JP2518409B2 - 窒化アルミニウム粉末の製造方法 - Google Patents

窒化アルミニウム粉末の製造方法

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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体用絶縁放熱基板材料等として好適に
使用し得る窒化アルミニウム粉末の製造方法に関する。
従来の技術及び発明が解決しようとする課題 窒化アルミニウム(AlN)は理論的には酸化ベリリウ
ム(BeO)に匹敵する300W/m・Kの高熱伝導率を有し、
また絶縁性、誘電性などの電気的性質にも優れているこ
とから、現在大電力化や高集積化が進む半導体用絶縁放
熱基板に用いる材料として非常に注目されている。
かかる窒化アルミニウムの特性を生かした焼結基板を
得るには、原料の窒化アルミニウム粉末が(1)焼結性
の良好な粉末であること、(2)成形密度が高く、焼結
時の収縮が小さいこと、(3)高純度であることなどの
要求を満たしていることが必要であるが、従来上記3つ
の焼結特性を満足する窒化アルミニウムの製造方法は見
い出されていない。
即ち、従来より知られている窒化アルミニウム粉末の
合成法としては次の2つの方法が代表的なものである。
金属アルミニウムを窒素中で窒化する方法(例えば
特開昭61−158805号公報)。
酸化アルミニウムや水酸化アルミニウムとカーボン
との粉末混合物を窒素中で還元窒化する方法(例えば特
開昭59−5008号公報)。
しかし、の方法は高純度の窒化アルミニウムが得ら
れ難い上、未反応の金属アルミニウムが残存したり、微
粉末を得るために粉砕工程を要し、この粉砕工程からの
不純物の混入が避けられないことなどのため、高純度と
いう要求を満たすことができないものである。
一方、の方法は高純度の窒化アルミニウムを得る方
法として適しているものであるが、反応性の良好な微細
な(例えば平均粒子径が2μm以下の)アルミナ又は水
酸化アルミニウムを用いるため、得られる窒化アルミニ
ウム粉末のかさ密度が小さくなる。このため、充填性が
悪く、成形密度が低くなり、焼結時の収縮・変形が大き
くなるという問題がある。殊に、成形時の変化が重要な
ドクターブレード成形等においては問題が大きい。
更に、一般に窒化アルミニウムの熱伝導率は不純物酸
素が減少すると増大することが知られており(電子通信
学会1986,10,29号,CPM86−59)、それ故、窒化アルミニ
ウムの優れた熱伝導性を損なわないため酸素含有量は0.
6%程度以下であることが望まれるが、の方法は得ら
れる窒化アルミニウム粉末の酸素含有量が通常1〜2%
であることも問題である。
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、高純度、
高かさ密度、低酸素、良焼結性などの特性を満足し、熱
伝導度の高い高品質な半導体用絶縁放熱基板材料として
好適に使用される窒化アルミニウム粉末の製造方法を提
供することを目的とする。
課題を解決するための手段及び作用 本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ね
た結果、平均粒子径が2〜20μm、比表面積が1〜3.5m
2/g、重装かさ密度が0.8g/cm3以上、純度が99.8%(重
量%、以下同じ)以上の酸化アルミニウム粉末及び/又
は水酸化アルミニウム粉末と平均粒子径が1μm以下の
カーボン粉末との混合物を還元窒化方法により製造した
場合、平均粒子径が1〜10μm、酸素含有量が0.6%以
下、アルミニウムを除く金属不純物の含有量が0.1%以
下、比表面積が1〜3.5m2/g及び重装かさ密度が0.8g/cm
3以上である窒化アルミニウム粉末が得られることを見
い出した。
即ち、従来、酸化アルミニウム粉末や水酸化アルミニ
ウム粉末とカーボン粉末との混合物を還元窒化する方法
においては、反応性を良好にしかつ焼結性を良好にする
ため、上述したように通常平均粒子径がサブミクロン程
度の酸化アルミニウムや水酸化アルミニウムを使用しな
ければならないとされてきたのであるが、原料にかかる
微粉を用いると、得られる窒化アルミニウム粉末も微細
になり、かさ密度が小さくなるため、成形体密度(グリ
ーン密度)が小さくなり、焼結時の収縮が大きくなって
変形が大となり、その上窒化アルミニウム粉末の酸素含
有量が1〜2%程度となってしまうものである。
これに対し、本発明者は、従来の常識に反して酸化ア
ルミニウム粉末や水酸化アルミニウム粉末の平均粒子径
を比較的大きい2〜20μmの範囲、またカーボン粉末の
平均粒子径を1μm以下として還元窒化した場合、意外
にも粒子径が大きくても酸化アルミニウムが残存せず、
得られる窒化アルミニウムは酸素含有が0.6%以下とい
う極めて低酸素であり、従来の方法により得られた粉末
の酸素含有量が1〜2%であるのに比較して酸素含有量
が約50%もしくはそれ以下となり、高熱伝導用の窒化ア
ルミニウム原料として極めて有利であることを見い出し
た。更に、この窒化アルミニウム粉末は充填性が良好
で、従来の窒化アルミニウム粉末が軽装かさ密度0.2〜
0.3g/cm3、重装かさ密度0.4〜0.6g/cm3であるのに対
し、軽装かさ密度0.4〜0.6g/cm3、重装かさ密度0.8g/cm
3以上であるため、高密度の成形体が得られ、従って焼
結時の収縮・変形を少なくして焼結体の精度を高めるこ
とができること、特に成形時の変形が問題となるドクタ
ーブレード成形時においてはグリーン密度(成形密度)
の高いことが重要であるが、この点でも有利であること
を見い出した。また、得られる窒化アルミニウム粉末は
1〜10μmと比較的大きい粒子径にもかかわらず、サブ
ミクロン粒径にならないと常圧焼結できないという定説
に反して、少量の添加助剤で容易に理論密度近くまで常
圧焼結すること、更に原料の純度を調節することにより
高純度な窒化アルミニウムが得られることを見い出し
た。従って、上述した製造方法で得られた窒化アルミニ
ウムは高純度、高かさ密度、低酸素、良焼結性などの特
性を満足した画期的なものであり、かかる窒化アルミニ
ウムを用いて得られた焼結体は、焼結時の変形が少なく
高精度であり、また酸素含有量が少ないため極めて熱伝
導性が良好な高純度で高品質なものであり、このため半
導体用絶縁放熱基板として好適であることを知見し、本
発明をなすに至ったものである。
なお、本明細書において、「重装かさ密度」とは、粉
体を規定の容器に入れ、1.8cmの高さから180回落下さ
せ、落下の衝撃で固めた後、測定した充てん密度のこと
をいう(粉体工学会編「粉体物性図説」による)。
以下、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明の窒化アルミニウムは、上述したように平均粒
子径が1〜10μm、好ましくは2〜5μm、酸素含有量
が0.6%以下、好ましくは0.2〜0.5%、アルミニウムを
除く金属不純物の含有量が0.1%以下、好ましくは0.05
%以下、比表面積が1〜3.5m2/g、好ましくは1.3〜2.5m
2/g、重装かさ密度が0.8g/cm3以上、好ましくは1.0g/cm
3以上のものである。
かかる窒化アルミニウムを得る場合、酸化アルミニウ
ム粉末又は水酸化アルミニウム粉末とカーボン粉末を原
料として還元窒化方法により製造するものである。
ここで、酸化アルミニウム粉末又は水酸化アルミニウ
ム粉末としては、純度99.8%以上、好ましくは99.9%以
上、平均粒子径2〜20μm、好ましくは5〜10μm、比
表面積1〜3.5m2/g、好ましくは1.3〜2.5m2/g、重装か
さ密度0.8g/cm3以上、好ましくは1g/cm3以上のものを使
用する。使用する酸化アルミニウム又は水酸化アルミニ
ウムの純度が99.8%に達しないと、これらに含まれる不
純物がそのまま窒化アルミニウム粉末中の不純物として
残存するため、高純度の窒化アルミニウム粉末を得るこ
とができない。また、平均粒子径2μm未満、比表面積
が3.5m2/gを超えた場合、或いは重装かさ密度が0.8g/cm
3未満のものを使用した場合は、酸素含有量を0.6%以下
とすることができないと共に、重装かさ密度が低くなっ
てしまう。一方、平均粒子径が20μmを超え、比表面積
が1m2/gに達しないと、カーボンとの混合不良を招き、
未反応の酸化アルミニウムが増加して酸素含有量を0.6
%以下とすることができない。
また、カーボンとしては、平均粒子径が1μm以下の
ものを使用するもので、平均粒子径が1μmを超えると
反応性が悪くなり、未反応の酸化アルミニウムが増加し
て酸素含有量を0.6%以下とすることができない。ま
た、カーボン中の灰分は0.1%以下、特に0.05%以下と
することが好ましく、灰分が0.1%を超えると高純度の
窒化アルミニウムを得ることができない場合がある。上
記条件を満足するカーボンであればいずれのカーボンで
あってもよく、具体的にはアセチレンブラック,サーマ
ルブラック,ファーネスブラック,ランプブラック,チ
ャンネルブラック等のカーボンブラックが好適に用いら
れる。
上記酸化アルミニウム又は水酸化アルミニウムとカー
ボンとの比率は特に制限されないが、通常酸化アルミニ
ウム又は水酸化アルミニウム100重量部に対し、カーボ
ンを25〜40重量部とすることが好ましい。
上記原料を用いて還元窒化する方法は通常の方法を採
用して行うことができ、例えば酸化アルミニウム又は水
酸化アルミニウムとカーボンとをナイロン製ポット等の
ボールミルなどで乾式混合した後、通常の窒化装置を用
い、窒素ガス及び/又はアンモニアガス雰囲気下、温度
1400〜1700℃、特に1550〜1650℃で3〜10時間焼成して
製造することができる。なお、得られる窒化アルミニウ
ムは一般的に未反応のカーボンを含有するので、600〜7
50℃の温度で空気中において1〜5時間程度焼成してカ
ーボンを除去することが好ましい。
発明の効果 上述したように、本発明は従来より比較的粒径の大き
い酸化アルミニウムや水酸化アルミニウムと微粉カーボ
ンとを原料として還元窒化することにより、高純度、高
かさ密度、低酸素かつ良好な焼結性を有する窒化アルミ
ニウム粉末を得ることができ、かかる窒化アルミニウム
粉末を用いた焼結体は、成形体密度が高く、焼結時の収
縮・変形が少ないため精度が高く、酸素含有量が極めて
低いため熱伝導性が良好である上、高純度であり、従っ
て本発明の窒化アルミニウム粉末は半導体用絶縁放熱基
板等の焼結材料として好適に使用できるものである。
以下、実施例と比較例を示し本発明を具体的に説明す
るが、本発明は下記実施例に制限されるものではない。
なお、以下の例において%は重量%を示す。
〔実施例1〕 純度99.9%,平均粒子径2.2μm,比表面積3.5m2/g,重
装かさ密度1.3g/cm3のAl2O3粉末100gと灰分0.08%,平
均粒子径0.20μmのカーボンブラック50gとをナイロン
製ポットのボールミルを用いて乾式混合した。
次に、混合物を黒鉛製の平皿に移し、窒素ガス雰囲気
に保ったプッシャー式トンネル炉を用いて1680℃の温度
で3時間加熱焼成を行った後、空気中700℃で5時間加
熱して未反応のカーボンを酸化除去した。
得られた窒化アルミニウム粉末のX線回折パターンは
AlNのみのピークを示し、また、平均粒子径は2.23μ
m、比表面積は3.1m2/g、酸素含有量は0.49%、アルミ
ニウムを除く金属不純物含有量は0.047%、重装かさ密
度は1.0g/cm3であった。
〔実施例2〜5、比較例1〜4〕 第1表に示す性状のアルミナ又は水酸化アルミニウム
及びカーボンブラックを用い、実施例1と同様な方法で
窒化アルミニウムを得、同様に酸素含有量、金属不純物
含有量、平均粒子径、比表面積、重装かさ密度を測定し
た。結果を第1表に併記する。
第1表の結果より、本発明の原料粉末を用いて得た窒
化アルミニウム粉末は、高いかさ密度と低い酸素含有量
を有するものである。これに対し、サブミクロンの水酸
化アルミニウムやアルミナを用いた場合(比較例1〜
3)は、かさ密度が本発明品の半分以下となり、また、
20μmを超える粒径のアルミナを用いた場合(比較例
4)は、酸素含有量が非常に高くなることが認められ
る。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】平均粒子径が2〜20μm、比表面積が1〜
    3.5m2/g、重装かさ密度が0.8g/cm3以上、純度が99.8重
    量%以上の酸化アルミニウム粉末及び/又は水酸化アル
    ミニウム粉末と平均粒子径が1μm以下のカーボン粉末
    との混合物を還元窒化することを特徴とする平均粒子径
    が1〜10μm、酸素含有量が0.6重量%以下、アルミニ
    ウムを除く金属不純物の含有量が0.1重量%以下、比表
    面積が1〜3.5m2/g及び重装かさ密度が0.8g/cm3以上で
    ある窒化アルミニウム粉末の製造方法。
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