JP2012041255A - 窒化アルミニウム粒子、窒化アルミニウム粒子の製造方法、及び窒化アルミニウム粒子の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導性に優れた新規な構成のＡｌＮ粒子を簡易に提供する。
【解決手段】カーボン粒子とアルミナ粒子とを混合して坩堝内に配置し、次いで、前記カーボン粒子及び前記アルミナ粒子に対して、窒素雰囲気下においてマイクロ波を照射し、全体積の５％〜４０％の割合で内部に中空部を有することを特徴とする、窒化アルミニウム粒子を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高絶縁性及び高熱導電性フィラーとして有用な、窒化アルミニウム粒子、並びにその製造方法及び製造装置に関する。

窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は、六方晶ウルツ鉱構造のワイドギャップ物質で、ＡｌとＮとが共有結合的に結びついた優れたフォノン熱伝導体である。したがって、ＡｌＮは高絶縁性を有するとともに高熱伝導性を有するため、ＡｌＮ粒子は、電子部品装置や半導体装置の封止樹脂中に含有させるフィラーとして有効である。すなわち、ＡｌＮ粒子を封止樹脂中に含有させることによって、封止樹脂の絶縁性を担保しながら、封止樹脂の熱伝導性を高めることができる。

このため、電子部品や半導体チップを駆動させることによって生成した熱を効率良く伝搬させて、外部に放出させることができるようになる。結果として、封止樹脂の熱劣化や熱破損を抑制することができ、上記電子部品装置や半導体装置の寿命を大幅に向上させることができる。

ＡｌＮ粒子は、例えば特許文献１に記載されているように、アルミナ粉末とカーボン粉末とを窒素雰囲気下、１５５０℃の温度で６時間焼成することによって製造することができる。また、例えば特許文献２及び特許文献３に記載されているように、アルミナ粒子とカーボンブラックとを造粒して造粒体を得た後、この造粒体を乾燥し、さらに１６００℃で４２０分間、または１５５０℃で６時間焼成して製造することができる。

しかしながら、これらの方法では、ＡｌＮ粒子を製造するに際し、焼成温度が１５００℃〜１６００℃にも達し、さらに焼成時間が数時間にも及ぶため、製造歩留まりが極めて低く、またエネルギー消費量が高いという問題もあった。また、上述のようにして製造したＡｌＮ粒子は密度が高いため、封止樹脂中に多量に含有させると、この封止樹脂の重量が増大してしまうなどの問題も生じていた。さらに、自身の重量によってＡｌＮ粒子が均一に分散させることが困難になり、偏析するなどの問題も生じていた。

特開昭５９−５０００８号 特開平１０−２４５２０７号 特許第３７０６１７６号

本発明は、熱伝導性フィラーとして好適に用いることができる新規な構成のＡｌＮ粒子を簡易に提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
全体積の５％〜４０％の割合で内部に中空部を有することを特徴とする、窒化アルミニウム粒子に関する。

また、本発明は、
カーボン粒子とアルミナ粒子とを混合して坩堝内に配置する工程と、
前記カーボン粒子及び前記アルミナ粒子に対して、窒素雰囲気下においてマイクロ波を照射する工程とを具え、
全体積の５％〜４０％の割合で内部に中空部を有する窒化アルミニウム粒子を製造することを特徴とする、窒化アルミニウム粒子の製造方法に関する。

さらに、本発明は、
カーボン粒子とアルミナ粒子とを混合して配置する坩堝と、
前記坩堝の周囲に設けられた、マイクロ波透過性の断熱部材と、
前記カーボン粒子及び前記アルミナ粒子に対して、窒素雰囲気下においてマイクロ波を照射するためのマイクロ波照射装置と、
を具えることを特徴とする、窒化アルミニウム粒子の製造装置に関する。

本発明によれば、従来のように、長時間の焼成によって原料であるアルミナ粒子をカーボン粒子によって完全に還元することなく、カーボン粒子とアルミナ粒子とを混合して坩堝内に配置した後、これらカーボン粒子及びアルミナ粒子に対してマイクロ波を照射するようにしている。

上述した焼成は熱的に平衡な状態で加熱処理が行われるが、マイクロ波照射は、熱的に非平衡な状態で加熱処理が行われる。すなわち、カーボン粒子はマイクロ波吸収が高く、その結果、高温にまで加熱されるが、アルミナ粒子はマイクロ波吸収が低く、その結果、比較的低い温度にまでしか加熱されない。したがって、アルミナ粒子とカーボン粒子との反応（還元反応）はアルミナ粒子の表面で行われ、その間、アルミニウム及び酸素がアルミナ粒子の表面に向かい固相拡散する。

上述のようなアルミナ粒子表面で還元反応が行われている間は、未反応のアルミニウム及び酸素がアルミナ粒子内部から表面に向けて拡散し続けるので、このような物質拡散によってアルミナ粒子、すなわち最終的に得た窒化アルミニウム粒子（ＡｌＮ粒子）は内部が空洞になるようにして製造される。結果として、上述のような、全体積の５％〜４０％の割合で内部に中空部を有するＡｌＮ粒子が製造されるものと考えられる。但し、これらの事項は、あくまで本発明者らの考察に基づくものであって、本発明の範囲や進歩性に対して何ら影響を与えるものではない。

このようにして得たＡｌＮ粒子は、内部に十分な空洞を有し、その密度が十分に小さくなっているので、封止樹脂中に多量に含有させた場合においても、この封止樹脂の重量が増大してしまうなどの問題も生じることがない。さらに、自身の重量によってＡｌＮ粒子が均一に分散させることが困難になり、偏析するなどの問題も生じることがない。

この結果、本発明のＡｌＮ粒子は、ＡｌＮ本来の高絶縁性及び高熱伝導性に基づいて、電子部品装置や半導体装置の封止樹脂中に含有させるフィラーとして有効である。すなわち、本発明のＡｌＮ粒子を封止樹脂中に含有させることによって、封止樹脂の絶縁性を担保しながら、封止樹脂の熱伝導性を高めることができる。

また、本発明のＡｌＮ粒子は、マイクロ波照射によって数分から数十分のオーダの短時間で製造することができるので、従来の焼成による製造に比較してエネルギー効率も大幅に上昇し、エネルギー消費量を大幅に削減することができる。さらに、製造歩留まりも向上する。

なお、上記中空部の体積は、得られたＡｌＮ粒子のかさ密度を測定し、ＡｌＮの理論的な質量を考慮して求めたものである。

なお、本発明のＡｌＮ粒子は、その平均粒子径を１μｍ〜５０μｍの範囲となるようにして製造することができる。

但し、本発明のＡｌＮ粒子は、上述したように、アルミナ粒子表面での還元反応を通じて製造されるので、その表面には突起状物などが形成される場合が多く、全体としてみれば球状を呈するものの、その表面はいびつな形状となっている場合が多い。

以上、本発明によれば、熱伝導性フィラーとして好適に用いることができる新規な構成のＡｌＮ粒子を簡易に提供することを目的とする。

本発明の窒化アルミニウム粒子の製造装置の一例を示す構成図である。 実施例における窒化アルミニウム粒子のＸＲＤ測定結果である。 実施例における窒化アルミニウム粒子のＳＥＭ写真である。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、実施の形態に基づいて説明する。

図１は、本発明の窒化アルミニウム粒子の製造装置の一例を示す構成図である。なお、図１は、製造装置の断面を示したものであり、製造装置を構成する各部材、すなわち坩堝やマイクロ波透過性の断熱部材などは、中心線Ｉ−Ｉの周りに同心円状に形成された円柱状部材である。

図１に示すように、本実施形態における窒化アルミニウム粒子の製造装置１０は、坩堝１１と、この坩堝１１の周囲に設けられたマイクロ波透過性の断熱部材１２とを有している。坩堝１１は内側坩堝１１１及び外側坩堝１１２の２重構造になっており、内側坩堝１１１内には、原料Ｓとなるカーボン粒子及びアルミナ粒子が混合して配置されている。また、外側坩堝１１２内には、原料Ｓを挟むようにしてマイクロ波吸収体１３が配置されている。さらに、内側坩堝１１１の上方には石英ウール１４が内側坩堝１１１を塞ぐようにして設けられている。

なお、図１においては、内側坩堝１１１が外側坩堝１１２に対して突出し、断熱部材１２を貫通してその上部が開口するようにして設けられているが、以下に説明するように断熱部材１２はマイクロ波透過性であるので、必ずしも上述のように構成する必要はなく、内側坩堝１１１及び外側坩堝１１２を同じ高さとして断熱部材１２で密閉するようにしてもよい。この場合、石英ウール１４は排除することができる。

また、カーボン粒子及びアルミナ粒子は、予め所定の混錬機を用いて十分に混合した後、内側坩堝１１１内に配置する。

カーボン粒子及びアルミナ粒子の大きさは特に限定されるものではなく、必要に応じて任意の大きさとすることができる。例えば、カーボン粒子は、平均粒子径（Ｄ_５０）が０．０１μｍ〜２００μｍとすることができる。また、アルミナ粒子は、平均粒子径（Ｄ_５０）が１μｍ〜５０μｍとすることができる。なお、アルミナ粒子の大きさは、目的とする窒化アルミニウム粒子（ＡｌＮ粒子）の径を決定する大きな要素となるので、これらを考慮した上で決定することが要求される。

平均粒子径（Ｄ_５０）は、レーザ回折法により求めた、質量基準の累積百分率が５０％に相当する粒子径を意味する。

坩堝１１は、汎用の坩堝材、例えば石英や黒鉛、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどから構成することができる。但し、石英はマイクロ波透過性であるため、マイクロ波を導入した場合に、マイクロ波を坩堝内に十分に閉じ込めておくことができず、以下に説明するような、カーボン粒子を十分に加熱することができない場合がある。したがって、アルミナ粒子の表層部分でのアルミナ粒子とカーボン粒子との反応（還元反応）を十分に行うことができない場合がある。

また、黒鉛は原料となるカーボン粒子と同様にマイクロ波吸収性が高く、部分的に溶解して反応系を汚染させてしまう恐れがあり、また、高強度のマイクロ波を照射することによって溶解破損してしまう場合がある。以上のことから、坩堝１１は、上述した欠点のない窒化ホウ素又は窒化アルミニウムから構成することが好ましい。

断熱部材１２は、坩堝１１を外界から熱的に遮断し、坩堝１１内にマイクロ波を導入し、坩堝１１内に配置した原料（特にカーボン粒子）を加熱した場合において、その温度を簡易かつ十分に保持するためのものである。但し、断熱部材１２がマイクロ波を吸収してしまうと、反応の過程で断熱部材１２が部分的あるいは全体的に溶解して破損してしまう恐れがあるので、マイクロ波透過性の材料から構成する。マイクロ波透過性の材料としては、炭化ケイ素やアルミナなどを挙げることができるが、入手が容易であって安価であることからアルミナが好ましい。

マイクロ波吸収体１３は、マイクロ波照射による原料の加熱を補助するためのものであり、マイクロ波を吸収して加熱されるような材料から構成する。具体的には、本発明の原料と同じカーボンから構成することができる。この場合、マイクロ波吸収体１３を構成する材料を別途準備する必要がないため、目的とするＡｌＮ粒子を得る際の操作をより簡易化することができる。

また、図１から明らかなように、坩堝１１の上方にはマイクロ波照射装置１５が配置され、このマイクロ波照射装置１５から発せられたマイクロ波が、導管１６を伝わって坩堝１１、すなわち内側坩堝１１１内に導入されるようになっている。

図１に示す製造装置１０は、マイクロ波照射装置１５及び導管１６を除いた坩堝１１及び断熱部材１２などは、マイクロ波が製造装置１０の外部に漏洩しないように、図示しない所定のアプリケータに収納するが、その内部雰囲気は窒素雰囲気とする。

次に、図１に示す製造装置を用いた場合の、ＡｌＮ粒子の製造方法について説明する。

最初に、上述したように、所定の混錬機でカーボン粒子及びアルミナ粒子を所定の混合比となるように混合した後、製造装置１０の内側坩堝１１１内に原料Ｓとして配置する。カーボン粒子及びアルミナ粒子の混合比は、目的とする反応を経ることによって目的とするＡｌＮ粒子を得ることができれば特に限定されるものではないが、好ましくはカーボン粒子とアルミナ粒子との混合比（カーボン粒子／アルミナ粒子）が、ＡｌＮを生成する際に要求されるカーボン粒子とアルミナ粒子との化学量論的な混合比（カーボン粒子／アルミナ粒子）以上となるようにする。これによって、目的とするＡｌＮ粒子を得る際の製造条件が緩和される。具体的には、照射すべきマイクロ波の強度を低下させることができ、照射時間を短縮することができる。

なお、この原因については現在明確ではないが、反応過程で生成あるいは雰囲気中に存在する酸素などがカーボン粒子に吸着してしまい、実際の反応に寄与するカーボン粒子の割合が実質的に減少してしまうためと考えている。したがって、カーボン粒子の割合を化学量論的な割合よりも大きくすることによって、実際の反応に寄与するカーボン粒子の実質的な割合が化学量論的な割合により近くなり、その結果、上述のように製造条件の自由度が向上するものと考えられる。但し、これらの事項は、あくまで本発明者らの考察に基づくものであって、本発明の範囲や進歩性に対して何ら影響を与えるものではない。

一例として、カーボン粒子とアルミナ粒子との混合比（カーボン粒子／アルミナ粒子）を、ＡｌＮを生成する際に要求されるカーボン粒子とアルミナ粒子との化学量論的な混合比（カーボン粒子／アルミナ粒子）の４／３倍、あるいはそれ以上とすることができる。

次いで、マイクロ波照射装置１５から、例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、導管１６を伝搬させて内側坩堝１１１内に配置した原料Ｓに対して照射する。このとき、原料Ｓは上記マイクロ波を吸収することによって加熱される。一方、一部漏洩したマイクロ波がマイクロ波吸収体１３にも吸収されるようになり、これによってマイクロ波吸収体１３も加熱されるようになる。したがって、原料Ｓは、マイクロ波吸収体１３によっても間接的及び補助的に加熱されるようになる。また、原料Ｓは断熱部材１２によって外界と熱的に遮断されている。

結果として、原料Ｓ、すなわち反応系は、所定の温度で所定の時間保持することができ、目的とするＡｌＮ粒子を製造できるようになる。

なお、原料Ｓ、すなわちカーボン粒子及びアルミナ粒子からのＡｌＮ粒子の生成は、以下に示すような炭素還元窒化の反応式に基づく。
Ａｌ_２Ｏ_３＋３Ｃ＋Ｎ_２→２ＡｌＮ＋３ＣＯ

但し、熱的に平衡な焼成などの加熱処理と異なり、マイクロ波照射は、熱的に非平衡な加熱処理である。すなわち、カーボン粒子はマイクロ波吸収が高く、その結果、高温にまで加熱されるが、アルミナ粒子はマイクロ波吸収が低く、その結果、比較的低い温度にまでしか加熱されない。したがって、アルミナ粒子とカーボン粒子との、上記反応式による反応は、アルミナ粒子の比較的表層部分でのみ行われるようになる。一方、その間、アルミニウム及び酸素がアルミナ粒子の表面に向かい固相拡散する。

アルミナ粒子表面で還元反応が行われている間は、未反応のアルミニウム及び酸素がアルミナ粒子内部から表面に向けて拡散し続けるので、このような物質拡散によってアルミナ粒子、すなわち最終的に得たＡｌＮ粒子は内部が空洞になるようにして製造される。結果として、上述のような、全体積の５％〜４０％の割合で内部に中空部を有するＡｌＮ粒子が製造されるものと考えられる。但し、これらの事項は、あくまで本発明者らの考察に基づくものであって、本発明の範囲や進歩性に対して何ら影響を与えるものではない。

このようにして得たＡｌＮ粒子は、内部に十分な空洞を有し、その密度が十分に小さくなっているので、封止樹脂中に多量に含有させた場合においても、この封止樹脂の重量が増大してしまうなどの問題も生じることがない。さらに、自身の重量によってＡｌＮ粒子が均一に分散させることが困難になり、偏析するなどの問題も生じることがない。

この結果、本実施形態のＡｌＮ粒子は、ＡｌＮ本来の高絶縁性及び高熱伝導性に基づいて、電子部品装置や半導体装置の封止樹脂中に含有させるフィラーとして有効である。すなわち、本実施形態のＡｌＮ粒子を封止樹脂中に含有させることによって、封止樹脂の絶縁性を担保しながら、封止樹脂の熱伝導性を高めることができる。

なお、本実施形態のＡｌＮ粒子の平均粒子径は、上述したアルミナ粒子の平均粒子径に起因して、１μｍ〜５０μｍの範囲となるようにして製造することができる。

但し、本実施形態のＡｌＮ粒子は、上述したように、アルミナ粒子表面での還元反応を通じて製造されるので、その表面には突起状物などが形成される場合が多く、全体としてみれば球状を呈するものの、その表面はいびつな形状となっている場合が多い。

マイクロ波の照射時間は、数分から数十分である。また、マイクロ波の強度は、例えば図１に示すように、内側坩堝１１１の内径を８ｍｍ、高さを５３ｍｍ、外側坩堝１１２の内径を２０ｍｍ、高さを３５ｍｍとしたような場合、すなわち製造装置１０の大きさが数ミリメートルから数十ミリメートルのオーダである場合、数百Ｗのオーダとすることができる。なお、マイクロ波照射によって原料Ｓが飛散するような場合においても、内側坩堝１１１の上部は石英ウール１４によって塞がれているので、原料Ｓが内側坩堝１１１の外部に漏洩することはない。

また、上述のように、カーボン粒子とアルミナ粒子との混合比（カーボン粒子／アルミナ粒子）を、窒化アルミニウムを生成する際に要求されるカーボン粒子とアルミナ粒子との化学量論的な混合比（カーボン粒子／アルミナ粒子＝３／１：上記反応式参照）あるいはそれ以上とすることによって、目的とするＡｌＮ粒子を得る際の製造条件が緩和され、照射すべきマイクロ波の強度を低下させることができ、照射時間を短縮することができる。

さらに、カーボン粒子は、活性炭粒子とすることができる。この場合においても、目的とするＡｌＮ粒子を得る際の製造条件を緩和することができる。具体的には、照射すべきマイクロ波の強度を低下させることができ、照射時間を短縮することができる。この理由についても特に明確ではないが、活性炭粒子が何らかの触媒作用を奏していることに起因すると推定される。但し、この事項も、あくまで本発明者らの考察に基づくものであって、本発明の範囲や進歩性に対して何ら影響を与えるものではない。

上述のようにして得たＡｌＮ粒子には、さらに６００℃〜８００℃の温度で加熱処理を行い、ＡｌＮ粒子の表面に残留する炭素を除去することができる。これによって、不純物の少ないＡｌＮ粒子を得ることができる。

（実施例１）
活性炭（ノーリットSX-II）とマイクロンアルミナ(AX116)とを４：１のモル比で秤量及び混合した原料Ｓを０．６gとし、マイクロ波吸収体１３として活性炭ノーリットSX-II１．０ｇを用いた。次いで、図１に示す製造装置１０を用い、上述した製造方法にしたがってＡｌＮ粒子を得た。マイクロ波照射装置から照射されるマイクロ波の強度は４５０Ｗとし、照射時間は３０分とした。

図２は、得られたＡｌＮ粒子のＸＲＤ測定結果である。図２から明らかなように、Ａｌ_２Ｏ_３に起因したピークが若干見られるものの、ＡｌＮに起因した強いピークが観察され、上述した活性炭及びマイクロンアルミナからほぼ完全なＡｌＮ粒子が製造できていることが確認された。

なお、図３には、上述のようにして得たＡｌＮ粒子のＳＥＭ写真を示す。図３から明らかなように、得られたＡｌＮ粒子はいびつであって、中空粒子の殻が割れたような粒子も確認できる。したがって、割れないで存在するＡｌＮ粒子は、そのほとんどが内部に空洞を有することが推認される。

実際、このようにして得たＡｌＮ粒子のかさ密度を測定し、ＡｌＮの理論的な質量を考慮してその内部空洞率を測定したところ、全体積中約５％〜４０％の範囲であることが確認された。

（実施例２）
原料Ｓとマイクロ波吸収体１３に用いるカーボンとして純カーボン（トーカブラック＃１８５００／Ｆ）の１．０ｇを用いた以外は、実施例１と同様にしてＡｌＮ粒子を製造した。

得られたＡｌＮ粒子の形状は、図３に示すようなものであり、実施例１と同様にして内部空洞率を求めたところ、全体積中約５％〜４０％の範囲であることが確認された。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

１０ 窒化アルミニウム粒子の製造装置
１１ 坩堝
１１１ 内側坩堝
１１２ 外側坩堝
１３ マイクロ波吸収体
１４ 石英ウール
１５ マイクロ波照射装置
１６ 導管

Claims (14)

1. 全体積の５％〜４０％の割合で内部に中空部を有することを特徴とする、窒化アルミニウム粒子。
2. 平均粒子径が１μｍ〜５０μｍの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の窒化アルミニウム粒子。
3. カーボン粒子とアルミナ粒子とを混合して坩堝内に配置する工程と、
   前記カーボン粒子及び前記アルミナ粒子に対して、窒素雰囲気下においてマイクロ波を照射する工程とを具え、
   全体積の５％〜４０％の割合で内部に中空部を有する窒化アルミニウム粒子を製造することを特徴とする、窒化アルミニウム粒子の製造方法。
4. 前記坩堝の周囲において、マイクロ波透過性の断熱部材を配置する工程を具えることを特徴とする、請求項３に記載の窒化アルミニウム粒子の製造方法。
5. 前記断熱部材はアルミナからなることを特徴とする、請求項４に記載の窒化アルミニウム粒子の製造方法。
6. 前記カーボン粒子は活性炭粒子であることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一に記載の窒化アルミニウム粒子の製造方法。
7. 前記カーボン粒子と前記アルミナ粒子との混合比（カーボン粒子／アルミナ粒子）は、窒化アルミニウムを生成する際に要求される前記カーボン粒子と前記アルミナ粒子との化学量論的な混合比（カーボン粒子／アルミナ粒子）以上となるように設定したことを特徴とする、請求項３〜６のいずれか一に記載の窒化アルミニウム粒子の製造方法。
8. 前記窒化アルミニウム粒子に対して６００℃〜８００℃の温度で加熱処理を行い、前記窒化アルミニウム粒子の表面に残留する炭素を除去する工程を具えることを特徴とする、請求項３〜７のいずれか一に記載の窒化アルミニウム粒子の製造方法。
9. 前記アルミナの平均粒子径が１μｍ〜５０μｍの範囲であることを特徴とする、請求項３〜８のいずれか一に記載の窒化アルミニウム粒子。
10. 前記窒化アルミニウム粒子の平均粒子径が１μｍ〜５０μｍの範囲であることを特徴とする、請求項３〜９のいずれか一に記載の窒化アルミニウム粒子の製造方法。
11. カーボン粒子とアルミナ粒子とを混合して配置する坩堝と、
    前記坩堝の周囲に設けられた、マイクロ波透過性の断熱部材と、
    前記カーボン粒子及び前記アルミナ粒子に対して、窒素雰囲気下においてマイクロ波を照射するためのマイクロ波照射装置と、
    を具えることを特徴とする、窒化アルミニウム粒子の製造装置。
12. 前記断熱部材は、アルミナからなることを特徴とする、請求項１１に記載の窒化アルミニウム粒子の製造装置。
13. 前記坩堝と前記断熱部材との間に、前記カーボン粒子及び前記アルミナ粒子を挟み込むようにして配置したマイクロ波吸収体を具えることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の窒化アルミニウム粒子の製造装置。
14. 前記マイクロ波吸収体はカーボンからなることを特徴とする、請求項１３に記載の窒化アルミニウム粒子の製造装置。

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