JP5748500B2

JP5748500B2 - 不活性球状窒化アルミニウム粉体及びその製造方法

Info

Publication number: JP5748500B2
Application number: JP2011035930A
Authority: JP
Inventors: 政行朝比奈; 小野　達也; 達也小野
Original assignee: 株式会社龍森
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2031-02-22
Also published as: JP2011190171A

Description

本発明は、不活性球状窒化アルミニウム及びその製造方法に関するものであり、詳しくは、酸化性雰囲気下の火炎中に窒化アルミニウムを通すことにより得られた酸化アルミニウム化した不活性保護膜を有する耐水性球状窒化アルミニウム粉体及びその製造方法、並びに前記酸化アルミニウム化した不活性保護膜を有する耐水性球状窒化アルミニウム粉体を用いたフィラーに関するものである。

近年、半導体デバイス、ＩＣなどの高集積化が進むに従って、電子部品の多くは使用時の発熱量が増大しており、当該技術分野では、放熱又は熱除去をいかに効率良く行なうかが重要な技術的課題となっている。これらの半導体デバイス、ＩＣなどは、普通、樹脂やプラスチックなどの高分子材料による封止で保護されている。しかしながら、この様な高分子材料は、それ自体の熱伝導率が極めて低いため、熱伝導性を改善するには、高熱伝導性のフィラーと複合化する必要がある。

この点、半導体封止材用フィラーとしては球状シリカが使用されることがあるが、シリカの熱伝導率は低いため、現在、需要が強く見込まれる電気自動車向けパワーモジュール等、高い放熱対策が必要な製品向けの封止材としてはシリカフィラーは不向きである。

また、高い熱伝導率が要求される場合にはアルミナを封止材用フィラーとして使用することもあるが、アルミナフィラーを使用した封止材の熱伝導率は５Ｗ／ｍＫ以下にしかならず、一般的な電気自動車用に必要とされている１０Ｗ／ｍＫを確保することはできない。

一方、熱伝導率が高い物質としては、ダイアモンド、窒化ホウ素、窒化ケイ素も挙げることができるが、ダイアモンドは高価であり製品には不向きであること、窒化ホウ素は層状物質であること、窒化ケイ素は半導体であることから、電子部品の原料とするには不向きである。

そこで、既に半導体の基板材料として既に実用化され高い熱伝導性と電気絶縁性とを備えている物質として知られている窒化アルミニウムを、放熱部品材料用フィラーとして利用することが期待されている。

従来、窒化アルミニウムを用いた放熱部品材料用フィラーは、主に、直接窒化法により合成した窒化アルミニウムを粉砕、分級することにより作製されてきた。しかし、このような方法で作製された破砕状フィラーは、流動性に欠け、高分子材料中に高充填率で配合することができないため、この様な破砕状フィラーで複合化した高分子材料では高い熱伝導性が得られなかった。

これに対して、窒化アルミニウム粉末を球状化処理してフィラーに用いることにより、平滑な表面と球状の形態による高流動性と高充填率を確保し、しかも不純物を低減させて高熱伝導率をフィラーに付与させることができることが一般に知られており、球状化処理の方法としては一般にフラックスを用いて処理する方法が知られている。

この点、先行技術には、窒化アルミニウムを球状化処理について、不定形の窒化アルミニウム粉末を、アルカリ土類元素、希土類元素、アルミニウム、リチウムの化合物よりなるフラックス中で熟成（熱処理）することにより球状化させた後、フラックスを溶解して単離した結晶質窒化アルミニウム粉体が開示されている（特許
文献１参照）。

また、先行技術には、窒化アルミニウムをフラックス処理して球状窒化アルミニウムを製造する方法であって、不活性ガス中１６５０〜１９００℃で処理する方法も開示されている（特許文献２参照）。

しかしながら、上述のようなフラックス処理により球状化処理する方法は、フラックスを分離する手間とコストと時間を要すること、窒化アルミニウム粉末をフ
ラックス中で処理する際に一般に使用されているカーボン容器はフラックスがカーボンと反応することにより容器が破損しやすいこと、カーボン成分が不純物として球状窒化アルミニウムフィラー中に混入する恐れがあること、酸性溶液で球状窒化アルミニウムフィラーからフラックスを分離する際一般に使用されているアルミナ質の解砕メディア（Ａｌ_２
Ｏ_３含有量９９％以下）は、酸性溶液中に徐々に溶出し、球状窒化アルミニウムフィラーを汚染する恐れがあること、及びフラックス原料や炉内雰囲気に含まれるカーボン成分が球状窒化アルミニウムフィラー中に混入する可能性があること、窒化アルミニウムとフラックス原料の混合方法、熱処理の温度と時間の管理の手間がかるなど、球状窒化アルミニウム粉体及びこれを用いたフィラーを継続的に安定して低コストで製造できないという問題があった。

また、フラックスを用いる方法の上記の各問題点に鑑み、フラックスを用いないで火炎のみにより窒化アルミニウム粉末を球状化処理する方法も考えられた。

しかしながら、火炎による溶射のみで球状化を試みても火炎中で窒化アルミニウム粉末が酸化反応を起こして全てアルミナ化してしまい、そもそも窒化アルミニウム粉末を球状化処理することができないという問題があった。このため、フラックスを用いないで火炎のみにより窒化アルミニウム粉末を球状化処理する方法は実施されてこなかった。

さらに、窒化アルミニウムは耐水性が低く、水と反応してアンモニアとアルミナに分解するため、球状化処理しただけの窒化アルミニウム粉体でフィラーに用いることは不向きである。このため、窒化アルミニウム粉体をフィラーに用いるためには、球状化処理を行うだけではなく表面酸化処理などの不活性処理を行い耐水性を付与することが望ましい。

この点、先行技術には、窒化アルミニウムを球状化処理した後、表面酸化処理を行う方法も開示されている（特許文献３参照）。

しかしながら、この方法では、窒化アルミニウムの球状化処理の後に表面酸化処理を行うため、手間と時間とコストがかかるという問題点があった。

特開２００２−１７９４１３号公報特開２００４−２２４６１８号公報特開２００５−１６２５５５号公報

本発明は上記した窒化アルミニウム粉末を球状化処理する際の問題点、火炎のみにより窒化アルミニウム粉末を球状化処理する際の問題点、及び球状化処理の後に表面酸化処理等の不活性処理を行い耐水性を付与する際の問題点を解決するためになされたものである。

すなわち、本発明は、酸化アルミニウム化した不活性保護膜を有する不活性球状窒化アルミニウム粉末及びこれを用いたフィラーを提供すること、及び窒化アルミニウム粉末をフラックス等を用いずに酸化性雰囲気下の火炎中に通すことにより酸化アルミニウム化した不活性保護膜を付与して耐水性を付与しながら球状化させる方法を提供して、不活性処理した耐水性球状窒化アルミニウム粉体及びこれを用いたフィラーを、手間と時間とコストをかけずに安定して継続的に得ることを課題とする。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）窒化アルミニウム粉末を、可燃性ガスと搬送窒素と燃焼酸素と希釈空気により燃焼ささせた酸化性雰囲気下の火炎中に通して、酸化アルミニウム化した不活性保護膜を付与しながら球状化させることを特徴とする耐水性球状窒化アルミニウム粉体の製造方法。
（２）窒化アルミニウム粉末に、０．１〜５０ｗｔ％の範囲で酸化アルミニウム粉末を添加した混合物を、可燃性ガスと搬送窒素と燃焼酸素と希釈空気により燃焼させた酸化性雰囲気下の火炎中に通して、球状化させることを特徴とする耐水性球状窒化アルミニウム粉体の製造方法。
（３）１０〜３０Ｋｇ／ｈの窒化アルミニウム粉末を、可燃性ガス４〜８ｍ³／ｈ、搬送窒素８〜１５ｍ³／ｈ、燃焼酸素１５〜３０ｍ³／ｈ、希釈空気２５〜５０ｍ³／ｈの範囲内の燃焼条件により燃焼させた酸化性雰囲気下の火炎中に通して、酸化アルミニウム化した不活性保護膜を付与しながら球状化させることを特徴とする耐水性球状窒化アルミニウム粉体の製造方法。
（４）窒化アルミニウム粉末を、可燃性ガスと搬送窒素と燃焼酸素と希釈空気により燃焼ささせた酸化性雰囲気下の火炎中に通すことにより得られた、酸化アルミニウム化した不活性保護膜を有する耐水性球状窒化アルミニウム粉体。
（５）窒化アルミニウム粉末に、０．１〜５０ｗｔ％の範囲で、酸化アルミニウム粉末を添加した混合物を、可燃性ガスと搬送窒素と燃焼酸素と希釈空気により燃焼させた酸化性雰囲気下の火炎中に通して、球状化させることにより得られた、酸化アルミニウム化した不活性保護膜を有する耐水性球状窒化アルミニウム粉体。
（６）１０〜３０Ｋｇ／ｈの窒化アルミニウム粉末を、可燃性ガス４〜８ｍ³／ｈ、搬送窒素８〜１５ｍ³／ｈ、燃焼酸素１５〜３０ｍ³／ｈ、希釈空気２５〜５０ｍ³／ｈの範囲内の燃焼条件により燃焼させた酸化性雰囲気下の火炎中に通すことにより得られた、酸化アルミニウム化した不活性保護膜を有する耐水性球状窒化アルミニウム粉体。
（７）前記（４）〜（６）のいずれかに記載した酸化アルミニウム化した不活性保護膜を有する耐水性球状窒化アルミニウム粉体を含有することを特徴とするフィラー。

本発明の製造方法により、球状窒化アルミニウム粉末をフラックスを用いずに火炎のみで酸化アルミニウム化した不活性保護膜を付与しながら耐水性を付与して球状化処理することできるので、球状化処理を手間と時間とコストを抑えて安定して継続的に行えるとともに、別途不活性処理により耐水性を付与する手間と時間とコストも抑えることができる。このため、本発明の製造方法により、低コストで安定して継続的に、不活性処理された球状窒化アルミニウムを得ることができるという格別の効果が奏される。

また、本発明の不活性保護膜を有する球状窒化アルミニウム粉体及びこれを用いたフィラーは、窒化アルミニウムが球状化処理されているために高い流動性、高充填性、高熱伝導性を有するとともに、酸化アルミニウム化した不活性保護膜を有するために耐水性に優れていることから、充填材料として好適である。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明では、窒化アルミニウム粉末を燃焼条件を調整した火炎中に通すことによりアルミナへの酸化反応を抑えて窒化アルミニウム粉体を球状化処理するとともに、窒化アルミニウム粉体の表面に酸化アルミニウム化した不活性保護膜を付与する。

処理される窒化アルミニウム粉末の製造方法は特に限定されず、またその粒子経も限定されるものではないが、その平均粒子径は、通常、０．５〜５０μｍであれば良い。また、粒径の異なる球状窒化アルミニウム粉末を２種類以上混合してもよい。さらに、窒化アルミニウム粉末に、０．１〜５０ｗｔ％の範囲で酸化アルミニウム粉末を添加してもよい。

本発明に用いられる製造バーナは、燃料供給路、酸素供給路、各供給路の先端に接続する燃焼室を備え、火炎の燃焼条件である、可燃性ガス、搬送窒素、燃焼酸素、及び希釈空気の流量を調整することにより火炎の燃焼条件を調整することができるのであれば、公知の製造バーナを使用することが可能である。また、可燃性ガスとしては公知のものを使用でき、たとえばLPガスなどが挙げられる。

窒化アルミニウム粉末と燃焼条件は特に限定されるものではないが、窒化アルミニウム粉体の量は１０〜３０Ｋｇ／ｈ、火炎の燃焼条件は可燃性ガス４〜８ｍ³／ｈ、搬送窒素８〜１５ｍ³／ｈ、燃焼酸素１５〜３０ｍ³／ｈ、希釈空気２５〜５０ｍ³／ｈであることが好ましい。

本発明では、フラックスを用いずに、窒化アルミニウム粉末を燃焼条件を調整した火炎中に通して球状化処理するとともに、窒化アルミニウム粉体の表面に酸化アルミニウム化した不活性保護膜を付与する。
火炎中に窒化アルミニウム粉体を通す方法は限定されないが、例えば、窒化アルミニウム粉末を原料搬送装置を用いて連続的に溶融炉に投下して、当該溶解炉に内蔵された燃焼バーナから噴出する調整された火炎中を連続的に通し、サイクロン及びバグフィルタを通して、不活性処理された球状窒化アルミニウムを連続的に得ることができる。このように、窒化アルミニウム粉体を連続的に火炎中に通せば不活性球状窒化アルミニウム粉体及びこれを用いたフィラーを低コストで連続的に安定して製造することができる。

また、窒化アルミニウム粉体量、可燃性ガス、搬送窒素、燃焼酸素、及び希釈空気の流量を変えて、製造される不活性球状窒化アルミニウム粉体の粒径、粒度分布及び比表面積などの粉体特性を制御することができる。

このようにして得られた不活性球状窒化アルミニウム粉体及びこれを用いたフィラーは、窒化アルミニウムが球状化処理されているために高い流動性、高充填性、高熱伝導性を有するとともに、酸化アルミニウム化した不活性保護膜を有するために耐水性に優れていることから、充填材料として好適であり、燃料電池などに用いられる封止材等の高熱伝導性高分子部材を作製することが可能である。

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、以下の実施例は本発明の好適な一例を示すものであり、本発明は、当該実施例によって何ら限定されるものではない。

（測定方法）
（１）窒化アルミニウム残量
X線回折装置で測定した原料の窒化アルミの第一ピークと不活性処理及び球状化処理を行なった不活性球状チッ化アルミニウムの比から残存率を決定した。
（２）平均粒経
走査型電子顕微鏡により、粒子を測定して決定した。
（３）比表面積
BET一点法にて測定を行なった。
（４）EC （電気伝導度）及びpH
資料１０ｇを２５０ccのポリビンに入れ、精製水１００ccを加え３０分間振とう後、常温にて抽出液を測定した。

実施例１
ＬＰガス４Ｎｍ³／ｈ、搬送窒素１５Ｎｍ³／ｈ、燃焼酸素６Ｎｍ³／ｈ、希釈空気５０Ｎｍ³／ｈの燃焼条件に調整した製造バーナの火炎中に、平均粒径１０μｍ、比表面積９．３５ｍ²／ｇ、比重３．２１ｇ／ｃｍ ³の窒化アルミニウム粉末を３０Ｋｇ／ｈの割合で通し、窒化アルミニウム粉体を酸化アルミニウム化した不活性保護膜を付与しながら球状化処理した。図１は、この処理を行う際に用いた設備の概略図である。前記窒化アルミニウム粉末を原料搬送装置１から製造バーナを配した溶融炉２上部から連続的に投下して火炎を通過させてアルミナ化した不活性保護膜を付与しながら球状化させ、さらにサイクロン３及びバグフィルタ４を用いることにより、不活性球状窒化アルミニウム粉体を得た。この処理により得られた不活性球状窒化アルミニウムの特性を表１に示す。図２は窒化アルミニウム粒子を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。窒化アルミニウムが球状化されていることが分かる。

実施例２
ＬＰガス５Ｎｍ³／ｈ、搬送窒素１５Ｎｍ³／ｈ、燃焼酸素１５Ｎｍ³／ｈ、希釈空気２５Ｎｍ³／ｈの燃焼条件に調整した製造バーナの火炎中に、平均粒径１０μｍ、比表面積９．３５ｍ²／ｇ、比重３．２１ｇ／ｃｍ ³の窒化アルミニウム粉末を３０Ｋｇ／ｈの割合で通し、窒化アルミニウム粉体を酸化アルミニウム化した不活性保護膜を付与しながら球状化処理した。この際、実施例１と同様に、図１の設備を用いて処理を行なった。図３は窒化アルミニウム粒子を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。窒化アルミニウムが球状化されていることが分かる。

実施例３
ＬＰガス４Ｎｍ³／ｈ、搬送窒素１５Ｎｍ³／ｈ、燃焼酸素１２Ｎｍ³／ｈ、希釈空気２０Ｎｍ³／ｈの燃焼条件に調整した製造バーナの火炎中に、平均粒径１０μｍ、比表面積９．３５ｍ²／ｇ、比重３．２１ｇ／ｃｍ ³の窒化アルミニウム粉末を３０Ｋｇ／ｈの割合で通し、窒化アルミニウム粉体を酸化アルミニウム化した不活性保護膜を付与しながら球状化処理した。この際、実施例１と同様に、図１の設備を用いて処理を行なった。図４は窒化アルミニウム粒子を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。窒化アルミニウムが球状化されていることが分かる。

実施例４
ＬＰガス４Ｎｍ³／ｈ、搬送窒素１０Ｎｍ³／ｈ、燃焼酸素０Ｎｍ³／ｈ、希釈空気２５Ｎｍ³／ｈの燃焼条件に調整した製造バーナの火炎中に、平均粒径１０μｍ、比表面積９．３５ｍ²／ｇ、比重３．２１ｇ／ｃｍ ³の窒化アルミニウム粉末をと酸化アルミニウム５ｗｔ％を混合した粉末を１５Ｋｇ／ｈの割合で通し、窒化アルミニウムを球状化処理した。この際、実施例１と同様に、図１の設備を用いて処理を行なった。処理条件及び得られた窒化アルミニウムの紛体特性を表２に示す。図５は窒化アルミニウム粒子を走査型電子顕微鏡で観察した写真である。窒化アルミニウムが球状化されていることが分かる。

比較例
ＬＰガス４Ｎｍ³／ｈ、搬送窒素１０Ｎｍ³／ｈ、燃焼酸素０Ｎｍ³／ｈ、希釈空気２５Ｎｍ³／ｈの燃焼条件に調整した製造バーナの火炎中に、平均粒径１０μｍ、比表面積９．３５ｍ²／ｇ、比重３．２１ｇ／ｃｍ ³の窒化アルミニウム粉末に酸化アルミニウムを混合しない粉末を１５Ｋｇ／ｈの割合で通し、窒化アルミニウムを球状化処理した。この際、実施例１と同様に、図１の設備を用いて処理を行なった。処理条件及び得られた窒化アルミニウムの粉体特性を表２に示す。窒化アルミニウム粉末に酸化アルミニウムを混合したことにより、酸化アルミニウムを混合しない場合よりも効率的に球状窒化アルミニウムを生成することがわかる。

本発明の実施例１から３において用いた設備の説明図を示す。本発明により得た球状窒化アルミニウムフィラーを走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す。本発明により得た球状窒化アルミニウムフィラーを走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す。本発明により得た球状窒化アルミニウムフィラーを走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す。本発明により得た球状窒化アルミニウムフィラーを走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す。

Claims

窒化アルミニウム粉末を、可燃性ガスと搬送窒素と燃焼酸素と希釈空気により燃焼させた酸化性雰囲気下の火炎中に通して、酸化アルミニウム化した不活性保護膜を付与しながら球状化させることを特徴とする耐水性球状窒化アルミニウム粉体の製造方法。
窒化アルミニウム粉末に、０．１〜５０ｗｔ％の範囲で酸化アルミニウム粉末を添加した混合物を、可燃性ガスと搬送窒素と希釈空気により燃焼させた酸化性雰囲気下の火炎中に通して球状化させることを特徴とする耐水性球状窒化アルミニウム粉体の製造方法。
１０〜３０Ｋｇ／ｈの窒化アルミニウム粉末を、可燃性ガス４〜８ｍ³／ｈ、搬送窒素８〜１５ｍ³／ｈ、燃焼酸素１５〜３０ｍ³／ｈ、希釈空気２５〜５０ｍ³／ｈの範囲内の燃焼条件により燃焼させた酸化性雰囲気下の火炎中に通して、酸化アルミニウム化した不活性保護膜を付与しながら球状化させることを特徴とする耐水性球状窒化アルミニウム粉体の製造方法。