JP4014562B2

JP4014562B2 - 窒化アルミニウム粉末の製造方法

Info

Publication number: JP4014562B2
Application number: JP2003388632A
Authority: JP
Inventors: 猛後藤; 弘村田; 恒希市川
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2023-11-19
Also published as: JP2005145789A

Description

本発明は、窒化アルミニウム粉末の製造方法に関する。

窒化アルミニウムは、熱伝導性が高く、電気絶縁性であるので回路基板の絶縁基板を中心に各種部材に幅広く使用されている。これらの特性は、窒化アルミニウム粉末に含まれる酸素量、金属不純物量により左右されるので、安価かつ高純度の窒化アルミニウム粉末の開発が要望されている。

窒化アルミニウム粉末の製造方法のうち、金属アルミニウム粉末を高温の窒素雰囲気下で窒化する直接窒化法は、アルミナと炭素の混合粉末を高温の窒素雰囲気で還元窒化する還元窒化法や、有機アルミニウムガスとアンモニアガス等の窒素含有ガスで気相反応させる気相反応法などに比べて安価なプロセスであるが、粉砕を伴うため、酸素量や金属不純物の増大を招きやすい。

これを改善するため、アルミニウム粉を窒素ガス流で浮上させながら窒化する浮上窒化法（特許文献１）が提案されているが、これはアルミニウム粉を窒化する方法であるので、窒化アルミニウム粉末にはアルミニウム粉に含まれる不純物がそのまま残留した。しかも、高純度のアルミニウム粉末を安価に入手することは容易ではなかった。これに対し、アルミニウムインゴットは、アルミニウム粉末よりも安く入手でき、それを用いた溶融アルミニウムの気液窒化法（特許文献２）も提案されたが、炉壁への付着や未反応のアルミニウムが残存するなど、量産化と高純度化にはまだ満足できるものではなかった。
特公平５−５７２０１号公報特開昭６１−２０５６０６号公報

本発明の目的は、高純度の窒化アルミニウム粉末、例えばＦｅ含有量が５ｐｐｍ以下、Ｓｉ含有量が２０ｐｐｍ以下、X線回折法によるＡｌ含有量が非検出である窒化アルミニウム粉末を製造することができる窒化アルミニウム粉末の製造方法を提供することである。

すなわち、本発明は、溶融アルミニウムを反応炉に噴霧し、気化させながら窒化させることを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方法である。この場合において、反応炉が、窒素ガス供給口を境界にして上方を気化ゾーン、下方を窒化ゾーンとしてなり、気化ゾーンの温度が２０００〜２５００℃、窒化ゾーンの温度が１４００〜２２００℃の竪型炉であることが好ましい。また、窒化ゾーンにおける窒素ガスの割合が８０〜９５体積％となる量の希ガスを噴射して溶融アルミニウムを噴霧させることが好ましい。また、窒化ゾーンにおける窒素ガスの割合が８０〜９５体積％となる量の遮断ガスを、気化ゾーンから炉内壁を旋回させて供給することが好ましい。さらには、溶融アルミニウムのＡｌ純度が９９．９９質量％以上、希ガスがアルゴン、窒化アルミニウム粉末のＦｅ含有量が５ｐｐｍ以下、Ｓｉ含有量が２０ｐｐｍ以下、X線回折法によるＡｌ含有量が非検出であることが好ましい。

本発明によれば、上記目的を達成することができる。

以下、図面を参照しながら、更に詳しく本発明を説明する。図１は、本発明の窒化アルミニウムの製造方法を実施するために製造装置の一例を示す説明図である。

反応炉３は、窒素ガス供給口６を境界にして、その上方を溶融アルミニウムの気化ゾーンＡ部、その下方を気化したアルミニウムを窒化反応させる窒化ゾーンＢ部としてなる竪型反応炉であり、その頂部には溶融アルミニウム貯蔵装置１が設置され、下部は捕集系に接続されている。

気化ゾーンと窒化ゾーンの形成は、例えば高周波コイル２でヒータ４を加熱することによって行われ、その温度制御は供給電力の調整によって可能となる。加熱方式は、高周波加熱方式以外にも外部加熱方式等を採用することができるが、高温が比較的容易に得られやすく、しかも熱効率のよい高周波加熱方式が好ましい。

気化ゾーンＡ部の温度は２０００〜２５００℃、窒化ゾーンの温度は１４００〜２２００℃、特に２０００〜２２００℃であることが好ましい。その理由は、気化ゾーンの温度が２０００℃より低いとアルミニウムの気化が困難となり、２５００℃を超えると炉材からの不純物が混入する恐れがある。窒化ゾーンの温度が１４００℃より低いと気化したアルミニウムが液化し気液反応が起こる恐れがあり、２２００℃を超えると窒化アルミニウムが分解する恐れがある。窒化ゾーンの温度は、気化ゾーンの温度と同じあってもよく、また異なっていてもよい。気化ゾーンと窒化ゾーンの温度は、直接測定することが困難であるので、本発明においてはヒータ４に内蔵された測温体５で測定された温度で代表させるものとする。測温体としては、例えば黒鉛製測温管を放射温度計にて測温する方法等を使用することができる。

溶融アルミニウム貯蔵装置１は、例えばアルミナ製、窒化硼素製等の耐熱るつぼにアルミニウムを入れ、希ガス雰囲気下、外部加熱方式等により加熱されることによって、溶融アルミニウムの製造と貯蔵が行える構造が好ましい。アルミニウムの溶融操作を希ガス雰囲気で行う理由は、窒素を含むアンモニアや窒素ガスを使用すると、アルミニウムの窒化反応が起こり、溶融したアルミニウムを反応炉に供給できなくなることを避けるためである。アルミニウム原料としては、粉末、インゴット等その形態には特に制約はないが、純度が高いほどよく、９９．９９質量％以上のものを用いることによって溶融アルミニウムのＡｌ純度を９９．９９質量％以上とすることができる。

溶融アルミニウムの噴霧は、加圧用希ガス供給口７から希ガスを導入して溶融アルミニウムを加圧し、貯蔵装置１の下部に設置されたノズル（図示せず）から噴射することによって行うことができる。ノズルとしては、例えば窒化硼素製のノズルが使用される。この場合、反応炉の噴霧部（首部）には分散用希ガス供給口８を設け、希ガスを補助的に噴射することが好ましい。これによって、反応炉に噴射された溶融アルミニウムの分散が助長され、溶融アルミニウムが気化する前に窒化するのを防ぎ、ノズルの閉塞を防止できる利点がある。また、反応炉の上方肩部には、遮断用ガス供給口９を設け、そこから例えば希ガス、非酸化性ガス等の遮断ガスを炉内壁に沿わせて更に流す、より好ましくは炉内壁を旋回させて更に流すことが好ましい。これによって、溶融アルミニウムが炉壁に付着することを防止するとともに、噴霧された溶融アルミニウムが気化する前に窒化するのを防ぐことができる。

溶融アルミニウムの噴霧量は、反応炉の処理能力によって定まるが、その一例をあげれば０．３〜３．０ｋｇが好ましく、より好ましくは分散用希ガス供給口８から噴射された希ガス１ｍ^３当たり０．３〜３．０ｋｇである。これより少ないと製造効率が悪く、また多いと気化していないアルミニウムが残り、窒化アルミニウム粉末にアルミニウムが残留する恐れがある。

噴霧された溶融アルミニウムは、気化ゾーンを通過する間に気化し、窒化ゾーンに導かれて窒化される。窒化雰囲気は、窒素ガス供給口６から窒素ガスを供給することによって形成させる。窒素ガスは、アルミニウムとの反応により消費されるため、反応炉の圧力が常に正圧になるように配慮して供給する。負圧になると反応炉外から空気が混入し、窒化アルミニウム粉末の酸素量が増大する恐れがある。

溶融アルミニウムを噴霧や炉内壁保護等のため、反応炉に希ガスや非酸化性ガスを供給するときは、窒化ゾーンにおける窒素ガスの割合を８０〜９５体積％とすることが好ましい。窒素ガスの割合が８０体積％未満であると、未反応アルミニウムが残存する恐れがあり、また９５体積％をこえるとノズルから噴霧された溶融アルミニウムが気化する前に窒化され、未反応のアルミニウムが残存する恐れがある。

本発明において、希ガスとしては、ヘリウム、アルゴン、キセノン等を例示することができるが、溶融効率やコストの点からアルゴンが最適である。ヘリウムでは、熱伝導が高く、溶融効率が悪く、キセノンでは高価である。また、非酸化性ガスとしては、窒素、炭酸ガス等を例示することができる。

生成した窒化アルミニウム粉末は、反応炉の下部に接続された捕集系で捕集される。捕集系には回収箱１１を介して捕集器１２が設置されており、窒化アルミニウム粉末は排気ブロワー１３によって搬送され捕集される。捕集器としては、例えばパルスガスを用いた逆洗方式のバグフィルター、電気集塵機等を使用することができる。捕集は、酸素量が増大しないよう２００℃以下の温度で行うことが好ましいので、冷却用ガス供給口１０から、希ガス又は非酸化性ガスを供給することが望ましい。なお、回収箱は、窒化アルミニウム粉末の冷却を促すためのものであるが、窒化アルミニウム粉末を捕集することもある。

本発明の製造方法によれば、反応炉の頂部より噴霧された溶融アルミニウムは、微細かつ均一に分散された状態となるので、急速に蒸発・気化し、速やかに窒化する。これによって、短時間に連続して高純度の窒化アルミニウム粉末、例えばＦｅ含有量が５ｐｐｍ以下、Ｓｉ含有量が２０ｐｐｍ以下、X線回折法によるＡｌ含有量が非検出である窒化アルミニウム粉末を製造することができる。

実施例１〜１２
図１に示される製造装置を用いて、窒化アルミニウム粉末を製造した。アルミニウムの溶融と反応炉への噴霧は、金属アトマイズの製造に使用、市販されている高周波誘導融解方式の装置を転用し、アルゴンガス雰囲気にて溶融と噴霧を連続的に行えるように改良したものである。反応炉３は、高周波誘導加熱方式であり、容量及び常用出力は１７０ＫＶＡ、１００ｋＷで独立して出力調整を可能としている。反応炉の中央内部には、反応管（窒化硼素製、内径２００ｍｍ、全長３０００ｍｍ）が設置され、その周囲に黒鉛製のヒータ４がある。ヒータ温度は、黒鉛製の測温体５を放射温度計によって測温され、出力調整を行って気化ゾーンＡ部と窒化ゾーンＢ部の温度を表１のように制御されている。

市販アルミニウムインゴット（純度９９．９９質量％）を、溶融アルミニウム貯蔵装置１内の窒化硼素製るつぼに入れ、アルゴンガス雰囲気下で溶融した。これを加圧用希ガス供給口７からアルゴンガスを導入し、５ＭＰａに加圧しながらノズル（窒化硼素製、ノズル径２ｍｍ）から噴射する一方、分散用希ガス供給口８からガス圧５ＭＰａのアルゴンガスを噴射して溶融アルミニウムを反応炉に噴霧した。分散用希ガス供給口８から噴射されたアルゴンガス１ｍ^３当たりの溶融アルミニウムの噴霧量（ｋｇ）を表１に示す。また、上方肩部の遮断用ガス供給口９からはアルゴンガスを炉内壁を旋回させて流した。一方、反応炉の中央部に設けられた窒素ガス供給口６からは窒素ガスを供給し、窒化ゾーンにおける窒素ガスの割合を表１のようにした。生成した窒化アルミニウム粉末を捕集器（バグフィルター）１０から捕集した。その際、捕集器の温度を冷却用ガス供給口１０から窒素ガスを供給して４０〜６０℃とした。

比較例１
市販アトマイズ窒化アルミニウム粉末（純度９９．９９質量％、平均粒径２７μｍ）を溶融しないでそのまま反応炉に噴霧したこと以外は、実施例１に準じて窒化アルミニウム粉末を製造した。

捕集した窒化アルミニウム粉末について、酸素量（機器：ＨＯＲＩＢＡ社製「酸素／窒素同時分析装置」、Ｆｅ量及びＳｉ量（機器：セイコーインスツルメンツ社製「高周波誘導プラズマ分光分析装置」）、X線回折法よるアルミニウム量を測定した。X線回折法は、日本電子社製「ＪＤＸ３５００」（Ｘ線源：Ｃｕ）を用い、金属アルミニウム（２００）面ピーク強度による検量線を作成してアルミニウム量を測定した。また、ノズルへの付着状況を２４時間の操業後に目視観察した。それらの結果を表１に示す。

実施例１〜１２で得られた窒化アルミニウム粉末には、アルミニウムの残存が僅かに認められたものがあったが、酸素量は１％以下であり、Ｆｅ及びＳｉの不純物量が比較例１よりも激減した。とくに、実施例１〜４によって、極めて高純度の窒化アルミニウム粉末を製造することができた。また、２４時間の操業でも、実施例９ではノズルへの堆積物が僅かに認められたが、他の実施例では殆ど認められず、問題となるような状態ではなかった。

本発明によって製造された窒化アルミニウム粉末は、回路基板の絶縁基板、放熱板、静電チャック用基板の製造用焼結原料として、また各種樹脂又はゴムへの熱伝導性フィラーとして使用することができる。

窒化アルミニウム粉末の製造装置の一例を示す説明図である。

符号の説明

１溶融アルミニウム貯蔵装置
２高周波コイル
３反応炉
４ヒータ
５測温体
６窒素ガス供給口
７加圧用希ガス供給口
８分散用希ガス供給口
９遮断用ガス供給口
１０冷却用ガス供給口
１１回収箱
１２捕集器
１３排気ブロワー
Ａ部気化ゾーン
Ｂ部窒化ゾーン

Claims

溶融アルミニウムを反応炉に噴霧させ、気化させながら窒化させる窒化アルミニウム粉末の製造方法において、反応炉が、窒素ガス供給口を境界にして上方を気化ゾーン、下方を窒化ゾーンとしてなり、気化ゾーンの温度が２０００〜２５００℃、窒化ゾーンの温度が１４００〜２２００℃の竪型炉であることを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方法。
窒化ゾーンにおける窒素ガスの割合が８０〜９５体積％となる量の希ガスを噴射して溶融アルミニウムを噴霧させることを特徴とする請求項１記載の窒化アルミニウム粉末の製造方法。
窒化ゾーンにおける窒素ガスの割合が８０〜９５体積％となる量の遮断ガスを、気化ゾーンから炉内壁を旋回させて供給することを特徴とする請求項２記載の窒化アルミニウム粉末の製造方法。
溶融アルミニウムのＡｌ純度が９９．９９質量％以上、希ガスがアルゴン、窒化アルミニウム粉末のＦｅ含有量が５ｐｐｍ以下、Ｓｉ含有量が２０ｐｐｍ以下、X線回折法によるＡｌ含有量が非検出であることを特徴とする請求項２又は３記載の窒化アルミニウム粉末の製造方法。