alumina powder thinly in the layer during the reduction treatment, and the amount that can be reduced at a time is limited. From these points, the reduction method has a drawback that the production cost becomes high.

一方、直接法は、金属アルミニウム粉末を窒素雰囲気下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り、還元法に比べてはるかに低温でかつ短時間で製造することができることから、より安価でAlN粉末を供給することができる。   On the other hand, the direct method is a method in which metal aluminum powder is heated in a nitrogen atmosphere for nitriding synthesis. The direct method powder is obtained by pulverizing the bulk AlN obtained by the direct method. Since the direct method is an exothermic reaction and can be produced at a much lower temperature and in a shorter time than the reduction method, the AlN powder can be supplied at a lower cost.

ただし、直接法粉末は、一般的に還元法粉末に比べて酸素含有量が多く、高い熱伝導率を有する焼結体を得ることが困難とされている。その理由は、直接法では、合成時の反応熱により粒成長又は合体が進行するので、平均粒子径を細かくするために窒化工程後に生成窒化物の粉砕工程が必要となるからである。すなわち、この粉砕工程では、生成される新しい面は、きわめて反応性が高く、雰囲気中のごく微量の酸素又は水分と反応する。そして、粉砕された粒子表層では水和物又は酸化物が形成されやすく、その結果として酸素含有量を増加させる。また、粉砕された粉末には多数の凹凸又は亀裂が導入されており、その形状も角張ったものであり、粉砕によって生じる微細粉の発生も相俟って比表面積が大きくなり、これらも酸素含有量を増加させる要因となっている。   However, the direct method powder generally has a higher oxygen content than the reduction method powder, and it is difficult to obtain a sintered body having high thermal conductivity. The reason is that, in the direct method, grain growth or coalescence proceeds by reaction heat during synthesis, and thus a pulverization step of the produced nitride is required after the nitriding step in order to reduce the average particle size. That is, in this pulverization process, the new surface produced is very reactive and reacts with a very small amount of oxygen or moisture in the atmosphere. And, in the pulverized particle surface layer, hydrates or oxides are easily formed, and as a result, the oxygen content is increased. In addition, many irregularities or cracks are introduced into the pulverized powder, and the shape thereof is also angular, and the specific surface area increases due to the generation of fine powder generated by pulverization, which also contains oxygen. It is a factor that increases the amount.

以上のことから、直接法は安価な粉末製造法であるものの、それにより得られる粉末からは十分な熱伝導率を有する焼結体を得ることが困難である。   From the above, although the direct method is an inexpensive powder manufacturing method, it is difficult to obtain a sintered body having sufficient thermal conductivity from the powder obtained thereby.

これに対し、粗製窒化アルミニウム粉末にカーボンブラック粉末を混合した後、NHを含む非酸化性雰囲気中において1200〜1700℃で加熱することにより酸素含有量及び炭素含有量を低減させる方法(特許文献1)が知られている。 On the other hand, after mixing carbon black powder with crude aluminum nitride powder, the oxygen content and the carbon content are reduced by heating at 1200 to 1700 ° C. in a non-oxidizing atmosphere containing NH 3 (Patent Document) 1) is known.

しかしながら、この方法では、NHを使用するため、コスト面と作業性において問題がある。また、上記技術では、高い熱伝導性を有する焼結体基板が得られるとされているが、十分なものとは言えない。 However, since NH 3 is used in this method, there are problems in terms of cost and workability. Moreover, although it is said that the sintered compact board | substrate which has high heat conductivity is obtained with the said technique, it cannot be said that it is enough.

また、窒化アルミニウムと遊離炭素、炭素含有有機物質及びこれらの混合物からなる群より選ばれた炭素質添加剤とからなる粒状混合物をアルゴン、窒素及びこれらの混合物からなる群より選ばれた非酸化性雰囲気中において1350〜1750℃で加熱することにより、酸素量を低減する方法(特許文献2)が記載されている。   In addition, a granular mixture composed of aluminum nitride and free carbon, a carbon-containing organic material and a carbonaceous additive selected from the group consisting of these is non-oxidizing selected from the group consisting of argon, nitrogen and a mixture thereof. A method for reducing the amount of oxygen by heating at 1350 to 1750 ° C. in an atmosphere (Patent Document 2) is described.

しかしながら、この方法では、炭素量の正確な添加が必要であり、その制御が難しい。   However, this method requires accurate addition of the carbon amount and is difficult to control.

また、窒化アルミニウム原料粉末100重量部に対して炭素質物質1〜15重量部含む混合粉末を非酸化性雰囲気中1600〜1850℃で熱処理した後、酸化性雰囲気中600〜800℃で熱処理することことにより窒化アルミニウム粉末の製造方法(特許文献3)が知られている。   Moreover, after heat-processing the mixed powder containing 1-15 weight part of carbonaceous materials with respect to 100 weight part of aluminum nitride raw material powder in non-oxidizing atmosphere at 1600-1850 degreeC, it heat-treats at 600-800 degreeC in oxidizing atmosphere. Thus, a method for producing aluminum nitride powder (Patent Document 3) is known.

しかしながら、この方法で得られたAlN粉末は凝集が著しく、そのまま焼結に供することが困難なため粉砕工程が必要であった。粉砕工程の追加は、コストの上昇のみならず、酸素量の再増加を招き、結果として焼結性に優れたAlN粉末を得ることができない。
特開平5−310406号 特開昭60−71576号 特開2003−104777号
However, since the AlN powder obtained by this method is remarkably agglomerated and difficult to be directly subjected to sintering, a pulverization step is necessary. The addition of the pulverization process causes not only an increase in cost but also a re-increase in the amount of oxygen, and as a result, an AlN powder excellent in sinterability cannot be obtained.
JP-A-5-310406 JP-A-60-71576 JP 2003-104777 A

このように、いずれの方法においても、低コストで高い熱伝導率をもつAlN焼結体を得ることは困難である。   As described above, in any method, it is difficult to obtain an AlN sintered body having high thermal conductivity at low cost.

従って、本発明の主な目的は、平均粒子径及び比表面積が小さく、酸素含有量の少ないAlN粉末を効率的に製造することにある。また、さらなる本発明の目的は、高い熱伝導率をもつAlN焼結体を提供することにある。   Accordingly, the main object of the present invention is to efficiently produce AlN powder having a small average particle diameter and specific surface area and a low oxygen content. A further object of the present invention is to provide an AlN sintered body having high thermal conductivity.

本発明者は、かかる従来技術の問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定の方法により得られるAlN粉末が上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies in view of the problems of the prior art, the present inventor has found that an AlN powder obtained by a specific method can achieve the above object, and has completed the present invention.

すなわち、本発明は、下記の窒化アルミニウム粉末及びその製造方法に係るものである。   That is, the present invention relates to the following aluminum nitride powder and a method for producing the same.

1. 窒化アルミニウム原料粉末100重量部及び炭素質物質0.01〜15重量部を含む混合粉末を、炭酸ガス濃度が0〜10容量%の非酸化性雰囲気中1400〜1600℃で第1の熱処理した後、酸化性雰囲気中500〜800℃で第2の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。   1. After first heat-treating mixed powder containing 100 parts by weight of aluminum nitride raw material powder and 0.01 to 15 parts by weight of carbonaceous material at 1400 to 1600 ° C. in a non-oxidizing atmosphere having a carbon dioxide gas concentration of 0 to 10% by volume And a second heat treatment at 500 to 800 ° C. in an oxidizing atmosphere.

2. 窒化アルミニウム原料粉末の酸素含有量が1.2質量%以上である上記1記載の製造方法。   2. 2. The method according to 1 above, wherein the aluminum nitride raw material powder has an oxygen content of 1.2% by mass or more.

3. 窒化アルミニウム原料粉末が直接窒化法で得られた粉末である上記1又は2に記載の製造方法。   3. 3. The production method according to 1 or 2 above, wherein the aluminum nitride raw material powder is a powder obtained by a direct nitriding method.

4. 非酸化性雰囲気が、炭酸ガス0〜10容量%及び残部が実質的に非酸化性ガスからなる、上記1〜3のいずれかに記載の製造方法。   4). 4. The production method according to any one of 1 to 3 above, wherein the non-oxidizing atmosphere is composed of 0 to 10% by volume of carbon dioxide gas and the balance substantially consists of non-oxidizing gas.

5. 第1の熱処理に際し、非酸化性ガスを系内に補給しながら炭酸ガス濃度0〜10容量%を維持する、上記4に記載の製造方法。   5. 5. The production method according to 4 above, wherein a carbon dioxide concentration of 0 to 10% by volume is maintained while supplying a non-oxidizing gas to the system during the first heat treatment.

6. 非酸化性ガスが不活性ガスである、上記4又は5に記載の製造方法。   6). 6. The production method according to 4 or 5 above, wherein the non-oxidizing gas is an inert gas.

7. 上記1〜6のいずれかに記載の製造方法により得られる窒化アルミニウム粉末。   7. Aluminum nitride powder obtained by the production method according to any one of 1 to 6 above.

8. 酸素含有量0.9質量%以下、炭素含有量0.2重量%以下、平均粒子径3μm以下及び比表面積が4.0m/g以下である請求項7記載の窒化アルミニウム粉末。 8). Oxygen content 0.9 mass% or less, the carbon content 0.2 wt% or less, an average particle diameter of 3μm or less and a specific surface area of 4.0 m 2 / g or less is 7. The aluminum nitride powder according.

9. 上記8に記載の窒化アルミニウム粉末を造粒して得られる窒化アルミニウム顆粒。   9. 9. Aluminum nitride granules obtained by granulating the aluminum nitride powder described in 8 above.

10. 上記8に記載の窒化アルミニウム粉末又は上記9に記載の窒化アルミニウム顆粒を焼結して得られる窒化アルミニウム焼結体。   10. 10. An aluminum nitride sintered body obtained by sintering the aluminum nitride powder described in 8 or the aluminum nitride granule described in 9.

11. 熱伝導率が150W/mK以上である上記10に記載の窒化アルミニウム焼結体。   11 11. The aluminum nitride sintered body according to 10 above, wherein the thermal conductivity is 150 W / mK or more.

本発明の窒化アルミニウム粉末の製造方法によれば、酸素含有量、炭素含有量等が特定範囲内に制御された窒化アルミニウム粉末を効率的に得ることができる。このため、本発明の窒化アルミニウム粉末は、優れた焼結性等を発揮することができる。   According to the method for producing an aluminum nitride powder of the present invention, an aluminum nitride powder in which the oxygen content, the carbon content, etc. are controlled within a specific range can be obtained efficiently. For this reason, the aluminum nitride powder of the present invention can exhibit excellent sinterability and the like.

従って、本発明の窒化アルミニウム粉末は、比較的低い温度でも十分な焼結性を得ることができる。また、バインダーの使用量も比較的少なくて済む結果、高い寸法精度で焼結体を製造することもできる。   Therefore, the aluminum nitride powder of the present invention can obtain sufficient sinterability even at a relatively low temperature. Further, as a result of using a relatively small amount of binder, a sintered body can be manufactured with high dimensional accuracy.

本発明の窒化アルミニウム焼結体は、高い熱伝導率を発揮することができる。このため、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。   The aluminum nitride sintered body of the present invention can exhibit high thermal conductivity. For this reason, it is effective as a heat radiating plate, other structural members, etc. used for electronic devices, such as IC.

1.窒化アルミニウム粉末の製造方法
本発明の窒化アルミニウム粉末の製造方法は、窒化アルミニウム原料粉末100重量部及び炭素質物質0.01〜15重量部を含む混合粉末を、炭酸ガス濃度0〜10容量%である非酸化性雰囲気中1400〜1600℃で第1の熱処理した後、酸化性雰囲気中500〜800℃で第2の熱処理することを特徴とする。
1. Method for Producing Aluminum Nitride Powder The method for producing aluminum nitride powder of the present invention comprises a mixed powder containing 100 parts by weight of aluminum nitride raw material powder and 0.01 to 15 parts by weight of carbonaceous material at a carbon dioxide concentration of 0 to 10% by volume. A first heat treatment is performed at 1400 to 1600 ° C. in a non-oxidizing atmosphere, and then a second heat treatment is performed at 500 to 800 ° C. in an oxidizing atmosphere.

(1)窒化アルミニウム原料粉末
窒化アルミニウム原料粉末は、その組成(酸素含有量等)、平均粒子径等の制限はなく、どのような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、還元法等のいずれであっても良い。
(1) Aluminum nitride raw material powder The aluminum nitride raw material powder is not limited in its composition (oxygen content, etc.) and average particle diameter, and any AlN powder can be used. Moreover, the manufacturing method is not limited, either, a direct method, a reduction method, etc. may be sufficient.

特に、窒化アルミニウム原料粉末の平均粒子径は、0.7〜2μm程度のものが望ましい。粒度の調整は、公知の粉砕法、分級法等を用いて適宜実施することができる。   In particular, the average particle diameter of the aluminum nitride raw material powder is preferably about 0.7 to 2 μm. The particle size can be adjusted as appropriate using a known pulverization method, classification method or the like.

また、本発明では、特に、酸素含有量が1.2質量%以上の窒化アルミニウム原料粉末を好適に用いることができる。このようなAlN粉末は、一般的には直接法により製造することができる。すなわち、本発明方法は、直接法により得られるAlN粉末を窒化アルミニウム原料粉末として好適に用いることができる。   In the present invention, in particular, an aluminum nitride raw material powder having an oxygen content of 1.2% by mass or more can be suitably used. Such an AlN powder can generally be produced by a direct method. That is, in the method of the present invention, the AlN powder obtained by the direct method can be suitably used as the aluminum nitride raw material powder.

直接法は、公知の直接窒化法に従って実施することができる。例えば、純度99.9質量%以上のアルミニウム粉を窒素雰囲気中で加熱することよって得られた塊状物を粉砕することによってAlN粉末を得ることができる。加熱温度は限定的でないが、通常600〜1200℃程度、特に650〜1100℃とすることが望ましい。また、保持時間は加熱温度等に応じて適宜設定できるが、通常は10〜120分程度とすれば良い。また、粉砕方法は公知の方法に従えば良く、例えばボールミル、ロッドミル、振動ミル、ジョークラッシャー、ロールクラッシャー等による粉砕が挙げられる。   The direct method can be carried out according to a known direct nitriding method. For example, an AlN powder can be obtained by pulverizing a lump obtained by heating aluminum powder having a purity of 99.9% by mass or more in a nitrogen atmosphere. The heating temperature is not limited, but it is usually preferably about 600 to 1200 ° C, particularly 650 to 1100 ° C. In addition, the holding time can be appropriately set according to the heating temperature or the like, but is usually about 10 to 120 minutes. The pulverization method may be a known method such as pulverization by a ball mill, rod mill, vibration mill, jaw crusher, roll crusher, or the like.

(2)炭素質物質
炭素質物質としては炭素を主成分とするものであれば限定されず、例えばカーボンブラック、カーボンフレーク等の炭素単体、有機樹脂等を含む有機物等が使用できる。炭素質物質は、粉末状であることが好ましく、とりわけ平均粒子径10nm〜1μm程度の炭素質物質粉末を好適に用いることができる。
(2) Carbonaceous material The carbonaceous material is not limited as long as it has carbon as a main component, and for example, a carbon simple substance such as carbon black and carbon flakes, an organic substance containing an organic resin, or the like can be used. The carbonaceous material is preferably in a powder form, and in particular, a carbonaceous material powder having an average particle diameter of about 10 nm to 1 μm can be suitably used.

炭素質物質の使用量は、用いる炭素質物質の種類又は比表面積、AlN原料粉末の酸素含有量等に応じて適宜設定できるが、通常は窒化アルミニウム原料粉末100重量部に対して炭素質物質0.01〜15重量部程度(特に0.1〜7重量部)とすることが望ましい。炭素質物質が0.01重量部未満の場合は、酸素除去効果が不十分となるおそれがある。また、炭素質物質が15重量部を超える場合は、粉末の嵩密度が低くなり、生産性が低下するおそれがある。ただし、生産性に大きな支障を来さない場合は、15重量部を超えても良い。   The amount of carbonaceous material used can be appropriately set according to the type or specific surface area of the carbonaceous material used, the oxygen content of the AlN raw material powder, etc. It is desirable that the content be about 0.01 to 15 parts by weight (particularly 0.1 to 7 parts by weight). If the carbonaceous material is less than 0.01 parts by weight, the oxygen removal effect may be insufficient. Moreover, when a carbonaceous substance exceeds 15 weight part, there exists a possibility that the bulk density of powder may become low and productivity may fall. However, the amount may exceed 15 parts by weight if the productivity is not significantly hindered.

(3)混合粉末の調製
混合粉末の調製方法は特に限定されない。例えば、窒化アルミニウム原料粉末と炭素質物質とを混合すれば良い。混合は、例えばブレンダー、ミキサー等の公知の装置を用いて均一になるように混合すれば良い。
(3) Preparation of mixed powder The preparation method of mixed powder is not specifically limited. For example, an aluminum nitride raw material powder and a carbonaceous material may be mixed. What is necessary is just to mix so that it may become uniform using well-known apparatuses, such as a blender and a mixer, for example.

(4)混合粉末の脱酸素処理
窒化アルミニウム原料粉末と炭素質物質とを混合して得られた混合粉末に対して第1の熱処理を実施する。すなわち、炭酸ガス濃度0〜10容量%の非酸化性雰囲気中1400〜1600℃で熱処理を行う。
(4) Deoxygenation treatment of mixed powder The first heat treatment is performed on the mixed powder obtained by mixing the aluminum nitride raw material powder and the carbonaceous material. That is, heat treatment is performed at 1400 to 1600 ° C. in a non-oxidizing atmosphere having a carbon dioxide gas concentration of 0 to 10% by volume.

第1の熱処理によって、窒化アルミニウム原料粉末の脱酸素が主として行われる。これにより、主として酸素含有量及び比表面積の低減を図ることができる。一般に、第1の熱処理前の直接法粉末表面には、粉砕工程に起因する多数の凹凸があり、皺や亀裂が入った状態となっている。第1の熱処理を施すことにより、AlN粉末は表面エネルギーを小さくするべく表面の皺や亀裂を解消していくため、表面積が減少する。AlN粉末の表面では、炭素との還元反応により粒成長のエネルギーが奪われ、粒子径の増加が遅々として進まない一方で、先行して表面積の減少が進む結果、単位重量当たりの表面積である比表面積を所定値まで低下させることができる。   Deoxidation of the aluminum nitride raw material powder is mainly performed by the first heat treatment. Thereby, mainly reduction of oxygen content and specific surface area can be aimed at. In general, the surface of the direct method powder before the first heat treatment has a large number of irregularities due to the pulverization process, and is in a state of wrinkles and cracks. By performing the first heat treatment, the AlN powder eliminates surface wrinkles and cracks in order to reduce the surface energy, so that the surface area is reduced. On the surface of the AlN powder, the energy of grain growth is deprived by the reduction reaction with carbon, and the increase in particle diameter does not progress slowly, while the surface area decreases in advance, resulting in the surface area per unit weight. The specific surface area can be reduced to a predetermined value.

第1の熱処理の雰囲気は、前記のとおり、炭酸ガス濃度が0〜10容量%の非酸化性雰囲気とする。炭酸ガス濃度が10容量%を超えると、還元反応の進行が妨げられ、十分に酸素含有量を低減させることが困難になる。炭酸ガス濃度の下限値は、工業的に製造可能であれば特に限定されないが、通常は5容量ppm程度とすれば良い。   As described above, the atmosphere of the first heat treatment is a non-oxidizing atmosphere having a carbon dioxide gas concentration of 0 to 10% by volume. If the carbon dioxide concentration exceeds 10% by volume, the progress of the reduction reaction is hindered, and it becomes difficult to sufficiently reduce the oxygen content. The lower limit value of the carbon dioxide gas concentration is not particularly limited as long as it can be produced industrially, but is usually about 5 ppm by volume.

非酸化性雰囲気としては、より具体的には、炭酸ガス濃度が0〜10重量%であって、かつ、窒化アルミニウム原料粉末が酸化しない雰囲気とすれば良い。例えば、非酸化性雰囲気の炭酸ガス以外の部分は、不活性ガス(アルゴン、ヘリウム、窒素等)又は還元性ガス(アンモニア等)のような非酸化性ガスのほか、真空等のいずれであっても良い。特に、炭酸ガス濃度の制御が容易という点で、非酸化性ガスであることが好ましい。従って、例えば、非酸化性雰囲気として、炭酸ガス0〜10容量%及び残部が実質的に非酸化性ガスからなる雰囲気を好適に採用することが望ましい。非酸化性ガスとしては、不活性ガスが好ましく、特に窒素ガスが最も好ましい。   More specifically, the non-oxidizing atmosphere may be an atmosphere in which the carbon dioxide concentration is 0 to 10% by weight and the aluminum nitride raw material powder is not oxidized. For example, the portion other than the carbon dioxide gas in the non-oxidizing atmosphere is any of non-oxidizing gas such as inert gas (argon, helium, nitrogen, etc.) or reducing gas (ammonia, etc.), vacuum, etc. Also good. In particular, the non-oxidizing gas is preferable in terms of easy control of the carbon dioxide gas concentration. Therefore, for example, as the non-oxidizing atmosphere, it is desirable to suitably employ an atmosphere composed of 0 to 10% by volume of carbon dioxide gas and the balance being substantially non-oxidizing gas. As the non-oxidizing gas, an inert gas is preferable, and nitrogen gas is most preferable.

第1の熱処理中においては、一般的には、炭素質物質による還元反応によって炭酸ガスが発生する。このため、炭酸ガス濃度が10容量%を超えないように制御することが望ましい。例えば、非酸化性ガス(好ましくは不活性ガス)を系内に補給しながら炭酸ガス濃度0〜10容量%を維持することが好ましい。これにより、炭酸ガス濃度(分圧)の上昇を効率良く抑えることができる。非酸化性ガスの補給は、連続的又は断続的に実施しても良いし、一時的に実施しても良い。連続的に実施する場合は、途中で単位時間あたりの非酸化性ガスの流入量を増減しても良い。   During the first heat treatment, carbon dioxide gas is generally generated by a reduction reaction with a carbonaceous material. For this reason, it is desirable to control so that a carbon dioxide gas concentration may not exceed 10 volume%. For example, it is preferable to maintain a carbon dioxide concentration of 0 to 10% by volume while supplying a non-oxidizing gas (preferably an inert gas) into the system. Thereby, the raise of a carbon dioxide gas concentration (partial pressure) can be suppressed efficiently. The replenishment of the non-oxidizing gas may be performed continuously, intermittently, or temporarily. When continuously carried out, the inflow amount of the non-oxidizing gas per unit time may be increased or decreased during the process.

その他にも、一定量の非酸化性ガスを導入しながら第1の熱処理時間を長くすることにより非酸化性ガスのトータル使用量を増加させる方法、窒化アルミニウム原料粉末の処理量を減少させる方法等によっても、炭酸ガス濃度の上昇を抑制することが可能である。   In addition, a method for increasing the total amount of non-oxidizing gas by increasing the first heat treatment time while introducing a certain amount of non-oxidizing gas, a method for reducing the processing amount of aluminum nitride raw material powder, etc. Therefore, it is possible to suppress an increase in carbon dioxide concentration.

なお、系内の炭酸ガス濃度は、公知のモニター装置等を用いて監視することができる。   The carbon dioxide concentration in the system can be monitored using a known monitor device or the like.

本発明における炭酸ガス濃度は、以下の式により、CO換算として求めた値である。   The carbon dioxide gas concentration in the present invention is a value obtained as CO conversion by the following equation.

A=C×100/B ( % )
B=D/22.4 ( mol )
C=E×(F−G)/16 ( mol )
ここで
D=第一処理中の不活性ガス総量(L)
E=窒化アルミニウム原料粉末の質量 (g)
F=窒化アルミニウム原料粉末の酸素量 (wt%)
G=第一処理後の混合粉末の酸素量 (wt%)

第1の熱処理温度は、通常は1400〜1600℃程度とすれば良いが、特に1450〜1550℃とすることが望ましい。熱処理温度が1400℃未満になると、炭素質物質による還元反応によっても十分に酸素含有量を低減させることが困難になる。また、1600℃を超えると、AlN粉末が凝集し、第二熱処理に先立って凝集を解する粉砕工程を要する。粉砕工程中に酸素含有量及び比表面積が再増加し、脱酸素処理時の目的が達成できなくなる。
A = C × 100 / B (%)
B = D / 22.4 (mol)
C = E × (FG) / 16 (mol)
Where D = total amount of inert gas during the first treatment (L)
E = Mass of aluminum nitride raw material powder (g)
F = Amount of oxygen in aluminum nitride raw material powder (wt%)
G = Oxygen content of mixed powder after first treatment (wt%)

The first heat treatment temperature is usually about 1400 to 1600 ° C., but is preferably 1450 to 1550 ° C. When the heat treatment temperature is less than 1400 ° C., it is difficult to sufficiently reduce the oxygen content even by a reduction reaction with a carbonaceous material. Moreover, when it exceeds 1600 degreeC, an AlN powder will aggregate and the grinding | pulverization process which breaks aggregation prior to 2nd heat processing is required. During the pulverization process, the oxygen content and the specific surface area increase again, and the purpose during the deoxygenation process cannot be achieved.

第1の熱処理の処理時間は、熱処理温度等によって適宜変更できるが、通常は1〜5時間程度とすれば良い。   The treatment time of the first heat treatment can be appropriately changed depending on the heat treatment temperature or the like, but is usually about 1 to 5 hours.

(4)混合粉末の脱炭素処理
第1の熱処理を実施した後、酸化性雰囲気中500〜800℃で熱処理する。第2の熱処理では、主として第1の熱処理後において混合粉末に残存する炭素を除去することができる。
(4) Decarbonizing treatment of mixed powder After performing the first heat treatment, heat treatment is performed at 500 to 800 ° C. in an oxidizing atmosphere. In the second heat treatment, carbon remaining in the mixed powder mainly after the first heat treatment can be removed.

第2の熱処理雰囲気は、酸化性雰囲気とする。具体的には、酸素含有雰囲気、大気中(空気中)等のいずれであっても良い。本発明では、特に大気中であることが望ましい。   The second heat treatment atmosphere is an oxidizing atmosphere. Specifically, any of oxygen-containing atmosphere, air (in air), and the like may be used. In the present invention, it is particularly desirable to be in the atmosphere.

第2の熱処理温度は、通常500〜800℃程度、好ましくは550〜650℃とする。熱処理温度が500℃未満では、炭素質物質の燃焼反応が進行せず、炭素除去が困難となる。また、800℃を超える場合には、かえって酸素含有量を増加させることになる。   The second heat treatment temperature is usually about 500 to 800 ° C, preferably 550 to 650 ° C. When the heat treatment temperature is less than 500 ° C., the combustion reaction of the carbonaceous material does not proceed, and it becomes difficult to remove carbon. Moreover, when it exceeds 800 degreeC, an oxygen content will be increased on the contrary.

熱処理時間は、熱処理温度等によって適宜変更できるが、通常は3〜10時間程度とすれば良い。   The heat treatment time can be appropriately changed depending on the heat treatment temperature and the like, but is usually about 3 to 10 hours.

本発明の製造方法は、本発明の窒化アルミニウム粉末の製造に適しており、特に焼結用窒化アルミニウム粉末の製造方法として有効である。   The production method of the present invention is suitable for production of the aluminum nitride powder of the present invention, and is particularly effective as a method of producing aluminum nitride powder for sintering.

2.窒化アルミニウム粉末
本発明の窒化アルミニウム粉末は、酸素含有量0.9質量%以下、炭素含有量0.2重量%以下、平均粒子径3μm以下及び比表面積が4.0m/g以下である。
2. Aluminum Nitride Powder The aluminum nitride powder of the present invention has an oxygen content of 0.9% by mass or less, a carbon content of 0.2% by weight or less, an average particle size of 3 μm or less, and a specific surface area of 4.0 m 2 / g or less.

(1)酸素含有量
酸素含有量は、通常0.9質量%以下、好ましくは0.7質量%以下である。酸素含有量が0.9質量%を超えると、本発明粉末より得られる焼結体の熱伝導率が低くなり、例えば放熱基板等の用途に適さなくなる。なお、酸素含有量の下限値は限定されないが、一般的には0.5質量%程度とすれば良い。
(1) Oxygen content Oxygen content is 0.9 mass% or less normally, Preferably it is 0.7 mass% or less. When the oxygen content exceeds 0.9 mass%, the thermal conductivity of the sintered body obtained from the powder of the present invention becomes low, and it becomes unsuitable for uses such as a heat dissipation substrate. In addition, although the lower limit of oxygen content is not limited, Generally it should just be about 0.5 mass%.

本発明における酸素含有量は、不活性ガス中溶解赤外線吸収法(測定装置「EMGA−550」堀場製作所製)により測定した値を示す。   The oxygen content in the present invention indicates a value measured by a dissolved infrared absorption method in an inert gas (measuring device “EMGA-550” manufactured by Horiba, Ltd.).

(2)炭素含有量
炭素含有量は、通常0.2質量%以下、好ましくは0.1質量%以下である。炭素含有量が0.2質量%を超えると、焼結時に焼結助材の働きを妨げ、焼結性に悪影響を与えるおそれがある。なお、炭素含有量の下限値は特に限定されないが、一般的には0.01質量%程度とすれば良い。
(2) Carbon content Carbon content is 0.2 mass% or less normally, Preferably it is 0.1 mass% or less. If the carbon content exceeds 0.2% by mass, the function of the sintering aid may be hindered during sintering, and the sinterability may be adversely affected. In addition, the lower limit value of the carbon content is not particularly limited, but generally it may be about 0.01% by mass.

本発明における炭素含有量は、酸素気流中燃焼赤外線吸収法(測定装置「EMIA−510」堀場製作所製)により測定した値を示す。   The carbon content in the present invention is a value measured by a combustion infrared absorption method (measurement device “EMIA-510” manufactured by Horiba, Ltd.) in an oxygen stream.

(3)平均粒子径
平均粒子径は、通常3μm以下、好ましくは2μm以下である。平均粒子径が3μmを超えると、焼結温度が高くなる。なお、平均粒子径の下限値は特に限定されないが、一般的には0.5μm程度である。
(3) Average particle diameter The average particle diameter is usually 3 µm or less, preferably 2 µm or less. When the average particle diameter exceeds 3 μm, the sintering temperature increases. The lower limit of the average particle diameter is not particularly limited, but is generally about 0.5 μm.

本発明における平均粒子径は、粒度分布マイクロトラック粒度分布測定装置(「HRA9320−X100」日機装(株)製)により、水を分散媒として測定した。なお、本発明の粒度分布は、すベて重量基準である。   The average particle size in the present invention was measured with water as a dispersion medium using a particle size distribution microtrack particle size distribution measuring device (“HRA9320-X100” manufactured by Nikkiso Co., Ltd.). The particle size distribution of the present invention is all based on weight.

また、平均粒子径の参考値として、走査型電子顕微鏡の観察により任意に選び出した100個の粒子の平均値を示す。なお、それぞれの粒子の粒子径は、最長径と最短径の平均値とした。   Further, as a reference value of the average particle diameter, an average value of 100 particles arbitrarily selected by observation with a scanning electron microscope is shown. In addition, the particle diameter of each particle | grain was taken as the average value of the longest diameter and the shortest diameter.

(4)比表面積
比表面積は、通常4.0m/g以下、好ましくは3.5m/g以下である。比表面積が4.0m/gを超えると、比較的多量のバインダーが必要となり、コスト高となるばかりでなく、焼結体の寸法精度も低下する。なお、比表面積の下限値は特に限定されないが、一般的には1m/g程度である。
(4) Specific surface area The specific surface area is usually 4.0 m 2 / g or less, preferably 3.5 m 2 / g or less. When the specific surface area exceeds 4.0 m 2 / g, a relatively large amount of binder is required, which not only increases the cost, but also reduces the dimensional accuracy of the sintered body. The lower limit of the specific surface area is not particularly limited, but is generally about 1 m 2 / g.

本発明における比表面積は、測定装置「NOVA2000」ユアサアイオニクス製を用い、BET法により測定した値を示す。   The specific surface area in this invention shows the value measured by BET method using the measuring apparatus "NOVA2000" made by Yuasa Ionics.

(5)AlN粉末の製造方法
本発明AlN粉末は、例えば前記1.の製造方法(すなわち、本発明の製造方法)により好適に製造することができる。すなわち、本発明の製造方法により得られるAlN粉末も本発明粉末に包含される。
(5) Production method of AlN powder The AlN powder of the present invention is prepared, for example, as described in 1. above. It can manufacture suitably by the manufacturing method (namely, manufacturing method of this invention). That is, the AlN powder obtained by the production method of the present invention is also included in the present powder.

本発明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。   The AlN powder of the present invention is particularly effective as a sintering powder. For example, the AlN powder of the present invention is optimal as a raw material powder for producing a sintered heat dissipation substrate.

3.本発明AlN粉末から得られるAlN焼結体
本発明AlN粉末を公知の方法に従って成形し、焼結することによってAlN焼結体を得ることができる。例えば、本発明AlN粉末、必要に応じて焼結助材(Y、La、CaO等)、バインダー等を含む原料をプレス成形して得られた成形体を窒素雰囲気中1600〜2000℃程度で焼結することによってAlN焼結体を製造できる。
3. AlN sintered body obtained from AlN powder of the present invention An AlN sintered body can be obtained by molding and sintering the AlN powder of the present invention according to a known method. For example, a molded body obtained by press-molding a raw material containing the AlN powder of the present invention, if necessary, a sintering aid (Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CaO, etc.), a binder, etc. in a nitrogen atmosphere 1600 An AlN sintered body can be produced by sintering at about ˜2000 ° C.

また、必要に応じて、例えば転動造粒法、攪拌造粒法等の公知の方法に従って本発明AlN粉末を造粒し、窒化アルミニウム顆粒とした後に、公知の方法に従って成形し、焼結することによってAlN焼結体を得ることができる。窒化アルミニウム顆粒の平均粒径は、一般的には10〜100μm程度の範囲内で適宜設定すれば良い。   Further, if necessary, the AlN powder of the present invention is granulated according to a known method such as rolling granulation method or stirring granulation method to form aluminum nitride granules, and then molded and sintered according to a known method. Thus, an AlN sintered body can be obtained. What is necessary is just to set the average particle diameter of an aluminum nitride granule suitably in the range of about 10-100 micrometers generally.

AlN焼結体は、特に熱伝導率が高く(通常は150W/mK以上、好ましくは170W/mK以上)、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、各種の構造部材等として有用である。   The AlN sintered body has a particularly high thermal conductivity (usually 150 W / mK or more, preferably 170 W / mK or more), and can be suitably used for applications utilizing high thermal conductivity. For example, it is useful as a heat dissipation board and various structural members.

以下、実施例及び比較例により本発明をより具体的に説明する。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。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to these examples.

なお、焼結体の熱伝導率は、熱定数測定装置「LF/TCM−FA8510B」(リガク製)を用い、レーザーフラッシュ法により測定した。   The thermal conductivity of the sintered body was measured by a laser flash method using a thermal constant measuring device “LF / TCM-FA8510B” (manufactured by Rigaku).

製造例1
実施例及び比較例で用いる窒化アルミニウム原料粉末を調製した。これは、直接窒化法で得られた塊状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1.2μm、比表面積7.8m/g、酸素含有量1.95質量%、炭素含有量0.03質量%であった。この粉末を窒化アルミニウム原料粉末として用いた。
Production Example 1
Aluminum nitride raw material powders used in Examples and Comparative Examples were prepared. This was obtained by directly pulverizing the bulk AlN obtained by the direct nitriding method. This powder had an average particle size of 1.2 μm, a specific surface area of 7.8 m 2 / g, an oxygen content of 1.95% by mass, and a carbon content of 0.03% by mass. This powder was used as an aluminum nitride raw material powder.

実施例1
窒化アルミニウム原料粉末100重量部に対してカーボンブラック粉末(平均粒子径100nm)5重量部を添加・混合し、炭酸ガス濃度を0.5容量%とした窒素雰囲気中1400℃で4時間焼成した。このとき、反応系に窒素ガスを適宜注入することにより、上記炭酸ガス濃度の調整・維持を行った。焼成後、大気中600℃で8時間の加熱処理を行った。次いで、得られた粉末100重両部に対して焼結助剤(Y)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の成形体を作製し、これを450℃で2時間加熱することにより脱脂した。次いで、窒素雰囲気中1800℃で3時間常圧焼結することによってAlN焼結体を得た。AlN焼結体の熱伝導率を測定した。得られたAlN粉末及びAlN焼結体の物性を表1に示す。
Example 1
5 parts by weight of carbon black powder (average particle diameter: 100 nm) was added to and mixed with 100 parts by weight of the aluminum nitride raw material powder, and calcined at 1400 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere with a carbon dioxide gas concentration of 0.5 vol%. At this time, the carbon dioxide concentration was adjusted and maintained by appropriately injecting nitrogen gas into the reaction system. After firing, heat treatment was performed at 600 ° C. in the air for 8 hours. Next, after blending 5 parts by weight of a sintering aid (Y 2 O 3 ) and 5 parts by weight of an acrylic binder to both 100 parts of the obtained powder, a molded body of φ10 mm × 3 mm is produced by press molding. This was degreased by heating at 450 ° C. for 2 hours. Next, an AlN sintered body was obtained by performing normal pressure sintering at 1800 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere. The thermal conductivity of the AlN sintered body was measured. Table 1 shows the physical properties of the obtained AlN powder and AlN sintered body.

実施例2〜9
製造条件を表1のように変更したほかは、実施例1と同様にしてAlN粉末を製造し、さらにAlN焼結体を製造した。AlN焼結体の熱伝導率を測定した。AlN焼結体の熱伝導率を測定した。得られたAlN粉末及びAlN焼結体の物性を表1に示す。
Examples 2-9
An AlN powder was produced in the same manner as in Example 1 except that the production conditions were changed as shown in Table 1, and an AlN sintered body was further produced. The thermal conductivity of the AlN sintered body was measured. The thermal conductivity of the AlN sintered body was measured. Table 1 shows the physical properties of the obtained AlN powder and AlN sintered body.

比較例1
窒化アルミニウム原料粉末100重量部に対してカーボンブラック粉末(平均粒子径100nm)5重量部を添加・混合し、炭酸ガス濃度を5容量%とした窒素雰囲気中1500℃で4時間焼成した。焼成後、大気中450℃で8時間の加熱処理を行った。次いで、得られた粉末100重両部に対して焼結助剤(Y)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の成形体を作製し、これを450℃で2時間加熱することにより脱脂した。次いで、窒素雰囲気中1800℃で3時間常圧焼結することによってAlN焼結体を得た。AlN焼結体の熱伝導率を測定した。得られたAlN粉末及びAlN焼結体の物性を表1に示す。
Comparative Example 1
5 parts by weight of carbon black powder (average particle diameter 100 nm) was added to and mixed with 100 parts by weight of the aluminum nitride raw material powder, followed by firing at 1500 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere with a carbon dioxide gas concentration of 5% by volume. After firing, heat treatment was performed in air at 450 ° C. for 8 hours. Next, after blending 5 parts by weight of a sintering aid (Y 2 O 3 ) and 5 parts by weight of an acrylic binder to both 100 parts of the obtained powder, a molded body of φ10 mm × 3 mm is produced by press molding. This was degreased by heating at 450 ° C. for 2 hours. Next, an AlN sintered body was obtained by performing normal pressure sintering at 1800 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere. The thermal conductivity of the AlN sintered body was measured. Table 1 shows the physical properties of the obtained AlN powder and AlN sintered body.

比較例2〜6
製造条件を表1のように変更したほかは、実施例1と同様にしてAlN粉末を製造し、さらにAlN焼結体を製造した。AlN焼結体の熱伝導率を測定した。得られたAlN粉末及びAlN焼結体の物性を表1に示す。
Comparative Examples 2-6
An AlN powder was produced in the same manner as in Example 1 except that the production conditions were changed as shown in Table 1, and an AlN sintered body was further produced. The thermal conductivity of the AlN sintered body was measured. Table 1 shows the physical properties of the obtained AlN powder and AlN sintered body.

Figure 2006131492
Figure 2006131492

表1の結果からも明らかなように、本発明の製造方法により、所定の物性を兼ね備えた窒化アルミニウム粉末が得られ、それにより優れた熱伝導性を発揮する窒化アルミニウム焼結体が得られることがわかる。上記焼結体は、150W/mK以上、特に170W/mK以上という高い熱伝導率を発揮できることがわかる。   As is apparent from the results in Table 1, the production method of the present invention provides an aluminum nitride powder having predetermined physical properties, thereby obtaining an aluminum nitride sintered body that exhibits excellent thermal conductivity. I understand. It can be seen that the sintered body can exhibit a high thermal conductivity of 150 W / mK or more, particularly 170 W / mK or more.

Claims (7)

窒化アルミニウム原料粉末100重量部及び炭素質物質0.01〜15重量部を含む混合粉末を、炭酸ガス濃度が0〜10容量%の非酸化性雰囲気中1400〜1600℃で第1の熱処理した後、酸化性雰囲気中500〜800℃で第2の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。 After first heat-treating mixed powder containing 100 parts by weight of aluminum nitride raw material powder and 0.01 to 15 parts by weight of carbonaceous material at 1400 to 1600 ° C. in a non-oxidizing atmosphere having a carbon dioxide gas concentration of 0 to 10% by volume And a second heat treatment at 500 to 800 ° C. in an oxidizing atmosphere. 窒化アルミニウム原料粉末の酸素含有量が1.2質量%以上である請求項1記載の製造方法。 The production method according to claim 1, wherein the oxygen content of the aluminum nitride raw material powder is 1.2 mass% or more. 非酸化性雰囲気が、炭酸ガス0〜10容量%及び残部が実質的に非酸化性ガスからなる、請求項1又は2に記載の製造方法。 The production method according to claim 1 or 2, wherein the non-oxidizing atmosphere is composed of 0 to 10% by volume of carbon dioxide gas and the balance is substantially made of non-oxidizing gas. 第1の熱処理に際し、非酸化性ガスを系内に補給しながら炭酸ガス濃度0〜10容量%を維持する、請求項3に記載の製造方法。 The production method according to claim 3, wherein a carbon dioxide concentration of 0 to 10% by volume is maintained while supplying a non-oxidizing gas to the system during the first heat treatment. 請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法により得られる窒化アルミニウム粉末。 The aluminum nitride powder obtained by the manufacturing method in any one of Claims 1-4. 酸素含有量0.9質量%以下、炭素含有量0.2重量%以下、平均粒子径3μm以下及び比表面積が4.0m/g以下である請求項5記載の窒化アルミニウム粉末。 Oxygen content 0.9 mass% or less, the carbon content 0.2 wt% or less, an average particle diameter of 3μm or less and a specific surface area of 4.0 m 2 / g or less aluminum nitride powder according to claim 5, wherein. 請求項6に記載の窒化アルミニウム粉末を造粒して得られる窒化アルミニウム顆粒。 Aluminum nitride granules obtained by granulating the aluminum nitride powder according to claim 6.
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