JP5726279B2

JP5726279B2 - 窒化アルミニウム粉末

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Publication number: JP5726279B2
Application number: JP2013253314A
Authority: JP
Inventors: 彩子角野; 金近　幸博; 幸博金近
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: JP2014080362A

Description

本発明は、新規な窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮという。）粉末に関する。詳しくは、廃棄等によって発生するＡｌＮ焼結体を粉砕して得られ、ＡｌＮ焼結体の焼結用原料として、安定した焼結性を有する窒化アルミニウム粉末を提供するものである。

窒化アルミニウムは、高熱伝導性、高耐プラズマ性、高電気絶縁性などの優れた特性を有している。そのため、高熱伝導性と高電気絶縁性を利用した絶縁放熱基板や耐プラズマ性、シリコンと同等の熱膨張係数、高熱伝導性を利用して半導体製造装置材料に用いられている。

上記用途に供するため、ＡｌＮ粉末の成形体を焼成する際、或いは、焼成によって得られたＡｌＮ焼結体を加工する際に、割れ、クラックなどが生じたＡｌＮ焼結体製品や上記製造、加工の過程で必然的に生じるＡｌＮ焼結体の端材は廃棄処分されるのが一般的である。ところが、かかるＡｌＮ焼結体よりなる廃材（以下、廃ＡｌＮ焼結体ともいう）等のＡｌＮ焼結体は、含窒素化合物であることから、そのまま埋め立て処理を行うとアンモニアが発生するおそれがあるため、酸化物に変換する処理を必要とするなど多大な労力を必要としていた。

近年、廃ＡｌＮ焼結体を有効に活用する方法として、該ＡｌＮ焼結体を粉砕して、樹脂添加用のフィラーとして活用することが提案されている。具体的には、廃ＡｌＮ焼結体を粉砕し、これを樹脂と混合した樹脂複合物が知られている（特許文献１）
上記廃ＡｌＮ焼結体の再利用方法では、その粉砕を振動ミルやロールクラッシャー、ボールミル、スタンプミルなど、廃ＡｌＮ焼結体と粉砕メディアが直接触れる機械的破砕により行う方法が採用されている。

ところが、上記従来、一般に実施されている機械的破砕方法においては、焼結体原料として使用可能な数ミクロンレベルへ粉砕するためには、相応の応力と時間を必要とするため、ＡｌＮ焼結体の粉砕において、該焼結体を構成する結晶粒子間の粒界破壊と共に、結晶粒内での破壊、特に、結晶粒子を構成する角部の破損が起こり、得られる粉砕粒子中には、焼結体を構成するＡｌＮ結晶粒子が粒内破壊した１μｍ以下の大きさの不定形の破片（以下、微粉という。）が多量に存在することが避けられなかった。かかる微粉はその表面積の大きさから容易に酸化されるため、得られるＡｌＮ粉末をＡｌＮ焼結体用の原料として使用した場合、酸素がＡｌＮ結晶粒子中に拡散し、熱伝導率が著しく低下するという問題があることが分かった。

尚、従来の機械的粉砕して得られたものから、粒内破砕によって生じる微粉を除去することが考えられるが、その量は多量であり、また、かかる微粉は凝集力が強く、更には大きい粒子に強固に付着するものも多いため、完全に分離することは困難である。また、複数回の分離処理を行った場合でも、なお微粉は残存するばかりでなく、かかる分離処理によって微粉以外の粒子も減少を伴うため、廃ＡｌＮ焼結体の利用率が下がってしまい、前記問題を根本的に解決するものではない。

さらに、前記した一般の機械的粉砕方法によると、ＡｌＮ焼結体は一般的に硬度が高いため粉砕メディア等の接触する部材が削られることによる装置由来の金属元素混入が避けられなかった。上記金属不純物の混入は、前記フィラー用途においての問題は少ないが、これをＡｌＮ焼結体用の原料として使用する場合、得られるＡｌＮ焼結体の熱伝導率を著しく低下させ、更には色調の変化や電気特性の低下という問題が懸念される。

このように金属不純物の混入は窒化アルミニウム焼結体特性の低下をもたらすため、金属不純物の混入を避けることを目的に、粉砕機械のＡｌＮと接触する部分をアルミナでライニングすることが検討されている。前記手法を採用した場合、金属の代わりにアルミナが削られるため、金属元素の混入を抑制することが可能となる。しかしながら、この場合でも、通常の機械破砕と同様に微粉が多量に発生することが避けられず、微粉由来の酸素濃度の増加という問題も解決できない。

一方、ＡｌＮ焼結体の粉砕粒子とガラスとを原料として焼結を行って得られた磁器が提案されている（特許文献２）。上記特許文献２には、ＡｌＮ焼結体の粉砕（具体的方法は示されていない。）において、ＡｌＮ焼結体は、粒界破壊するため、粉砕粒子は、正六八面体類似の構造を示すとされている。しかしながら、ＡｌＮ焼結体は、粒界破壊により、細分化されることにより、正六八面体類似の構造を示すものも存在するが、前記したように、粒界破壊と共に、粒内破壊も同時に起こることは避けられず、得られる粉砕粒子中には、粒内破壊の結果としての微粉が多量に存在することは免れず、結果として焼結体の熱伝導率を低下させるという問題は解決できない。

このように従来の機械的粉砕方法では微粉の発生と金属不純物の混入を同時に回避することは困難であった。

特許第３９３６９９０号公報特開平６−１６４７７号公報

従って、本発明の目的は、前記廃ＡｌＮ焼結体を、ＡｌＮ焼結体製造用の原料として、安定して使用可能な、微粉の発生及び金属不純物濃度の低減されたＡｌＮ粉末を効率よく提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、ＡｌＮ焼結体を特定の粉砕条件を選択して、粒界破壊を優先的に生じせしめながら、結晶粒径まで粉砕することにより、粉砕により発生する微粉と金属不純物の混入を殆ど無くした、新規なＡｌＮ粉末を得ることに成功した。また該窒化アルミニウム粉末は、ＡｌＮ焼結体の原料ＡｌＮ粉末として、単独で、或いは、直接窒化法や還元窒化法によって得られたＡｌＮ粉末と併用して使用することにより、安定してＡｌＮ焼結体を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明によれば、窒化アルミニウム焼結体を粉砕して得られる粉末であって、平均粒子径が、２〜１０μｍであり、且つ、３０００倍の電子顕微鏡写真において観察される、該粉末中の１μｍ以下の微粉の占める割合が、面積比率で５％以下であって、焼結助剤以外の金属不純物濃度が１５００ｐｐｍ以下であり、更に、Ｄ９０とＤ１０との粒径の差が、６μｍ以下、酸素濃度が０．２〜１．４重量％であることを特徴とする窒化アルミニウム粉末が提供される。

また、本発明のＡｌＮ粉末は、前記微粉の占める割合が少ないことにより、タッピング試験による密度の安定化速度が速く、かさ密度に対するタップ密度の比（かさ密度／タップ密度）が、０．９〜１という特性を示す。

上記本発明の前期ＡｌＮ粉末を得るためには、窒化アルミニウム焼結体を粒界破壊せしめて所定の大きさに予備粉砕し、次いで、該予備粉砕物を衝突粉砕することによって該焼結体を構成する結晶粒径のレベルまで粉砕することが好ましい。また、上記破砕方法によって得られた粉砕ＡｌＮ粉末は前記微粉の量を満足するものであるが、微量存在する微粉分を分級装置によって更に除去してもよい。

前記予備粉砕及び衝突粉砕は不活性ガス雰囲気下に行うことにより、酸素含量の上昇を防止することができ好ましい。

本発明のＡｌＮ粉末は、ＡｌＮ焼結体を粉砕して得られた粉末であるにも拘わらず、微粉が殆ど存在せず金属不純物濃度が非常に少ないという、従来のＡｌＮ焼結体の破砕粉末の持たない特性を有している。そのため、かかる微粉の存在によって生じる、保管時の水分吸着による酸化や焼結体作製時の各工程における酸化が起こりにくく、酸素による熱伝導率の低下が抑制され、なおかつ金属不純物によって生じる熱伝導率や電気絶縁性の低下が殆ど起こらない、安定した特性を有する焼結体を製造することができる。
従って、従来、プラスチックの充填材としての用途しかなかった破砕粉末の使用範囲を拡大でき、廃ＡｌＮ焼結体の廃棄による環境負荷の低減に貢献することができる。

また、ＡｌＮ製造プロセスにおいても、かかるプロセスで発生した不良ＡｌＮ基板を廃棄することなく、ＡｌＮ焼結体製造用の原料として再利用することができるため、ＡｌＮの回収率が向上し、低コストＡｌＮ焼結体の製造プロセスが実現可能となる。

本発明の窒化アルミニウム粉末（実施例２）の粒子構造を示す走査電子顕微鏡写真本発明の窒化アルミニウム粉末（実施例４）の粒子構造を示す走査電子顕微鏡写真従来法によって得られた窒化アルミニウム粉末（比較例３）の粒子構造を示す走査電子顕微鏡写真

本発明のＡｌＮ粉末の特徴は、窒化アルミニウム焼結体を粉砕して得られる粉末であって、平均粒子径が、２〜１０μｍであり、且つ、３０００倍の電子顕微鏡写真において観察される、該粉末中の１μｍ以下の微粉の占める割合が、面積比率で５％以下であって、焼結助剤以外の金属不純物濃度が１５００ｐｐｍ以下であり、更に、Ｄ９０とＤ１０との粒径の差が、６μｍ以下であることにある。

尚、粉末中の１μｍ以下の微粉が占める割合は、後述する実施例において詳細に示すように、電子顕微鏡写真によって確認することができる。粉末の粒度を測定する方法としては、例えばレーザー回折法による測定が一般的に用いられているが、前記方法では凝集粒や付着粒と一次粒子を区別することができず、微粉の量（割合）を正しく評価することができないため、本発明の特色である微粉の低減を明確にできない。即ち、本発明においては、微粉の凝集粒や付着粒も把握するため、３０００倍の倍率で撮影された顕微鏡写真について、その視野面積内における、全粒子の面積に対する１μｍ以下の微粉の占める面積の割合を求めた。上記割合の算出にあたり、粒子が重なって観察される場合は、それぞれの粒子の面積を上記面積として算入した。

本発明の目的であるＡｌＮ焼結体の製造原料として使用するためには、本発明である粉砕ＡｌＮ粉末の平均粒子径は、焼結性、製造の容易性より、２〜１０μｍ、好ましくは、３〜７μｍであることが必要である。即ち、平均粒子径が大きくなるに連れて焼結性が低下する傾向があり、平均粒子径が１０μｍを超える場合には、多大の時間を必要とするか、焼結ができず、工業的な実施が困難である。工業的に許容できる焼結時間（約１０時間）を確保するには、本発明のＡｌＮ粉末を単独で使用する場合、平均粒子径は７μｍ以下であることが好ましい。また、従来の還元窒化法、直接窒化法によって得られるＡｌＮ粉末（以下、市販ＡｌＮ粉末ともいう。）と併用する場合は、該市販ＡｌＮ粉末の混合比率が多くなるほど、焼結性は向上する。

一方、平均粒子径が２μｍより小さいＡｌＮ粉末は、焼結性は良好であるものの、製造上、前記微粉の発生を十分に防止することが困難である。

本発明のＡｌＮ粉末は、上記平均粒子径を有するＡｌＮ粉末を単独で構成してもよいし、かかる平均粒子径を有する複数種のＡｌＮ粉末を混合して構成してもよい。

また、本発明において、一種類のＡｌＮ焼結体を破砕して得られるＡｌＮ粉末は、一般に、Ｄ９０とＤ１０との粒径の差が、６μｍ以下、好ましくは５μｍ以下であることが望ましい。

本発明のＡｌＮ粉末の最大の特徴は、上記平均粒子径を有する粉砕粉末において、該粉末中の１μｍ以下の微粉の占める割合が、面積比率で５％以下、好ましくは、３％以下、更に好ましくは１％以下であることにある。

本発明のＡｌＮ粉末は、ＡｌＮ焼結体を粉砕して得られたものであり、上記物性値は、かかる本発明のＡｌＮ粉末が、結晶粒のレベルまで粉砕して得られ、しかも、個々の結晶粒において欠けによる、一般には不定形の微粉が殆どないことを示している。

このように、本発明のＡｌＮ粉末は、結晶粒子の欠けにより生じる微粉が殆ど存在しないことにより、タッピング試験における密度変化が少ない回数で安定化する。特に、前記粒度分布がシャープなＡｌＮ粉末は、かさ密度に対するタップ密度の比（かさ密度／タップ密度）が、０．９〜１という安定性を示す。

これに対して、従来から提案されている破砕によって得られた、フィラー用途のＡｌＮ粉末は、粉砕物とメディアが直接接触する機械破砕により得られるものであり、ＡｌＮ結晶粒子より硬度の高い破砕メディアとの接触により、ＡｌＮ結晶粒子の角が破損し、前記微粉の存在量が著しく増大する。因みに、従来の機械粉砕を行って得られるＡｌＮ粉末中の１μｍ以下の微粉の占める割合は、面積比率で２０％以上である。しかも、上記微粉は、凝集性、付着性が強く、サイクロンや篩等による分離装置により、粉末中の１μｍ以下の微粉の占める割合が面積比率で５％以下の粉末を得ることは困難である。特に、機械破砕においては比較的大きなＡｌＮ結晶粒子表面への付着した微粉が多く存在するが、これら付着している微粉や微粉同士が凝集して比較的おおきな凝集粒となっているものについては更に分離が困難であり、本発明の目的とする、ＡｌＮ焼結体の製造用のＡｌ粉末としては、不適である。但し、フィラー用途においては、上記の微粒子を含むＡｌＮ粉末が問題なく使用されている。

上記本発明のＡｌＮ粉末は、従来の還元窒化法、直接窒化法によって得られる粒子とは、その外観において、ＡｌＮ結晶の結晶面の境を形成する稜線が明確に確認できる点で相違し、これらの粉末と区別することができる。

本発明は、ＡｌＮ焼結体の製造原料の少なくとも一部として有効に使用可能なＡｌＮ粉末を提供することを目的とするものであり、そのためには、ＡｌＮ焼結体の特徴のひとつである、高い熱伝導率を低下させる原因となる不純物が極力少ないことが望ましい。この不純物としては、酸素、金属不純物などが挙げられる。

これら不純物は廃ＡｌＮ基板そのものに含有されるものと粉砕する過程で混入する不純物に分けられる。本発明でいう不純物とは特に、粉砕する過程で混入するものを指し、廃ＡｌＮ基板中に含まれる焼結助剤に由来する金属元素ならびに酸素以外のものを言う。具体的には、一般的に焼結助剤として使用されているアルカリ土類金属、希土類金属、ならびにアルミニウム以外の金属元素を金属不純物と呼ぶ。また、本発明において、焼結助剤以外の酸素濃度とは、後述する実施例において詳細に示すように、アルカリ土類金属や希土類金属を完全に酸化したときに金属と結合する酸素の量を、本発明の窒化アルミニウム粉末に含有される全酸素量から除いた酸素濃度のことを言う。

上記金属不純物は、前述したような焼結助剤を構成する金属及び窒化アルミニウムを構成するアルミニウム以外の金属元素であり、特に、粉砕機械部材として用いられるＳＵＳ，ＷＣ，ＺｒＯ_２などから混入しＡｌＮ焼結体物性に影響を与えやすいＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｗ、Ｚｒなどが極力少ないことが望ましい。また、半金属ではあるが熱伝導率の低下を招くＳｉ（Ｓｉ_３Ｎ_４製部材から混入），更には緻密化を阻害するカーボンの混入も少ないことが望ましい。

また、本発明のＡｌＮ粉末は、焼結助剤以外の金属不純物濃度（Ｓｉ含む）が１５００ｐｐｍ以下、望ましくは、１０００ｐｐｍ以下、更には５００ｐｐｍ以下であることが望ましい。上記範囲よりも金属不純物濃度が高い場合、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率の低下や外観不良を招く。

また、上記焼結助剤に由来する酸素以外の酸素濃度は微粉量に大きく依存するため、微粉量を低減させることによって本発明では低い酸素濃度の窒化アルミニウム粉末を得ることを可能としている。即ち、本発明のＡｌＮ粉末において、焼結助剤に由来する酸素以外の酸素濃度が０．２〜１．４重量％以下、好ましくは１．２％以下、更に好ましくは０．９％以下であることが望ましい。これはＡｌＮ結晶粒子中に溶存する酸素も含んだ値である。上記範囲よりも酸素濃度が高い場合、酸素分がＡｌＮ粒子中に固溶して熱伝導率を低下させるという問題が生じると同時に助剤染みが発生し易くなるため外観不良が起こり易くなる。また、酸素濃度は低いほど好ましいが、工業的な実施における経済性と効果とのバランスより、０．２重量％を下限とすることが好ましい。

かかる不純物の少ない粉砕ＡｌＮ粉末は、後述する製造方法によって、好適に製造することが可能である。

＜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特に制限されるものではないが、好適な製造方法を例示すれば、ＡｌＮ焼結体を、粒界破壊を優先的に生じせしめて所定の大きさに予備粉砕し、次いで、該予備粉砕物を衝突粉砕する方法が挙げられる。また、上記粉砕において、ＡｌＮ焼結体、予備粉砕物の破砕は、不活性雰囲気下で行うことが好ましい。

（ＡｌＮ焼結体）
本発明のＡｌＮ粉末の製造方法に使用されるＡｌＮ焼結体は、前記廃ＡｌＮ焼結体が一般に使用される。即ち、ＡｌＮを焼成する工程、或いは、焼成によって得られたＡｌＮ焼結体を加工する工程において、割れ、クラックなどが生じたＡｌＮ焼結体の不良品や、上記製造、加工の過程で必然的に生じるＡｌＮ焼結体の端材や出荷前の寸法検査や外観検査などで仕様から外れたＡｌＮ焼結体などが挙げられる。

また、本発明の窒化アルミニウム粉末は基本的に、破砕前のＡｌＮ焼結体の結晶粒子の粒径に依存し、その結晶粒子の平均粒径に近似した平均粒子径となる。そのため、焼結性の良い窒化アルミニウム粉末を得るためには、前記ＡｌＮ焼結体の結晶粒子の平均粒径が２〜１０μｍ、好ましくは、３〜７μｍであることが、破砕により、目的の平均粒径を有するＡｌＮ粉末を得るために望ましい。

前記ＡｌＮ焼結体に使用される焼結助剤としてはＹ_２Ｏ_３が一般的であるが、それ以外の焼結助剤も使用可能である。例えば、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯなどの酸化物や各種塩類などのアルカリ土類化合物、あるいはＬａ_２０_３、ＣｅＯ_２、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３と行った希土類化合物のような熱伝導率を阻害しないものが挙げられる。

また、上記ＡｌＮ焼結体の純度は、得られる窒化アルミニウム粉末の特性に反映されるため、少なくとも、前記還元窒化法や直接窒化法によって製造されるＡｌＮ粉末の純度と同等或いは高い純度を有するものを使用することが好ましい。
具体的には、上記焼結助剤以外の金属不純物濃度が５００ｐｐｍ以下であり、窒化アルミニウム結晶粒子中に固溶する酸素濃度と相関のあるｃ軸長さが４．９７５Å以上あることが好ましい。

勿論、製品として使用された後に、回収されたものも使用することができるが、この場合は、特に、付着する汚れ等を洗浄や研磨等によって除去することが好ましい。

（予備破砕）
上記ＡｌＮ予備破砕物を得るための予備破砕は、ＡｌＮ焼結体を、粒界破壊を優先的に生じせしめて所定の大きさにする操作である。

上記予備破砕用の好適な機具としては、粒界破壊を優先的に生じせしめることが可能な装置であれば、特に制限無く使用することができる。好適な破砕装置を例示すれば、スタンプミル、ハンマークラッシャー、ジョークラッシャーなどが挙げられる。

上記予備破砕は、金属汚染を防ぐためには相当径が１ｍｍ以上であることが好ましい。更に続く粉砕処理を効率よく行うためには上限が３０ｍｍ以下であることが好ましい。

また、上記予備破砕において得られるＡｌＮ予備破砕物の汚染や酸化を抑制し、ＡｌＮ予備破砕物の純度を維持できるように、予備破砕における雰囲気は、酸素を含まない、不活性ガス雰囲気とすることが望ましい。また、使用する破砕装置は、ＡｌＮ焼結体への金属が混入を防止するために、耐磨耗処理を施したものや表面を樹脂被覆したものを使用することが好ましい。

前記ＡｌＮ焼結体の予備破砕においては、予備破砕物の大きさが大きいため、予備破砕時に微粉が発生した場合でも、容易に微粉を分離することが可能である。従って、本発明において、前記得られた予備破砕物は、必要に応じて、分級機、例えば、サイクロンなどを使用して粒径１μｍ以下の微粉を除去してもよい。

（粉砕）
本発明の窒化アルミニウム粉末の製造方法において、ＡｌＮ粉末は、上記ＡｌＮ予備破砕物を衝突粉砕することによって得ることができる。即ち、上記粉砕方法によれば、ＡｌＮ結晶粒子より硬い物に衝突することなく従来の機械粉砕と比較してマイルドに粉砕が進行するため、ＡｌＮ予備破砕物の粒界破壊が生じ易くなり、最小単位となる結晶粒子まで粉砕が進行した場合でも、該結晶粒子の角が破損し、前記微粉の存在量が著しく増大することを効果的に防止することができる。また、ＡｌＮ同士の衝突により粉砕が進行することにより、従来の方法において見られる、金属の破砕メディアとの接触による金属不純物の混入も効果的に防止することが可能である。

上記衝突粉砕に使用する装置は、衝突対向式ジェットミルが好適である。また、衝突粉砕に使用する搬送ガスは、希ガス、窒素ガス等の不活性ガスが好適に使用される。搬送ガスとして使用する上記不活性ガスは可及的に水分を含んでいないものが好ましく、一般に、−１０℃以下の露点となるように水分を除去されたものが好ましい。また、乾燥空気も不活性ガスとして使用することも可能であり、その場合、−２０℃以下の露点となるように、水分を除去されたものが推奨される。

また、搬送ガス中における前記ＡｌＮ予備破砕物の濃度は、２０〜５０容量％程度が好ましく、また、衝突ガス圧力は、０．４〜０．６ＭＰａ程度より選択することが好ましい。

（分級）
本発明において、前記粉砕によって得られたＡｌＮ粉末は、分級によって更に１μｍ以下の微粉を除去することが望ましい。上記分級には、公知の分級装置が特に制限無く使用される。代表的な分級装置を例示すれば、気流式分級機等が好適である。また、分級における分級ポイントは、１．５〜３μｍの範囲で決定することが好ましい。

（ＡｌＮ粉砕粉末を用いた焼結体の作製方法）
本発明によって得られた粉砕ＡｌＮ粉末は単独で用いて焼結体を作製することも可能であるが、より熱伝導率の高い焼結体を得ようとする場合は本発明のＡｌＮ粉末を少なくとも原料の一部として使用し、残部には市販のＡｌＮ粉末を使用することが好ましい。かかる市販のＡｌＮ粉末としては、直接窒化法、還元窒化法等の公知の方法によって得られたＡｌＮ粉末が特に制限無く使用されるが、緻密化の容易さの観点から粒径はＤ５０が１〜３μｍであることが望ましい。

また、本発明のＡｌＮ粉末を原料粉末の一部として使用する態様において、原料ＡｌＮ粉末に占める割合は特に制限されないが、１〜６０重量％、好ましくは１〜５０重量％、さらに好ましくは１〜３０％となる割合で配合することが望ましい。

本発明において、上記原料窒化アルミニウム粉末は、次いで成形され、更に、焼成することによってＡｌＮ焼結体が得られる。そのための方法には公知の方法が特に制限なく採用されるが、具体例を挙げると、原料ＡｌＮ粉末に、焼結助剤粉末を１〜１０重量部の範囲で添加し、更には必要に応じて有機バインダー、可塑剤、分散剤などを添加し、遊星ボールなどで混合機によって、乾式または湿式により混合したものを、例えば、ドクターブレード法、プレス成形法、押出し成形法、射出成形法などによって成形することが好ましい。

本発明において、前記有機バインダーによって成形された場合、その成形体は、焼成に先立ち、脱脂処理を行うのが一般的である。上記脱脂処理の条件は、公知の条件が特に制限なく採用されるが、例えば、酸化性雰囲気下或いは非酸化性雰囲気下で、温度３００〜１０００℃で１〜１０時間処理する方法が一般的である。

本発明において、焼成は、公知の焼成条件が特に制限なく採用されるが、例えば、上記脱脂体を、窒素などの非酸化性雰囲気下で温度１６００〜１９００℃、好ましくは１６５０〜１８５０℃、さらに好ましくは１６８０〜１８２０℃で１〜１００時間、好ましくは２〜５０時間、更に好ましくは２〜３０時間で焼成を行うことが好ましい。

以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

＜測定方法＞
１）微粉の割合
後述するレーザー回折法を用いた粒度分布測定法では微粉が凝集粒や付着粒としてカウントされ、微粉の量に大幅な誤差を生じさせるため、画像解析により微粉の割合を求めた。走査電子顕微鏡（株式会社日立製作所製Ｓ−２６００Ｎ）にて倍率３．０Ｋ倍で２０視野観察し、その視野面積内における、全粒子（１μｍ以下の粒子も含む）の面積の総和（Ｓ_ＳＵＭ（ＧＲＡＩＮ））に対する１μｍ以下の微粉の占める面積（Ｓ_ＳＵＭ（ＦＩＮＥＧＲＡＩＮ））の割合を画像解析システム（ＩＰ−１０００ＰＣ；旭化成工業製）を用いて解析し、（１）式に代入して微粉の面積占有率を算出した。
微粉面積占有率（％）＝（Ｓ_ＳＵＭ（ＦＩＮＥＧＲＡＩＮ）／Ｓ_ＳＵＭ（ＧＲＡＩＮ））×１００（１）
上記割合の算出にあたり、粒子が重なって観察される場合は、それぞれの粒子の面積を上記面積として算入した。

２）金属不純物濃度
ＡｌＮ焼結体及びその粉砕物中の金属濃度は、ＡｌＮ粉砕粉末に硝酸及びリン酸を加え加熱分解し、島津製作所製ＩＣＰＳ−１０００−ＩＩを用いてＩＣＰ発光分光分析法により測定した。

なお、本発明においてはＡｌおよび焼結助剤（例えば一般的なＹ_２Ｏ_３やＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯなどの酸化物や各種塩類などのアルカリ土類化合物、あるいはＬａ_２０_３、ＣｅＯ_２、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３と行った希土類化合物のような熱伝導率を阻害しないものに含有される元素）以外の金属、具体的にはＦｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｗ，Ｚｒなどの金属濃度を金属不純物濃度と呼ぶ。

３）焼結助剤に由来する酸素以外の酸素濃度
ＡｌＮ焼結体粉砕物中の酸素濃度は（株）堀場製作所製酸素・窒素同時分析装置（ＥＭＧＡ−６２０Ｗ／Ｃ）を用いて、不活性ガス中でインパルス加熱融解法によりＡｌＮを融解して抽出された酸素を一酸化炭素の形態として、この一酸化炭素を非分散赤外線検出器にて測定した。この時の測定値をａとする。

例えば、助剤の元素がＹであった場合、ＩＣＰで定量したＹ量を、Ｙを完全に酸化したＹ_２Ｏ_３に換算し、このＹ_２Ｏ_３量中に含まれる酸素量をｂとする。この酸素量ｂを焼結体中に占める酸素濃度に換算する。この換算した濃度をｂ’とする。ａの酸素濃度からｂ’の酸素濃度を差し引いた量を焼結助剤に由来しない酸素濃度とした。

４）かさ密度・タップ密度
ＪＩＳ：Ｒ１６２８（−１９９７）を用いて求めた。

５）粒度分布
日機装製ＭＩＣＲＯＴＲＡＣＫ−ＨＲＡを用いて、レーザー回折法により求めた。水９０ｍｌに対し、５％ピロリン酸ソーダ水溶液を加えた溶液の中に窒化アルミニウム粉末を加え、これをホモジナイザーにて出力２００ｍＡ，３分間分散させたものを測定した。前記方法から平均粒径（Ｄ５０）、Ｄ１０並びにＤ９０を求めた。なお、データは個数分布である。

６）密度
焼結体の密度はアルキメデス法により測定した。

７）熱伝導率
作製したＡｌＮ焼結体の熱伝導率は京都電子工業製ＬＦＡ−５０２を用いてレーザーフラッシュ法により測定した。

８）曲げ強度
ＪＩＳＲ１６０１に従い、クロスヘッド速度０．５ｍｍ／分、スパン３０ｍｍで行った。試験片は幅４ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍ、長さ４０ｍｍの基板を用いた。

９）破壊靭性値
ＪＩＳＲ１６０７に準じた方法により、（株）アカシ製ビッカース硬さ試験機ＡＶＫ−ＣＯにて測定されたビッカース硬さからＩＦ法により算出した。

（ＡｌＮ焼結体の製造）
破砕・粉砕するためのＡｌＮ焼結体は以下の方法により製造したものを使用した。内容積が２０Ｌのナイロン製ボールミルに、直径１５ｍｍのアルミナボールを入れ、次いで、ＡｌＮ粉末（トクヤマ製Ｈグレード）１００重量部に対して、焼結助剤として酸化イットリウム５重量部と分散剤と溶媒を添加し１４時間混合した。その後、バインダーとしてポリビニルブチラール及び可塑剤を添加して１８時間混合してＡｌＮスラリーを得た。ＡｌＮスラリーを脱泡後、粘度２万ｃｐｓに調整しドクターブレード法で厚み０．７５ｍｍの成形体を作製した。

得られた成形体を５００℃、４時間、空気雰囲気中で脱脂し、窒素雰囲気中、１７４０℃、５時間で焼成してＡｌＮ焼結体を得た。

得られた焼結体を構成する結晶粒の平均粒径は、３．５μｍであり、また、該ＡｌＮ焼結体に含まれる焼結助剤以外の金属不純物濃度は１００ｐｐｍ、ｃ軸長さは４．９７６Åであった。

＜実施例１〜３＞
得られたＡｌＮ焼結体をハンマーを使用したハンマーミルにて、回転数７５０ｒｐｍの条件で、約１ｃｍの大きさに予備破砕した後、対向式ジェットミル（（株）アーステクニカ製ＥＪＭ００型ＪＥＤＩ）を用いて粉砕した。尚、該粉砕機からのＡｌＮ粉砕粉末の取り出しは、付属の分級ローターの回転数１０００〜２０００ｒｐｍ間に設定して行った。得られたＡｌＮ粉砕粉末の物性及び不純物濃度を表１にまとめた。

尚、対向式ジェットミルにおいて使用した搬送ガスとして、露点−２５℃の窒素ガスを使用した。１５００ｒｐｍで分級した粉末の粒子構造のＳＥＭ写真を図１に示す。

上記粉砕ＡｌＮ粉末を使用し、（ＡｌＮ粉砕粉末：ＡｌＮ粉末（Ｈグレード））の比率で混合して、この混合物であるＡｌＮ粉末１００重量部に対して酸化イットリウムが５重量部となるように添加した。

さらに、上記組成に分散剤と溶媒を添加し１４時間混合した。その後、バインダーとしてポリビニルブチラール及び可塑剤を添加して１８時間混合してＡｌＮスラリーを得た。ＡｌＮスラリーを脱泡後粘度２万ｃｐｓに調整しドクターブレード法で厚み０．７５ｍｍの成形体を作製した。

得られた成形体を５００℃、４時間、空気雰囲気中で脱脂し、窒素雰囲気中、１７４０℃、５時間で焼成してＡｌＮ焼結体を得た。ＡｌＮ粉末の混合比率と得られた焼結体の物性を表２に示す。

＜実施例４＞
実施例２で得られた粉末を気流式分級機にて、分級処理を１回行った。分級ポイントは２．５μｍとし、供給量は１．５ｋｇ／ｈｒとした。分級によって得られた粉末の収率は８３％であった。得られたＡｌＮ粉砕粉末の物性及び不純物濃度を表１にまとめた。また、得られた粉末のＳＥＭ写真を図２に示す。

上記粉末を使用し、実施例１〜３と同様の手順で焼結体を作製した。ＡｌＮ粉末の混合比率と得られた焼結体の物性を表２に示す。

＜実施例５＞
窒化アルミニウム基板製造工場より得られた、結晶粒の平均粒径７．５μｍ、該ＡｌＮ焼結体に含まれる焼結助剤以外の金属不純物濃度が１００ｐｐｍ、ｃ軸長さが４．９８０１Åの廃ＡｌＮ焼結体を、ハンマーを使用したハンマーミルにて、回転数７５０ｒｐｍの条件で、約１ｃｍの大きさに予備破砕した後、対向式ジェットミル（（株）アーステクニカ製ＥＪＭ００型ＪＥＤＩ）を用いて粉砕した。尚、該粉砕機からのＡｌＮ粉砕粉末の取り出しは、付属の分級ローターの回転数７００ｒｐｍに設定して行った。得られたＡｌＮ粉砕粉末の物性及び不純物濃度を表１にまとめた。

＜比較例１＞
予備粉砕までは実施例１と同様に行った。ただし得られた予備粉砕物が２００メッシュのふるいを通るまでハンマーミルによる粉砕を継続した。篩った予備粉砕物をφ＝３ｍｍのＳｉ_３Ｎ_４製ボールと共に、アルミナ製ポットに入れ、乾式のボールミルにかけて、マイクロトラックを用いた分析法でその平均粒径が３〜４μｍになるまで粉砕を行った。得られたＡｌＮ粉砕粉末の物性及び不純物濃度を表１にまとめた。

＜比較例２＞
予備粉砕までは実施例１と同様に行った。ただし得られた予備粉砕物が２００メッシュのふるいを通るまでハンマーミルによる粉砕を継続した。篩った予備粉砕物をφ＝３ｍｍのアルミナ製ボールと共に、アルミナ製ポットに入れ、乾式のボールミルにかけて、マイクロトラックを用いた分析法でその平均粒径が３〜４μｍになるまで粉砕を行った。得られたＡｌＮ粉砕粉末の物性及び不純物濃度を表１にまとめた。

＜比較例３＞
比較例２で得られた粉末を気流式分級機にて分級処理を１回行った。分級ポイントは２．５μｍとし、供給量は１．５ｋｇ／ｈｒとした。分級によって得られた粉末の収率は７２％であった。得られたＡｌＮ粉砕粉末の物性及び不純物濃度を表１にまとめた。また、得られた粉末のＳＥＭ写真を図３に示す。分級処理を行っても付着微粉や凝集粒が数多く残存していることが分かる。

＜比較例４＞
予備粉砕までは実施例１と同様に行った。ただし得られた予備粉砕物が２００メッシュのふるいを通るまでハンマーミルによる粉砕を継続した。続いてＳＵＳ３０４製のピンミルを用いて、マイクロトラックを用いた分析法でその平均粒径が３〜４μｍになるまで粉砕を行った。得られたＡｌＮ粉砕粉末の物性及び不純物濃度を表１にまとめた。

Claims

窒化アルミニウム焼結体を粉砕して得られる粉末であって、平均粒子径が、２〜１０μｍであり、且つ、３０００倍の電子顕微鏡写真において観察される、該粉末中の１μｍ以下の微粉の占める割合が、面積比率で５％以下であって、焼結助剤以外の金属不純物濃度が１５００ｐｐｍ以下であり、更に、Ｄ９０とＤ１０との粒径の差が、６μｍ以下、酸素濃度が０．２〜１．４重量％であることを特徴とする窒化アルミニウム粉末。
請求項１に記載の窒化アルミニウム粉末を含む、焼結助剤に由来する酸素以外の酸素濃度が０．２〜１．４重量％である窒化アルミニウム焼結体製造用原料。