JP6639308B2 - Spherical AlN particles, spherical AlN filler, and method for producing spherical AlN particles - Google Patents

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Description

本発明は、半導体の封止材料等として用いられる、球状AlN粒子、球状AlNフィラー、および、球状AlN粒子の製造方法に関係する。   The present invention relates to a spherical AlN particle, a spherical AlN filler, and a method for producing a spherical AlN particle used as a semiconductor sealing material or the like.

AlN(窒化アルミニウム)は、セラミックスの中でも高熱伝導性を有する材料であり、半導体用の基板としてAlNの焼結体が実用化されている。AlNは、難焼結性の材料であることから、AlN単体では焼結することが困難であり、一般にCa化合物やY化合物などが焼結助剤として用いられている。また、AlNは、高温で酸化されてしまうため、焼結の際は酸素を含まない不活性ガス雰囲気中、たとえば、窒素ガス雰囲気中で焼成するのが一般的である。   AlN (aluminum nitride) is a material having high thermal conductivity among ceramics, and a sintered body of AlN has been put to practical use as a substrate for a semiconductor. Since AlN is a material that is difficult to sinter, it is difficult to sinter alone with AlN, and Ca compounds and Y compounds are generally used as sintering aids. Since AlN is oxidized at a high temperature, it is general that the sintering is performed in an inert gas atmosphere containing no oxygen, for example, in a nitrogen gas atmosphere.

一方、セラミックスの球状粒子は、半導体の封止材料や絶縁性樹脂基板、放熱シート等に用いられている。これらの用途には、SiO2(シリカ)やAl23(アルミナ)などの酸化物の球状粒子を樹脂と混合して使用されており、これらの球状粒子としては、溶射法により製造されたものが広く使われている。 On the other hand, ceramic spherical particles are used for semiconductor sealing materials, insulating resin substrates, heat dissipation sheets, and the like. For these uses, spherical particles of an oxide such as SiO 2 (silica) or Al 2 O 3 (alumina) are mixed with a resin, and these spherical particles are produced by a thermal spraying method. Things are widely used.

特に、高熱伝導性が求められる樹脂基板や放熱シート、放熱グリースなどには、シリカより熱伝導率の高いアルミナの球状粒子も用いられる。しかしながら、アルミナの熱伝導率は、焼結体で30W/mK程度であり必ずしも高くなく、樹脂に高充填した材料の熱伝導率も10数W/mKのものしか得られない。   In particular, spherical particles of alumina having higher thermal conductivity than silica are used for resin substrates, heat radiation sheets, heat radiation greases, and the like that require high thermal conductivity. However, the thermal conductivity of alumina is not necessarily high, about 30 W / mK for a sintered body, and the thermal conductivity of a material highly filled in a resin is only about several tens of W / mK.

今後、パワーデバイス等のより放熱性が求められる部品に適用する場合、更に高熱伝導率化が必要となる。これらの用途では、高熱伝導性とともに絶縁性が求められるため、AlNが有力な材料である。
しかしながら、AlNは高温で酸化あるいは分解してしまうため、一般的な球状粒子の量産法である溶射法を適用して球状粒子を製造することが困難である。
In the future, when applied to components requiring more heat dissipation, such as power devices, it is necessary to further increase the thermal conductivity. In these applications, AlN is a promising material because insulation is required as well as high thermal conductivity.
However, since AlN is oxidized or decomposed at a high temperature, it is difficult to produce spherical particles by applying a thermal spraying method which is a general method for mass production of spherical particles.

溶射法は、搬送ガスを用いるなどして原料の粉末を高温の火炎中に供給し、原料を溶融させることで、表面張力により溶融した原料を球状化し、そのまま冷却することで球状粒子を得る方法である。
溶射法では、火炎を形成するために燃料ガスと酸素とが必要であることから、酸化雰囲気で原料を溶融するため、非酸化物を溶射する場合、原料の少なくとも一部が酸化した球状粒子しか得ることができない。
In the thermal spraying method, a raw material powder is supplied into a high-temperature flame using a carrier gas or the like, and the raw material is melted to form a spheroidized molten raw material by surface tension. It is.
In the thermal spraying method, since a fuel gas and oxygen are required to form a flame, the raw material is melted in an oxidizing atmosphere.When spraying non-oxide, only spherical particles in which at least a part of the raw material is oxidized are used. I can't get it.

特許文献1には、AlN球状粒子を溶射により製造する方法として、AlN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製造する方法が開示されている。   Patent Literature 1 discloses a method for producing AlN spherical particles by thermal spraying by passing AlN powder through a flame in an oxidizing atmosphere in which combustible gas, carrier nitrogen, combustion oxygen, and dilution air burn. It has been disclosed.

また、球状AlN粒子を得る方法として、特許文献2には球状のアルミナ粒子を窒化する方法が開示されている。
この技術では、カーボン粒子と緻密なAl23粒子とを混合したものを、窒素雰囲気下においてマイクロ波を照射して加熱することで、Al23及び酸窒化アルミニウムの少なくとも一方からなるコアと、コアの表面に形成されたAlN表面層を具えるAlN粒子が製造できる。
As a method for obtaining spherical AlN particles, Patent Literature 2 discloses a method of nitriding spherical alumina particles.
In this technology, a mixture of carbon particles and dense Al 2 O 3 particles is irradiated with microwaves in a nitrogen atmosphere and heated to form a core composed of at least one of Al 2 O 3 and aluminum oxynitride. Thus, AlN particles having an AlN surface layer formed on the surface of the core can be produced.

また、緻密なアルミナ粒子以外を原料として用いる方法として、特許文献3にはアルミナ粉末又はアルミナ水和物粉末の球状造粒物を出発原料として使用し、還元窒化を行うことにより球状窒化アルミニウム粉末を製造する方法が開示されている。   Further, as a method using a material other than dense alumina particles as a raw material, Patent Document 3 discloses a method of using a spherical granulated product of alumina powder or alumina hydrate powder as a starting material and performing reduction nitriding to obtain a spherical aluminum nitride powder. A method of making is disclosed.

特開2011−190171号公報JP 2011-190171 A 特開2012−41253号公報JP 2012-41253 A 国際公開第2011/93488号International Publication No. 2011/93488

パワーデバイス等の高温環境下での使用あるいは高発熱化に伴い、放熱部材にはより高熱伝導化が求められており、特に樹脂基板や放熱シート、放熱グリースなど用いられるフィラー粒子として、樹脂に高充填でき高熱伝導が得られる球状で緻密なAlN粒子は非常に有用である。   As power devices are used in high-temperature environments or generate higher heat, higher heat conductivity is required for heat dissipating members. Spherical and dense AlN particles that can be filled and have high thermal conductivity are very useful.

なお、特許文献1は、溶射によりAlN原料を球状化する技術を提案している。
しかしながら、溶射による方法では、火炎を形成するために燃料ガスと酸素ガスもしくは酸素含有ガスを使用する必要があるため、原料のAlNが酸化するのを防ぐことができない。
Patent Literature 1 proposes a technique for spheroidizing an AlN raw material by thermal spraying.
However, in the method by thermal spraying, it is necessary to use a fuel gas and an oxygen gas or an oxygen-containing gas in order to form a flame, so that it is impossible to prevent the raw material AlN from being oxidized.

さらに、特許文献1では、実施例に示されるようにAlN残量は最大で60%であり、溶射過程でAlNの40%以上が酸化されてAl23に変化してしまう。
このため、熱伝導に重要な役割を果たす表面を、AlNより熱伝導率の低いAl23が覆う構造になる。したがって、このような粒子を樹脂と混合した場合、高い熱伝導率を得ることができない。
Further, in Patent Document 1, as shown in Examples, the remaining amount of AlN is 60% at the maximum, and 40% or more of AlN is oxidized and changed to Al 2 O 3 during the thermal spraying process.
For this reason, a structure that plays an important role in heat conduction is covered with Al 2 O 3 having a lower thermal conductivity than AlN. Therefore, when such particles are mixed with a resin, a high thermal conductivity cannot be obtained.

また、特許文献2では、緻密なAl23球状粒子を原料として用いて、窒化させる方法が提案されている。
しかしながら、緻密なAl23粒子を原料として用いた場合、窒化反応は表面から起こるため、表層にAlNが形成されるが、内部は熱伝導率が低いAl23、AlON(酸窒化アルミニウム)として残ってしまう。
Patent Literature 2 proposes a method of nitriding using dense Al 2 O 3 spherical particles as a raw material.
However, when dense Al 2 O 3 particles are used as a raw material, the nitridation reaction occurs from the surface, so that AlN is formed on the surface layer, but the inside has low thermal conductivity, such as Al 2 O 3 and AlON (aluminum oxynitride). ).

このように表面層のみをAlN化した場合、内部までAlNである粒子に比べて、樹脂と混合した際の熱伝導率は低くなってしまう。また、緻密なAl23粒子を窒化した場合、窒化されて表面に形成されたAlN層と内部のコア(Al23)の間には、窒化反応の際に空隙が発生するため、樹脂と混合した際、AlN層が剥がれてしまう。あるいは、当該空隙により熱伝導が低下してしまう。 When only the surface layer is converted to AlN in this way, the thermal conductivity when mixed with the resin becomes lower than that of particles in which the inside is AlN. Further, when the dense Al 2 O 3 particles are nitrided, voids are generated between the nitrided AlN layer and the inner core (Al 2 O 3 ) during the nitriding reaction. When mixed with the resin, the AlN layer is peeled off. Alternatively, the heat conduction is reduced by the gap.

また、特許文献3には、アルミナ粉末又はアルミナ水和物粉末の球状造粒物を還元窒化する技術が開示されている。
しかしながら、この方法を用いる場合、球状のAlN粒子を得ることができるが、球状AlN粒子の原料として、比表面積が30〜500m2/gのものを用いることが望ましいとしている。
Patent Literature 3 discloses a technique for reducing and nitriding spherical granules of alumina powder or alumina hydrate powder.
However, when this method is used, spherical AlN particles can be obtained, but it is preferable to use a material having a specific surface area of 30 to 500 m 2 / g as a raw material of the spherical AlN particles.

これは、造粒物の比表面積が小さ過ぎると、還元窒化工程での昇温過程或いは熱処理工程で粒子間の空隙が閉塞してしまい、球状造粒物の内部までの還元窒化が十分に行われなくなってしまう問題が生じるためである。   This is because if the specific surface area of the granulated material is too small, the voids between the particles are closed in the temperature raising process or the heat treatment process in the reductive nitriding process, and the reductive nitriding to the inside of the spherical granulated product is sufficiently performed. This is because there is a problem that the user is no longer able to do so.

しかしながら、造粒粉の原料に比表面積が大きい、すなわち粒径が小さいものを用いた場合、造粒粉の内部での原料粉の充填密度が低くなり、高温での還元窒化過程でも空隙が多く残ったままAlNへの反応が起こるため、最終的に得られる球状AlN粒子の表面あるいは内部に空隙が多く残存してしまう問題がある。   However, when a material having a large specific surface area, that is, a material having a small particle size, is used as the raw material of the granulated powder, the packing density of the raw material powder in the granulated powder becomes low, and many voids are formed even in the reductive nitriding process at a high temperature. Since the reaction with AlN occurs while remaining, there is a problem that many voids remain on the surface or inside of the finally obtained spherical AlN particles.

例えば、特許文献3の球状AlN粉末の比表面積が全般に高いが、これは、微細な気孔が多く残存していることを示しており、このため、特許文献3の球状AlN粉末は、十分高い熱伝導度が得られない可能性がある。   For example, although the specific surface area of the spherical AlN powder of Patent Document 3 is generally high, this indicates that many fine pores remain, and therefore, the spherical AlN powder of Patent Document 3 is sufficiently high. Thermal conductivity may not be obtained.

また、特許文献3では、球状造粒物を、熱処理工程を経た後に還元窒化工程に供給することもできるとしており、この際、熱処理物は、ある程度以上の比表面積(例えば2m2/g以上)を有すべきとしている。具体的には、水酸化アルミニウム、あるいは、ベーマイトの球状造粒物を、約600℃で一定時間熱処理することにより得られたγ−アルミナの球状造粒物、あるいは、1100℃以上の温度で一定時間熱処理することにより得られたα−アルミナの球状造粒物を、還元窒化工程に供給することができると述べられている。
しかしながら、還元窒化工程の前処理として熱処理を行う場合、熱処理を2回行うことになるため、製造コストが高くなる欠点がある。
Patent Document 3 also states that the spherical granulated product can be supplied to the reduction nitriding process after the heat treatment process. At this time, the heat treated product has a specific surface area of a certain level or more (for example, 2 m 2 / g or more). It should have. Specifically, a spherical granulated product of γ-alumina obtained by heat-treating a spherical granulated product of aluminum hydroxide or boehmite at a temperature of about 600 ° C. for a certain period of time or a constant temperature of 1100 ° C. or higher It is stated that spherical granules of α-alumina obtained by heat-treating for a long time can be supplied to a reduction nitriding step.
However, when heat treatment is performed as a pretreatment of the reduction nitridation step, the heat treatment is performed twice, and thus there is a disadvantage that the manufacturing cost is increased.

以上のように、従来の技術では、緻密で高熱伝導性の球状AlN粒子を得ることが困難であった。   As described above, it was difficult to obtain dense AlN particles having high thermal conductivity with the conventional technology.

本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑み、高充填性、高熱伝導性を指向したフィラー粒子として使用可能で、従来よりも緻密であり、高熱伝導度とするため、AlN含有量が高い球状AlN粒子およびその製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above problems of the prior art, the present invention can be used as filler particles oriented to high filling properties and high thermal conductivity, is denser than the conventional one, and has a high thermal conductivity. It is an object of the present invention to provide spherical AlN particles having a high content and a method for producing the same.

発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、所定の粒径範囲のAl23粉末に、La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物と、Siの化合物とをそれぞれ所定の割合で混合し、球状に造粒した造粒物を、炭素粉末と混合して、高温で窒化することで、従来よりも高充填性、高熱伝導性を有し、半導体分野にも適用可能な球状AlN粒子を製造することができることを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventor has found that an Al 2 O 3 powder having a predetermined particle size range contains a compound of at least one of La, Dy, and Er and a compound of Si. Are mixed at a predetermined ratio, and the granulated material granulated into a sphere is mixed with carbon powder and nitrided at a high temperature. It has been found that spherical AlN particles which can also be applied can be produced.

また、製造された球状AlN粒子は、La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物と、Siの化合物とを、それぞれ所定の割合含有し、AlNの含有比率が80wt%以上であり、理論密度の90%以上の相対密度を有し、円形度が0.85〜1.00とすることができ、この特徴により、従来よりも高充填性、高熱伝導性を有することが判った。   Further, the manufactured spherical AlN particles contain a predetermined ratio of at least one compound of La, Dy, and Er and a compound of Si, and the content ratio of AlN is 80 wt% or more. It has a relative density of 90% or more of the density and can have a circularity of 0.85 to 1.00, and it has been found that this feature has higher filling property and higher thermal conductivity than the conventional one.

本発明の要旨は以下の通りである。
[1]La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物とSiの化合物とAlNを含有する球状粒子であって、
粒子全体の重量100wt%に対して、前記La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物を酸化物換算で合計0.01〜0.5wt%、前記Siの化合物をSiO2換算で0.01〜0.5wt%、前記AlNを80wt%以上、の割合で含有し、
理論密度の90%以上の相対密度を有し、
0.85〜1.00の円形度を有することを特徴とする、球状AlN粒子。
The gist of the present invention is as follows.
[1] Spherical particles containing at least one compound of La, Dy, and Er, a compound of Si, and AlN,
0 relative to the weight 100 wt% of the whole grain, said La, Dy, any one or more compounds of Er total 0.01-0.5% in terms of oxide, a compound of the Si in terms of SiO 2. 0.01 to 0.5 wt%, the AlN is contained in a proportion of 80 wt% or more,
Has a relative density of 90% or more of the theoretical density,
Spherical AlN particles having a circularity of 0.85 to 1.00.

[2]前記[1]記載の球状AlN粒子複数個からなる球状AlNフィラーであって、
平均粒径(D50)が5〜150μmであることを特徴とする、球状AlNフィラー。
[2] A spherical AlN filler comprising a plurality of the spherical AlN particles according to the above [1],
A spherical AlN filler having an average particle diameter (D50) of 5 to 150 μm.

[3]前記[1]に記載の球状AlN粒子の製造方法であって、
平均粒径が0.05〜4μmのAl23粉末に、La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物の粉末と、Siの化合物の粉末とを混合する原料粉混合工程と、
前記原料粉混合工程で生じた混合物を球状に造粒する造粒工程と、
前記造粒工程で生じた球状の造粒物を炭素粉末と混合する炭素粉末混合工程と、
前記炭素粉末混合工程で生じた混合物を窒素雰囲気中で温度1400〜1800℃にて熱処理して窒化する窒化工程とを有し、
前記原料粉混合工程では、混合後の割合が、Al23粉末100wt%に外割で、前記La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物の粉末を酸化物換算で合計0.008〜0.565wt%、及び、前記Siの化合物をSiO2換算で0.008〜0.565wt%、含有するように混合することを特徴とする、球状AlN粒子の製造方法。
[3] The method for producing spherical AlN particles according to the above [1],
A raw material powder mixing step of mixing an Al 2 O 3 powder having an average particle size of 0.05 to 4 μm with a powder of at least one compound of La, Dy, and Er and a powder of a compound of Si;
A granulation step of granulating the mixture produced in the raw material powder mixing step into a sphere,
A carbon powder mixing step of mixing the spherical granules produced in the granulation step with carbon powder,
A nitriding step of heat-treating and nitriding the mixture generated in the carbon powder mixing step at a temperature of 1400 to 1800 ° C. in a nitrogen atmosphere.
In the raw material powder mixing step, the ratio of the compound after mixing is 0.008 wt.% In terms of oxides by dividing the powder of at least one of La, Dy, and Er into 100 wt% of Al 2 O 3 powder. ~0.565Wt%, and, 0.008~0.565Wt% said compound of Si in terms of SiO 2, characterized by mixing to contain, method for producing spherical AlN particles.

[4]前記造粒工程においては、スプレードライ法により造粒することを特徴とする、前記[3]に記載の球状AlN粒子の製造方法。 [4] The method for producing spherical AlN particles according to [3], wherein in the granulating step, granulation is performed by a spray drying method.

[5]前記窒化工程においては、熱処理をマイクロ波により行うことを特徴とする、前記[3]または[4]に記載の球状AlN粒子の製造方法。 [5] The method for producing spherical AlN particles according to [3] or [4], wherein the heat treatment is performed by microwave in the nitriding step.

[6]前記窒化工程における前記熱処理の温度が、1600〜1800℃であることを特徴とする前記[3]〜[5]のいずれか1項に記載の球状AlN粒子の製造方法。 [6] The method for producing spherical AlN particles according to any one of [3] to [5], wherein the temperature of the heat treatment in the nitriding step is 1600 to 1800 ° C.

本発明によれば、高充填性、高熱伝導性を指向したフィラー粒子として使用可能で、従来よりも緻密であり、高熱伝導度とするためAlN含有量が高い球状AlN粒子およびその製造方法が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the spherical AlN particle which can be used as filler particle | grains which aimed at high filling property and high thermal conductivity, is denser than before, and has high AlN content for high thermal conductivity, and its manufacturing method are provided. Is done.

1実施例に係る球状AlN粒子断面のEPMA元素マッピング図である。FIG. 3 is an EPMA element mapping diagram of a cross section of a spherical AlN particle according to one example. 1比較例に係る球状AlN粒子断面のEPMA元素マッピング図である。FIG. 4 is an EPMA element mapping diagram of a cross section of a spherical AlN particle according to one comparative example.

本発明の球状AlN粒子は、粒子全体の重量100wt%に対して、La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物を酸化物換算で合計0.01〜0.5wt%、Siの化合物をSiO2換算で0.01〜0.5wt%、AlNを80wt%以上、の割合で含有し、理論密度の90%以上の相対密度を有し、0.85〜1.00の円形度を有する。 The spherical AlN particles of the present invention are obtained by adding a compound of at least one of La, Dy, and Er to a total of 0.01 to 0.5 wt% in terms of oxide and a compound of Si with respect to 100 wt% of the total weight of the particles. 0.01-0.5% in terms of SiO 2, AlN and 80 wt% or more, in a proportion of, 90% or more of the relative density of the theoretical density, have a circularity of 0.85 to 1.00 .

本発明による球状AlN粒子は、Al23粉末100wt%に外割で、0.008〜0.565wt%のLa、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物と0.008〜0.565wt%のSi化合物を混合し、球状に造粒・乾燥した造粒粉を、炭素粉末と混合して、高温で熱処理する方法により製造することができる。 The spherical AlN particles according to the present invention are 0.008 to 0.565 wt% of at least one compound of any one of La, Dy, and Er and 0.008 to 0.565 wt% in 100% by weight of Al 2 O 3 powder. % Of a Si compound, and spherical and granulated and dried granulated powder is mixed with carbon powder and heat-treated at a high temperature.

まず、本発明の球状AlN粒子の製造方法に於いて用いる原料について説明する。
(Al23粉末)
Al23の原料として用いるAl23粉末は、平均粒径(D50)が0.05〜4μmのものを用いることが望ましい。平均粒径(D50)が0.05μmより小さいAl23粉末を用いる場合、後述する造粒工程に於いて、造粒・乾燥して得られる造粒粉中のAl23粉末の充填率が低くなりやすいため、最終的に得られる球状AlN粒子に空隙が残りやすくなり、高熱伝導性の粒子を得ることができない。また、平均粒径(D50)が4μmより大きいAl23粉末を用いる場合、内部まで窒化してAlNになりにくくなり、高熱伝導性の粒子が得られない。また、Al23粉末は、上記の平均粒径の範囲であっても、比表面積が30m2/g以下のものを用いることが望ましい。比表面積が30m2/gよりも大きい場合、得られる球状AlN粒子に空隙が残り、高熱伝導を得ることができない。
La、Dy、Erの化合物およびSi化合物は、原料として用いるAl23粉末が窒化する前段階での焼結や窒化した後のAlN粒子の焼結を促進する焼結助剤として働くことで、緻密な球状粒子を得るために有効である。
First, raw materials used in the method for producing spherical AlN particles of the present invention will be described.
(Al 2 O 3 powder)
Al 2 O 3 powder used as a raw material of Al 2 O 3 is an average particle size (D50) of it is desirable to use those 0.05~4Myuemu. When an Al 2 O 3 powder having an average particle size (D50) smaller than 0.05 μm is used, filling of the granulated powder obtained by granulation and drying with Al 2 O 3 powder in a granulation step described below. Since the ratio tends to be low, voids are likely to remain in the finally obtained spherical AlN particles, and particles having high thermal conductivity cannot be obtained. When Al 2 O 3 powder having an average particle diameter (D50) of more than 4 μm is used, the inside is hardly nitrided to form AlN, and particles having high thermal conductivity cannot be obtained. Further, it is desirable to use Al 2 O 3 powder having a specific surface area of 30 m 2 / g or less even in the above average particle size range. When the specific surface area is larger than 30 m 2 / g, voids remain in the obtained spherical AlN particles, and high thermal conductivity cannot be obtained.
The compounds of La, Dy, Er and the Si compound act as sintering aids that promote sintering before the Al 2 O 3 powder used as the raw material is nitrided or sintering of the AlN particles after the nitriding. It is effective to obtain dense spherical particles.

ここで、前記造粒粉は、過度に緻密ではなく、空隙を内包することで、窒化反応が球状粒子の表面だけでなく、造粒粉内部でも反応が起こることにより、AlN含有率が80%以上の球状AlN粒子を得ることができる。緻密なAl23球状粒子を用いて、AlN含有率の高い球状AlN粒子を得ようとする場合、表面のAlNが成長して、表面の凹凸が大きくなり、円形度を低下させてしまうが、本発明のAlN粒子は、造粒粉に含まれる個々のAl23粒子が窒化してAlNとなるため、AlN含有率が80%以上になっても表面の凹凸が大きくなることなく、0.85〜1.00の高い円形度の球状AlN粒子を得ることができる。 Here, the granulated powder is not excessively dense and includes voids, so that the nitriding reaction occurs not only on the surface of the spherical particles but also inside the granulated powder, so that the AlN content is 80%. The above spherical AlN particles can be obtained. When attempting to obtain spherical AlN particles having a high AlN content by using dense Al 2 O 3 spherical particles, AlN on the surface grows, the surface irregularities increase, and the circularity decreases. In the AlN particles of the present invention, since the individual Al 2 O 3 particles contained in the granulated powder are nitrided to form AlN, even if the AlN content becomes 80% or more, the surface unevenness does not increase. Spherical AlN particles having a high circularity of 0.85 to 1.00 can be obtained.

また、原料に微細なAl23粉末を用いることにより、窒化する前のAl23の焼結も起こるが、窒化した後のAlN粒子も微細なためAlN粒子の焼結が進みやすく、理論密度の90%以上の相対密度を有する緻密な球状AlN粒子を得ることができる。 In addition, by using fine Al 2 O 3 powder as a raw material, sintering of Al 2 O 3 before nitriding occurs, but sintering of AlN particles is easy to progress because AlN particles after nitriding are also fine, Dense spherical AlN particles having a relative density of 90% or more of the theoretical density can be obtained.

これらの効果により、酸化物換算で0.01〜0.5wt%のLa、Dy、Erのいずれか1種以上とSiO2換算で0.01〜0.5wt%のSiを含有し、AlNの含有比率が80wt%以上であり、AlNの含有比率から計算される理論密度の90%以上の相対密度を有し、円形度が0.85〜1.00であることを特徴とする、球状AlN粒子を得ることが可能となる。 Due to these effects, 0.01 to 0.5 wt% of La, Dy, or Er in terms of oxide and 0.01 to 0.5 wt% of Si in terms of SiO 2 are contained. A spherical AlN having a content ratio of 80% by weight or more, a relative density of 90% or more of the theoretical density calculated from the AlN content ratio, and a circularity of 0.85 to 1.00. Particles can be obtained.

本発明の球状AlN粒子は、酸化物換算で0.01〜0.5wt%のLa、Dy、Erのいずれか1種以上とともにSiO2換算で0.01〜0.5wt%のSiを含む。La、Dy、Erのいずれか1種以上とSiを一緒に存在させることにより、窒化前のAl23の焼結を促進する効果が得られる。 The spherical AlN particles of the present invention contain 0.01 to 0.5 wt% of Si in terms of SiO 2 together with at least one of La, Dy and Er in terms of oxide. When Si is present together with at least one of La, Dy, and Er, an effect of promoting sintering of Al 2 O 3 before nitriding can be obtained.

窒化前にAl23が焼結することにより、Al23粒子同士がネック形成により結合し、造粒粉の球形の形状を保ったまま、Al23の強固な骨格が形成され、窒化してAlNを生成する際も球形を保ったままで反応が進み、円形度の高い球状AlN粒子を得ることができる。 By sintering Al 2 O 3 before nitriding, the Al 2 O 3 particles are combined by neck formation, and a strong skeleton of Al 2 O 3 is formed while maintaining the spherical shape of the granulated powder. Also, when AlN is generated by nitriding, the reaction proceeds while maintaining the spherical shape, and spherical AlN particles having high circularity can be obtained.

但し、窒化が進む前に過度にAl23の焼結が進行してしまうと、造粒粉の空隙が閉塞してしまい、造粒粉内部の反応に必要な窒素が供給されなくなるため、AlN含有量の高い球状AlN粒子を得ることができなくなってしまう。 However, if the sintering of Al 2 O 3 proceeds excessively before nitriding proceeds, the voids in the granulated powder will be closed, and the nitrogen required for the reaction inside the granulated powder will not be supplied. It becomes impossible to obtain spherical AlN particles having a high AlN content.

このため、適度なAl23の焼結を起こすために最適な添加量である酸化物換算で0.008〜0.565wt%のLa、Dy、Erのいずれか1種以上とともにSiO2換算で0.008〜0.565wt%のSiをAl23に添加することが重要である
また、La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物およびSi化合物は、高温度で酸化物となるものが望ましい。La、Dy、Erの酸化物とSiO2が同時に存在することで、球状AlN粒子のAlN含有量を高める効果が得られる。これは、La23、Dy23、Er23とSiO2、Al23により低温で生成する液相中に窒素が溶け込み、AlNが析出する反応が起こり、AlNの生成を促進するためと考えられる。
For this reason, 0.008 to 0.565 wt% in terms of oxide, which is the optimum addition amount for causing sintering of appropriate Al 2 O 3 , is calculated as SiO 2 together with at least one of La, Dy, and Er. It is important to add 0.008 to 0.565 wt% of Si to Al 2 O 3 at a high temperature. In addition, at least one compound of La, Dy, and Er and the Si compound are converted to oxides at high temperatures. Is desirable. The simultaneous presence of the oxides of La, Dy, and Er and SiO 2 has the effect of increasing the AlN content of the spherical AlN particles. This is because La 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Er 2 O 3 and SiO 2 , Al 2 O 3 dissolve nitrogen into the liquid phase formed at a low temperature, and a reaction occurs in which AlN precipitates, thereby causing the formation of AlN. It is thought to promote.

このような効果を得るためには、La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物とSiの化合物は、それぞれ別にではなく、両者を同時に添加することが必要である。   In order to obtain such an effect, it is necessary to add not only the compound of at least one of La, Dy, and Er and the compound of Si but also the two simultaneously.

La、Dy、Erの酸化物とAl23の共融温度は1800℃前後と高温であり、La、Dy、Erの酸化物を2種以上用いてもAl23との共融点は高温のままである。このため、La、Dy、Erの酸化物のいずれか1種以上とAl23を添加しても、Al23が焼結する1300〜1600℃といった温度域では、Al23の焼結にはほとんど寄与せず、Al23の焼結が進む前にAl23の窒化が起こってしまう。 The eutectic temperature of the La, Dy, and Er oxides and Al 2 O 3 is as high as about 1800 ° C., and the eutectic point of the Al 2 O 3 , even when two or more kinds of La, Dy, and Er oxides are used. Remains hot. Therefore, even if one or more of La, Dy, and Er oxides and Al 2 O 3 are added, in a temperature range of 1300 to 1600 ° C. where Al 2 O 3 sinters, Al 2 O 3 hardly contribute to sintering, thus occurred nitriding of Al 2 O 3 before the sintering of Al 2 O 3 is proceeds.

しかしながら、La、Dy、Erの酸化物とSiO2とAl23が共存する場合、共融点は1400℃以下の低温となるため、液相生成によるAl23に焼結促進の効果を得ることができる。 However, La, Dy, if oxide and SiO 2 and Al 2 O 3 of Er coexist, since eutectic point serving as a low temperature of 1400 ° C. or less, the effect of sintering promoting the Al 2 O 3 by liquid phase product Obtainable.

La、Dy、Er以外の希土類酸化物でも同様にSiO2と同時に添加することにより、Al23の焼結を促進する効果が得られる。しかしながら、発明者らが鋭意検討した結果、La、Dy、Er以外の希土類酸化物を用いた場合、La、Dy、Erに比べて、Al23の焼結が早期に進行しやすくなってしまい、窒化が進む前に造粒粉が緻密になり過ぎてしまうため、AlN含有率の高い粒子を得ることが困難であることが明らかとなった。La、Dy、Erの化合物を用いた場合、Al23の焼結が適度に進行しつつ、窒化反応が起こるため、本発明によるAlN含有率が高く、緻密な球状AlN粒子を得ることが可能となる。 By adding a rare earth oxide other than La, Dy, and Er simultaneously with SiO 2 , the effect of promoting sintering of Al 2 O 3 can be obtained. However, as a result of extensive studies by the inventors, when a rare earth oxide other than La, Dy, and Er is used, sintering of Al 2 O 3 tends to proceed earlier as compared to La, Dy, and Er. As a result, the granulated powder becomes too dense before nitriding proceeds, and it has become clear that it is difficult to obtain particles having a high AlN content. When a compound of La, Dy, and Er is used, a nitriding reaction occurs while sintering of Al 2 O 3 proceeds appropriately, so that it is possible to obtain a dense spherical AlN particle having a high AlN content according to the present invention. It becomes possible.

本発明者は、上記知見に鑑みながらも、さらに、La、Dy、ErとSiの添加量の最適化を検討した。その結果、Al23100wt%に外割で、La、Dy、Erのいずれか1種以上を酸化物換算で0.008〜0.565wt%およびSiをSiO2換算で0.008〜0.565wt%を添加することにより、還元窒化の昇温過程もしくは還元窒化のための高温での温度保持過程で、還元窒化前のAl23の焼結が適度に進行することを見出し、本発明に至った。この効果は、La、Dy、ErのいずれかとSiが酸化物の状態で共存することにより、高温で液相を生成することにより得られる効果であり、窒化に必要な雰囲気中の窒素の粒子内部への侵入を妨げない程度にAl23同士が結合し、その後の窒化の際に造粒粉の形状を保ったまま緻密化することで、より緻密な球状AlN粒子を得ることが可能となる。 The present inventor has further studied optimization of the added amounts of La, Dy, Er and Si, in view of the above findings. As a result, at least one of La, Dy, and Er is 0.008 to 0.565 wt% in terms of oxide and Si is 0.008 to 0 in terms of SiO 2 in terms of Al 2 O 3 100 wt%. By adding .565 wt%, it was found that sintering of Al 2 O 3 before reduction nitridation proceeds moderately in the process of raising the temperature of reduction nitridation or in the process of maintaining the temperature at a high temperature for reduction nitridation. Invented the invention. This effect is obtained by forming a liquid phase at a high temperature when any of La, Dy, and Er and Si coexist in an oxide state. Al 2 O 3 are bonded to each other to the extent that they do not impede the penetration into the powder, and during the subsequent nitriding, the powder is densified while maintaining the shape of the granulated powder, so that more dense spherical AlN particles can be obtained. Become.

Si化合物の量が酸化物換算で0.008wt%より少ない場合、AlNの焼結を促進する効果が得られず。緻密な球状AlN粒子を得ることができない。   If the amount of the Si compound is less than 0.008 wt% in terms of oxide, the effect of promoting sintering of AlN cannot be obtained. Dense spherical AlN particles cannot be obtained.

また、酸化物換算で0.565wt%より多くLa、Dy、Erのいずれか1種以上を含む場合、AlNの焼結が急激に進み、収縮が不均一になって粒子の形状がいびつになるため、十分に高い円形度の球状粒子を得ることが出来ない。   When the content of any one of La, Dy, and Er is more than 0.565 wt% in terms of oxide, sintering of AlN progresses rapidly, shrinkage becomes uneven, and the shape of the particles becomes irregular. Therefore, spherical particles having a sufficiently high circularity cannot be obtained.

AlNの焼結を促進する効果において、La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物およびSi化合物は、高温度で酸化物となるものを用いることが望ましい。
AlNの焼結は、La23、Dy23、Er23のいずれか1種以上とSiO2およびAl23により生成する液相による液相焼結で進行するが、特にLa23、Dy23、Er23のいずれか1種以上を含む液相が生成することによりAlNの焼結を促進する効果が得られる。
In terms of the effect of accelerating the sintering of AlN, it is desirable to use one or more of the compounds of La, Dy, and Er and the Si compound that becomes an oxide at a high temperature.
The sintering of AlN proceeds by liquid phase sintering using a liquid phase generated by at least one of La 2 O 3 , Dy 2 O 3 , and Er 2 O 3 and SiO 2 and Al 2 O 3. The generation of a liquid phase containing at least one of La 2 O 3 , Dy 2 O 3 and Er 2 O 3 has an effect of promoting sintering of AlN.

SiO2換算でのSiの量が0.008wt%より少ない場合、窒化前のAl23の焼結が進まず、窒化前に骨格が形成されず、窒化あるいはAlNが焼結する過程でいびつな形状になりやすく、高い円形度の粒子を得ることが出来ない。 When the amount of Si in terms of SiO 2 is less than 0.008 wt%, sintering of Al 2 O 3 before nitriding does not proceed, a skeleton is not formed before nitriding, and the sintering occurs during nitriding or sintering of AlN. It is difficult to obtain particles having a high degree of circularity.

0.565wt%より多くSiを含む場合、窒化前のAl23の焼結が過度に進み、造粒粉の表面の気孔が閉塞してしまい、造粒粉内部の窒化が進まず、AlNの割合が低い粒子となってしまうため、熱伝導率の高い粒子を得ることが出来ない。 When Si is contained in excess of 0.565 wt%, sintering of Al 2 O 3 before nitriding proceeds excessively, pores on the surface of the granulated powder are closed, and nitriding inside the granulated powder does not progress, and AlN Particles having a low ratio of, it is not possible to obtain particles having a high thermal conductivity.

更にAl23の焼結が均一に起こらないと、造粒粉がいびつな形に収縮を起こしていまい、高い円形度のAlN粒子を得ることができない。
Al23の焼結を均一にするためには、局所的に急激な焼結が起こらないように、SiO2とLa23、Dy23、Er23のいずれか1種以上を適切な添加量、すなわち0.008〜0.565wt%の範囲で添加し、これらの添加成分をAl23粉末と均一に分散、混合することが重要である。
Furthermore, if the sintering of Al 2 O 3 does not occur uniformly, the granulated powder will shrink in an irregular shape, and AlN particles with a high circularity cannot be obtained.
In order to make the sintering of Al 2 O 3 uniform, SiO 2 and any one of La 2 O 3 , Dy 2 O 3 and Er 2 O 3 are used so that rapid sintering does not occur locally. It is important to add the above in an appropriate amount, that is, in the range of 0.008 to 0.565 wt%, and to uniformly disperse and mix these added components with the Al 2 O 3 powder.

また、原料として用いるAl23粉末に不純物として含まれるSiO2は、Al23に固溶する等の形で内部に閉じこめられた状態で存在していることが多く、焼結の進行を促進する効果が少ない場合がある。また、高純度の原料Al23粉末中に不純物として含まれるSiO2は、極少量のため、これだけでは、AlN粒子中のSiO2換算でのSiの量は0.01wt%にはならない。このため、原料Al23粉末に含まれるSiO2以外に、本発明で規定する適正範囲内でSi化合物を添加する必要がある。 Further, SiO 2 contained as an impurity in the Al 2 O 3 powder used as a raw material often exists in a state of being confined inside, for example, in a form of solid solution in Al 2 O 3, and the progress of sintering May be less effective. Further, since the amount of SiO 2 contained as impurities in the high-purity raw material Al 2 O 3 powder is extremely small, the amount of Si in AlN particles in terms of SiO 2 alone does not become 0.01 wt%. Therefore, in addition to SiO 2 contained in the raw material Al 2 O 3 powder, it is necessary to add a Si compound within an appropriate range defined in the present invention.

Si化合物は、Al23の焼結過程で粒界に存在し、粒界で液相を生成することで焼結を促進する効果が得られるので、好ましくはSiO2粉末などの形態でAl23粉末原料に添加することにより、高い効果が得られる。また、SiO2以外のSi化合物でもAl23の焼結過程でSiO2を生成することにより同様の効果を得ることができる。 Si compound is present in the grain boundaries during sintering of Al 2 O 3, the effect is obtained which promotes sintering by generating a liquid phase at the grain boundary, Al preferably in the form of SiO 2 or the like powder A high effect can be obtained by adding it to the 2 O 3 powder raw material. Further, it is possible to obtain the same effect by generating a SiO 2 during sintering of Al 2 O 3 in Si compounds other than SiO 2.

AlN球状粒子に含まれるLa、Dy、ErおよびSiの含有量は、原子吸光法により測定することができる。   The contents of La, Dy, Er and Si contained in the AlN spherical particles can be measured by an atomic absorption method.

球状AlN粒子のAlNの含有比率は80%以上とすることで、樹脂等と混合した際に高い熱伝導率を得ることができる。
AlNの含有比率が80%より少ない場合、未反応のAl23や反応中間生成物であるAlONなどの熱伝導率の低い成分が多く含まれることから、樹脂と混合した際の熱伝導率が低くなるので、球状AlN粒子のAlNの含有比率は80%以上であることが望ましい。
When the content ratio of AlN in the spherical AlN particles is 80% or more, high thermal conductivity can be obtained when mixed with a resin or the like.
When the content ratio of AlN is less than 80%, a large amount of components having low thermal conductivity such as unreacted Al 2 O 3 and AlON which is a reaction intermediate product is included, so that the thermal conductivity when mixed with the resin. Therefore, the content ratio of AlN in the spherical AlN particles is preferably 80% or more.

球状AlN粒子のAlNの含有比率は、X線回折等の分析により測定する。X線回折で測定する場合は、AlNおよびAl23、AlONの最強ピークの強度比を計算することでAlNの含有比率を算出することが出来る。 The AlN content ratio of the spherical AlN particles is measured by analysis such as X-ray diffraction. When measuring by X-ray diffraction, the content ratio of AlN can be calculated by calculating the intensity ratio of the strongest peaks of AlN, Al 2 O 3 , and AlON.

球状AlN粒子の密度は、理論密度の90%以上の相対密度とすることで高い熱伝導率の粒子を得ることができる。   By setting the density of the spherical AlN particles to a relative density of 90% or more of the theoretical density, particles having a high thermal conductivity can be obtained.

ここでいう理論密度は、AlNおよびAl23、AlONの理論密度と、X線回折等の分析で測定されたAlN、Al23、AlONの含有割合から計算した理論密度を用いる。 The term theoretical density, using the theoretical density of AlN and Al 2 O 3, AlON, AlN was measured by an analysis such as X-ray diffraction, the theoretical density calculated from the content of Al 2 O 3, AlON.

本発明の球状AlN粒子は、上記のAl化合物以外にLa、Dy、Erのいずれか1種以上とSiからなる化合物を含有している。しかしながら、La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物、Si化合物については、その存在形態が判らない場合がある。この場合、La、Dy、ErおよびSiの化合物を考慮した理論密度を算出することが困難であるため、ここでは、Al化合物に対して含有量が少ないLa、Dy、Erの化合物およびSi化合物を考慮せず、粒子がAlNおよびAl23、AlONから構成されるものとして理論密度を計算する。 The spherical AlN particles of the present invention contain a compound composed of Si and at least one of La, Dy, and Er in addition to the above-described Al compound. However, the existence form of the compound of at least one of La, Dy, and Er and the Si compound may not be known in some cases. In this case, since it is difficult to calculate the theoretical density in consideration of the compounds of La, Dy, Er and Si, here, the compounds of La, Dy, Er and the Si compound which are smaller in content than the Al compound are used. Without consideration, the theoretical density is calculated assuming that the particles are composed of AlN, Al 2 O 3 and AlON.

球状AlN粒子の相対密度が、90%以下の場合、粒子内部に10%以上の空隙を有することになり、球状AlN粒子の熱伝導率を低下させてしまう。   When the relative density of the spherical AlN particles is 90% or less, the particles have voids of 10% or more inside, and the thermal conductivity of the spherical AlN particles decreases.

また、球状AlN粒子が実質的に空隙を含まない場合、相対密度は100%になるが、前述した様に、La、Dy、ErおよびSi化合物を考慮せず理論密度を計算し、それに対する相対密度を計算するため、計算上の理論密度が100%を超えることもあり得る。   When the spherical AlN particles do not substantially contain voids, the relative density is 100%. As described above, the theoretical density is calculated without considering the La, Dy, Er and Si compounds, and the relative density is calculated. To calculate the density, the theoretical theoretical density can exceed 100%.

球状AlN粒子の密度は、JIS−R1620「ファインセラミックス粉末の粒子密度測定方法」に準拠したピクノメータ法、懸ちょう法、気体置換法のいずれかの測定方法で測定することができる。   The density of the spherical AlN particles can be measured by any one of a pycnometer method, a suspension method, and a gas displacement method based on JIS-R1620 “Method of measuring particle density of fine ceramic powder”.

球状AlN粒子の円形度は、0.85〜1.00の範囲とすることで、高い流動性が得られ、充填性の良いフィラーとして使用することができる。
なお、本発明で言うフィラーとは、複数の粒子からなる集合体をフィラーとする。
By setting the circularity of the spherical AlN particles in the range of 0.85 to 1.00, high fluidity is obtained, and the spherical AlN particles can be used as a filler having good filling properties.
In addition, the filler referred to in the present invention refers to an aggregate composed of a plurality of particles as a filler.

円形度が0.85より低い場合は、いびつな形状の粒子が多く含まれることから、樹脂と混合した際の充填率を高くすることが困難となるため望ましくない。   If the degree of circularity is lower than 0.85, a large amount of irregularly shaped particles are contained, and it is difficult to increase the filling rate when mixed with a resin, which is not desirable.

円形度は、市販のフロー式粒子像分析装置により測定することができる。また、走査型電子顕微鏡(SEM)等の顕微鏡写真から画像解析処理ソフトウェアを用いて次のように求めることができる。AlN粒子のサンプルの写真を撮影し、AlN粒子(二次元投影図)の面積、周囲長さを計測する。AlN粒子が真円であると仮定し、計測された面積を有する真円の円周を計算する。円形度=円周/周囲長さの式により、円形度を求める。円形度=1のときが、真円である。つまり、円形度が1に近いほど、真円に近いとされる。   The circularity can be measured by a commercially available flow type particle image analyzer. Further, it can be obtained from a micrograph of a scanning electron microscope (SEM) or the like using image analysis processing software as follows. A photograph of the sample of the AlN particles is taken, and the area and the peripheral length of the AlN particles (two-dimensional projection) are measured. Assuming that the AlN particle is a perfect circle, calculate the circumference of the perfect circle having the measured area. The degree of circularity is determined from the equation of degree of circularity = circumference / perimeter. When the circularity is 1, a perfect circle is obtained. That is, the closer the circularity is to 1, the closer to a perfect circle.

球状AlN粒子を製造する際は、1ロットで多数個の粒子群が製造されるが、それらの球状AlN粒子群においては、平均粒径(D50)が5〜150μmであることが望ましい。平均粒径が150μmを超えると、粒子の内部までAl23が窒化するのに必要な窒素が侵入しにくくなることがあり、粒子の中心にAl23等が残った粒子になることがある。また、5μmより小さい粒子の場合、Al23が窒化してAlNになる過程で他の粒子と焼結して凝集してしまい、円形度を低下させてしまうことがある。これらの球状AlN粒子群は、球状AlNフィラーとして用いることができる。そのため、球状AlN粒子群からなる球状AlNフィラーも、平均粒径(D50)が5〜150μmであることが望ましい。 When manufacturing spherical AlN particles, a large number of particle groups are manufactured in one lot, and it is desirable that the average particle diameter (D50) of these spherical AlN particle groups is 5 to 150 μm. If the average particle size exceeds 150 μm, it may be difficult for nitrogen necessary for nitriding Al 2 O 3 to enter the inside of the particle, and the particle may have Al 2 O 3 or the like remaining at the center of the particle. There is. In the case of particles smaller than 5 μm, Al 2 O 3 may be sintered and agglomerated with other particles during the process of nitriding to AlN, which may reduce the circularity. These spherical AlN particles can be used as a spherical AlN filler. Therefore, it is preferable that the spherical AlN filler composed of the spherical AlN particles also has an average particle diameter (D50) of 5 to 150 μm.

なお、ここでの平均粒径は、例えばレーザー回折法による粒度分布測定等により求めることができる。   Here, the average particle size can be determined by, for example, particle size distribution measurement by a laser diffraction method.

また、ここでいう平均粒径は、メディアン径と呼ばれるもので、レーザー回折法等の方法で粒径分布を測定して、粒径の頻度の累積が50%となる粒径を平均粒径(D50)とする。   In addition, the average particle size here is called a median diameter, and the particle size distribution is measured by a method such as a laser diffraction method, and the particle size at which the cumulative frequency of the particle sizes becomes 50% is determined as the average particle size ( D50).

前述したように、本発明による球状AlN粒子は、Al23粉末100wt%に外割で、0.008〜0.565wt%のLa、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物と0.008〜0.565wt%のSi化合物を混合し、球状に造粒した粉末を、炭素粉末と混合して、高温で窒化する方法により製造することができる。以下、本発明の球状AlN粒子の製造について工程順に説明する。 As described above, the spherical AlN particles according to the present invention have a weight ratio of 0.008 to 0.565 wt% of one or more compounds of La, Dy, and Er and 100 wt% of Al 2 O 3 powder. A powder obtained by mixing 008 to 0.565% by weight of an Si compound and then granulating into a spherical shape is mixed with a carbon powder and nitrided at a high temperature. Hereinafter, the production of the spherical AlN particles of the present invention will be described in the order of steps.

<造粒について>
原料粉末であるAl23粉末、La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物とSiからなる化合物を水等の溶媒と分散剤等の添加剤を混合してスラリーを作製する。この際、球状の壊れにくい造粒粉を得るために、バインダーを添加することが望ましい。このスラリーをスプレードライ等の方法を用いて、球状に造粒する。造粒粉を窒化して得られる球状AlN粒子は、造粒の粒径とほぼ同じものが得られる。このため、造粒粉の平均粒径(D50)が5〜150μmになるように、スラリー濃度、造粒条件を調整することにより、目的とする球状AlN粒子を得ることが可能となる。
<About granulation>
A slurry is prepared by mixing a raw material powder of Al 2 O 3 powder, at least one compound of La, Dy, and Er and a compound of Si with a solvent such as water and an additive such as a dispersant. At this time, it is desirable to add a binder in order to obtain a spherical granulated powder that is hard to break. This slurry is granulated into a sphere using a method such as spray drying. Spherical AlN particles obtained by nitriding the granulated powder have almost the same particle size as the granulated particles. Therefore, by adjusting the slurry concentration and the granulation conditions so that the average particle diameter (D50) of the granulated powder is 5 to 150 μm, it is possible to obtain the desired spherical AlN particles.

(Al23粉末)
用いる原料粉末としては、平均粒径(D50)が0.05〜4μmのAl23粉末を用いることが望ましい。平均粒径(D50)が0.05μmより小さいAl23粉末を用いた場合、造粒・乾燥して得られる造粒粉中のAl23粉末の充填率が低くなりやすいため、得られる球状AlN粒子に空孔が残りやすくなる。また、平均粒径(D50)が4μmより大きいAl23粉末を用いた場合、造粒粉の強度が低くなり、球状に造粒した造粒粉が壊れて、得られるAlN粒子の円形度が低下する場合がある、また、Al23粉が窒化してAlNになる際、表面の凹凸が大きくなり、円形度が低くなるため、樹脂と混合する際の充填率を上げることが難しくなることがある。
(Al 2 O 3 powder)
As the raw material powder to be used, it is desirable to use an Al 2 O 3 powder having an average particle size (D50) of 0.05 to 4 μm. When an Al 2 O 3 powder having an average particle diameter (D50) smaller than 0.05 μm is used, the filling rate of the Al 2 O 3 powder in the granulated powder obtained by granulation and drying tends to be low. Voids are likely to remain in the resulting spherical AlN particles. When Al 2 O 3 powder having an average particle diameter (D50) of more than 4 μm is used, the strength of the granulated powder is reduced, the spherical granulated powder is broken, and the circularity of the obtained AlN particles is reduced. When the Al 2 O 3 powder is nitrided into AlN, the surface unevenness increases and the circularity decreases, so it is difficult to increase the filling rate when mixing with the resin. May be.

Al23粉末の平均粒径は、例えばレーザー回折法による粒度分布測定やSEMにより観察した粒子のサイズの測定により、メディアン径(D50)で測定する。
また、原料に用いるAl23粉末の比表面積は、2〜30m2/gの粉末を用いることが望ましい。
The average particle diameter of the Al 2 O 3 powder is measured by a median diameter (D50) by, for example, particle size distribution measurement by a laser diffraction method or measurement of the particle size observed by SEM.
The specific surface area of the Al 2 O 3 powder used as the raw material is desirably 2 to 30 m 2 / g.

比表面積が2m2/gより小さいAl23粉末を用いた場合、加熱過程でAl23での焼結が起こりにくいため、窒化あるいはAlNが焼結する過程でいびつな形状になりやすく、高い円形度の粒子を得ることが出来ない。 When Al 2 O 3 powder having a specific surface area of less than 2 m 2 / g is used, sintering with Al 2 O 3 hardly occurs in the heating process, so that it tends to be distorted in the process of nitriding or sintering of AlN. , Particles of high circularity cannot be obtained.

また、比表面積が30m2/gより大きいAl23粒子を用いた場合、昇温過程や窒化が起こる温度より低温での焼結が進行し易くなるため、Al23造粒粉の表面の気孔が閉塞してしまい、内部の窒化に必要な窒素が供給されずにAlN化の低い粒子になるため望ましくない。 Also, if the specific surface area was used 30 m 2 / g greater than Al 2 O 3 particles, since the sintering at a temperature lower than the Atsushi Nobori process and nitriding occurs temperature likely to proceed, the Al 2 O 3 granulated powder The pores on the surface are blocked, and nitrogen necessary for nitriding inside is not supplied, resulting in particles with low AlN conversion, which is not desirable.

表面積は、JIS−Z8830に規定されるBET比表面積測定法により測定することができる。   The surface area can be measured by a BET specific surface area measurement method specified in JIS-Z8830.

(La、Dy、Er化合物)
原料に用いるLa、Dy、Erの化合物は、酸化物、炭酸化物、蓚酸化物、塩化物、硝酸化物、アルコキシド、等を用いることができる。
特に安価で安定な酸化物の粉末を用いることができ、粒径1μm以下の微細な酸化物粉末を用いることで造粒粉の焼結やAlN化した後の焼結が均一に起こるため、円形度が高く、AlN含有率の高い球状AlN粒子を得ることができる。また、混合割合が少量なため、粒径の下限は特に問わない。
(La, Dy, Er compounds)
As the compounds of La, Dy, and Er used as the raw materials, oxides, carbonates, oxa oxides, chlorides, nitrates, alkoxides, and the like can be used.
In particular, an inexpensive and stable oxide powder can be used, and the use of a fine oxide powder having a particle size of 1 μm or less uniformly sinters the granulated powder and sinters after AlN conversion. Spherical AlN particles having a high degree and a high AlN content can be obtained. Since the mixing ratio is small, the lower limit of the particle size is not particularly limited.

(Si化合物)
原料に用いるSi化合物は、SiO2、テトラメトキシシラン等のシリコンアルコキシド、コロイダルシリカ等を用いることができる。SiO2を用いる場合、非晶質、石英、クリストバライト等、その構造は問わないが、1μm以下の微細なSiO2粉末を用いることで造粒粉中のAl23の焼結が均一に起こるため、円形度が高く、AlN含有率の高い球状AlN粒子を得ることができる。また、混合割合が少量なため、粒径の下限は特に問わない。
(Si compound)
As the Si compound used as a raw material, silicon alkoxides such as SiO 2 and tetramethoxysilane, colloidal silica, and the like can be used. When SiO 2 is used, its structure is not limited, such as amorphous, quartz, cristobalite, etc., but by using fine SiO 2 powder of 1 μm or less, sintering of Al 2 O 3 in the granulated powder occurs uniformly. Therefore, spherical AlN particles having a high circularity and a high AlN content can be obtained. Since the mixing ratio is small, the lower limit of the particle size is not particularly limited.

(混合・造粒)
原料であるAl23粉末とLa、Dy、Erの化合物、Si化合物の混合は、均一に混合される混合方法であれば特にどのような方法を用いても良い。乾式混合もしくは水、アルコール、アセトン等の溶媒を用いた湿式混合で混合することができる。
(Mixing / granulation)
Any method of mixing the Al 2 O 3 powder, which is a raw material, with the compounds of La, Dy, and Er, and the Si compound may be used as long as the method is a uniform mixing method. The mixing can be performed by dry mixing or wet mixing using a solvent such as water, alcohol, or acetone.

混合した粉末を球状に造粒する方法としては、スプレードライ、転動造粒、撹拌造粒、流動造粒などの方法を用いることができる。
特にスプレードライ法を用いた場合、大量の原料粉を効率良く球状に造粒することができる。スプレードライによる造粒を行う場合、水等の溶媒に分散剤やバインダー等の添加材を用いることにより、原料が均一に分散し、強度の高い造粒粉を得ることができる。
As a method of granulating the mixed powder into a sphere, a method such as spray drying, tumbling granulation, stirring granulation, and flow granulation can be used.
In particular, when the spray drying method is used, a large amount of raw material powder can be efficiently granulated into a sphere. In the case of performing granulation by spray drying, by using an additive such as a dispersant or a binder in a solvent such as water, the raw materials are uniformly dispersed, and a granulated powder having high strength can be obtained.

また、窒化により得られる球状AlN粒子は、造粒粉の粒径とほぼ同一であるため、造粒粉の粒径を制御することにより、所望の粒径の球状AlN粒子を得ることができる。   Further, since the spherical AlN particles obtained by nitriding are almost the same as the particle diameter of the granulated powder, by controlling the particle diameter of the granulated powder, spherical AlN particles having a desired particle diameter can be obtained.

<窒化還元について>
(炭素混合)
また、球状に造粒した粉末と炭素粉末とを混合して高温で窒化することにより、よりAlNの含有比率が高い球状AlN粒子を得ることができる。
<About nitridation reduction>
(Carbon mixture)
In addition, spherical AlN particles having a higher AlN content can be obtained by mixing the spherically granulated powder and the carbon powder and nitriding at a high temperature.

炭素粉末として用いるのは、活性炭、グラファイト、アモルファスカーボン等、いずれの形態の炭素粉末を用いても良い。   As the carbon powder, any form of carbon powder such as activated carbon, graphite, and amorphous carbon may be used.

炭素粉末を造粒した粉末と混合して熱処理することにより、炭素粉末が造粒粉の間に存在することで、造粒粉同士の焼結や融着等による結合を抑制することができ、樹脂と混合した際に高充填可能な円形度の高い球状AlN粒子を得ることができる。   By mixing and heat-treating the carbon powder with the granulated powder, the presence of the carbon powder between the granulated powders can suppress the bonding of the granulated powders due to sintering or fusion, When mixed with a resin, spherical AlN particles having a high degree of circularity and capable of being highly filled can be obtained.

また、炭素を添加することにより、Al23の還元窒化を促進し、AlN含有比率の高い球状AlN粒子を得ることができる。 Further, by adding carbon, reductive nitridation of Al 2 O 3 is promoted, and spherical AlN particles having a high AlN content can be obtained.

炭素粉末は、Al23のOが全てCO2として還元されるのに必要な量に対して、0.5倍以上の量を混合することが望ましい。炭素量が0.5倍より少ない場合、Al23の還元される量が少なくなり、これに伴って窒化してAlNとなる割合が少なくなり、目的とするAlN含有率の粒子を得ることができない。炭素の添加割合に特に上限はないが、Al23が還元されるのに必要な量の5倍以内で十分な効果が得られる。 The carbon powder is desirably mixed in an amount 0.5 times or more the amount necessary for reducing all the O in Al 2 O 3 as CO 2 . When the amount of carbon is less than 0.5 times, the amount of reduction of Al 2 O 3 is reduced, and accordingly, the ratio of nitriding to AlN is reduced, thereby obtaining particles having the target AlN content. Can not. Although there is no particular upper limit on the addition ratio of carbon, a sufficient effect can be obtained within 5 times the amount required for reducing Al 2 O 3 .

Al23を直接窒化する場合、NH3ガスやH2ガスを用いることもできるが、安価かつ安全なN2ガスを窒素源とした場合、窒化反応が起こりにくく、炭素を添加して還元窒化させることにより効率的にAl23をAlNに転換させることができる。 In the case of directly nitriding Al 2 O 3 , NH 3 gas or H 2 gas can be used. However, when an inexpensive and safe N 2 gas is used as a nitrogen source, a nitriding reaction is unlikely to occur, and carbon is added to reduce nitrogen. By nitriding, Al 2 O 3 can be efficiently converted to AlN.

炭素は、Al23と接触して還元し、N2ガスによる窒化を促す効果があるが、本発明による球状AlN粒子は粒子内部でも窒化が進んでいるから、炭素がAl23と接触還元してCOガスが生成し、COガスもAl23の還元に寄与して窒化反応を促進していると考えられる。 Carbon, and reduced in contact with the Al 2 O 3, is effective to promote nitridation by N 2 gas, spherical AlN particles according to the invention since progressed nitride at grain interior, carbon and Al 2 O 3 It is considered that CO gas is generated by the catalytic reduction, and the CO gas also contributes to the reduction of Al 2 O 3 and promotes the nitriding reaction.

(熱処理)
球状の造粒粉を窒素含有雰囲気中で1400〜1800℃の温度で熱処理を行うことにより、球状のAlN粒子を得ることができる。熱処理の際の温度は、放射温度計により測定する。
(Heat treatment)
By subjecting the spherical granulated powder to heat treatment at a temperature of 1400 to 1800 ° C. in a nitrogen-containing atmosphere, spherical AlN particles can be obtained. The temperature during the heat treatment is measured by a radiation thermometer.

1400℃より低い温度では、Al23の窒化が起こりにくく、AlNの含有比率が低い粒子となるため望ましくない。1800℃より高い温度で熱処理した場合、窒化してできた球状AlN粒子同士が焼結をし始め、粒子が結合してしまったり、AlN粒子の分解が起こり始めるため、望ましくない。 At a temperature lower than 1400 ° C., nitridation of Al 2 O 3 hardly occurs, and particles having a low AlN content are not desirable. If the heat treatment is performed at a temperature higher than 1800 ° C., the spherical AlN particles formed by nitriding start to sinter, and the particles are bonded to each other or decomposition of the AlN particles starts, which is not desirable.

造粒した粉末を窒化する熱処理の加熱方法としては、例えば、カーボンルツボ等の容器に造粒粉を入れて、カーボンヒーター等を用いた抵抗加熱や、高周波誘導加熱により、容器の外側から加熱する外熱方式で加熱することができる。   As a heating method of the heat treatment for nitriding the granulated powder, for example, the granulated powder is put into a container such as a carbon crucible, and resistance heating using a carbon heater or the like, or heating from the outside of the container by high-frequency induction heating. It can be heated by external heating.

また、造粒した粉末を窒化する際に、マイクロ波により加熱する方法を用いることにより、ルツボ等の容器にいれた粉末を内部まで均一に加熱でき、通常の外部加熱による熱処理よりも低温、且つ短時間で球状AlN粒子を得ることができる。   In addition, when nitriding the granulated powder, by using a method of heating by microwaves, it is possible to uniformly heat the powder placed in a container such as a crucible to the inside, lower temperature than normal heat treatment by external heating, and Spherical AlN particles can be obtained in a short time.

マイクロ波による加熱を使用して球状AlN粒子を得る場合、球状に造粒した粉末と炭素粉末を混合してマイクロ波照射することにより、マイクロ波の吸収効率の良い炭素が発熱源として作用するため、より効率良く球状AlN粒子を得ることが可能となる。   When spherical AlN particles are obtained using microwave heating, a mixture of spherically granulated powder and carbon powder is irradiated with microwaves, so that carbon with high microwave absorption efficiency acts as a heat source. Thus, spherical AlN particles can be obtained more efficiently.

<炭素除去処理について>
炭素粉を添加して球状AlN粒子を作製した場合、炭素を除去するために、大気等の酸化性雰囲気中で、400〜1000℃の温度に加熱して炭素を酸化除去することができる。この際、酸化性雰囲気中で熱処理することにより、球状AlN粒子の表面が酸化して酸化層が形成されることで、水分等とAlNが直接反応することを防ぐ効果を得ることができる。
また、その際、AlN粒子は緻密なため、表層の酸化層の厚みは1μm程度と薄くなり、AlNの割合の低下への影響は殆どない。
<About carbon removal processing>
When spherical AlN particles are produced by adding carbon powder, carbon can be oxidized and removed by heating to a temperature of 400 to 1000 ° C. in an oxidizing atmosphere such as air in order to remove carbon. At this time, by performing a heat treatment in an oxidizing atmosphere, the surface of the spherical AlN particles is oxidized to form an oxide layer, and thus an effect of preventing AlN from directly reacting with moisture or the like can be obtained.
Also, at this time, since the AlN particles are dense, the thickness of the surface oxide layer is as thin as about 1 μm, and there is almost no influence on the decrease in the ratio of AlN.

以下、実施例及び比較例を示し、本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は下記の実施例に限定して解釈されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not construed as being limited to the following examples.

(実施例1)
表1に示す通り、Al23粉にSiO2粉と各種希土類酸化物粉に、PVA系バインダ、ポリカルボン酸系分散剤および水を添加し、ボールミルで混合したものをスプレードライにより造粒した。得られた造粒粉と活性炭(平均粒径5μm)を2:1の重量比で混合したものをアルミナルツボに入れ、マイクロ波を用いて窒素雰囲気中1600℃で3h加熱処理した。この際の温度は放射温度計により測定した。これを大気中600℃で熱処理し、炭素を酸化・除去することにより、球状AlN粒子を得た。
得られた球状AlN粒子の平均粒径(D50)は、シーラス社製レーザー回折散乱式粒度分布測定装置「CILAS 920」により測定した。円形度は、Sysmex社製フロー式粒子像解析装置「FPIA−2100」を用いて測定した。
(Example 1)
As shown in Table 1, a mixture of Al 2 O 3 powder, SiO 2 powder, various rare earth oxide powders, a PVA-based binder, a polycarboxylic acid-based dispersant, and water, and mixing with a ball mill was granulated by spray drying. did. A mixture obtained by mixing the obtained granulated powder and activated carbon (average particle size: 5 μm) at a weight ratio of 2: 1 was put in an alumina crucible, and heated at 1600 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere using a microwave. The temperature at this time was measured by a radiation thermometer. This was heat-treated at 600 ° C. in the air to oxidize and remove carbon to obtain spherical AlN particles.
The average particle size (D50) of the obtained spherical AlN particles was measured by a laser diffraction scattering type particle size distribution analyzer “CILAS 920” manufactured by Cirrus. The circularity was measured using a flow particle image analyzer “FPIA-2100” manufactured by Sysmex.

AlNの含有率は、リガク製X線回折装置「RINT−2500 TTR」によりX線回折パターンを測定した。AlNの含有比率の計算は、AlN(PDFカードNo.25−1133)およびAl23(PDFカードNo.10−0173)、AlON(PDFカードNo.48−0686)の最大ピークの強度を測定し、その強度比からAlN含有率を百分率計算した。 The content of AlN was determined by measuring an X-ray diffraction pattern using an Rigaku X-ray diffractometer “RINT-2500 TTR”. The calculation of the AlN content ratio measures the maximum peak intensity of AlN (PDF card No. 25-0133), Al 2 O 3 (PDF card No. 10-0173), and AlON (PDF card No. 48-0686). The AlN content was calculated as a percentage from the intensity ratio.

本発明による球状AlN粒子は、0.95〜0.98と高い円形度を示し、AlN含有率が96〜97%と高く、理論密度の計算値に対する相対密度も96%以上と高かった。
これに対し、本発明の範囲外であるものは円形度が0.87〜0.93と低く、AlN含有率が75〜84%と低かった。
The spherical AlN particles according to the present invention exhibited a high circularity of 0.95 to 0.98, a high AlN content of 96 to 97%, and a high relative density to the calculated theoretical density of 96% or more.
On the other hand, those outside the range of the present invention had low circularity of 0.87 to 0.93 and low AlN content of 75 to 84%.

また、窒化の状態を確認するために、得られた球状AlN粒子を樹脂に埋め込んで研磨し、粒子断面の元素分布を日本電子製電子プローブマイクロアナライザ (EPMA)「JXA−8230」を用いて元素マッピングを測定した。   In addition, in order to confirm the state of nitriding, the obtained spherical AlN particles were buried in a resin and polished, and the element distribution of the particle cross-section was measured using JEOL's electron probe microanalyzer (EPMA) “JXA-8230”. The mapping was measured.

その結果、図1に示す本発明によるNo.3サンプルでは粒子の内部でO(酸素)がほとんど見られず、粒子全体にN(窒素)が分布しており、粒子全体がほとんどAlNになっていることが確認された。   As a result, as shown in FIG. In three samples, almost no O (oxygen) was found inside the particles, N (nitrogen) was distributed throughout the particles, and it was confirmed that almost all the particles were AlN.

これに対して、比較例のサンプルでは、図2に示すNo.4サンプルのように粒子の周囲にのみNが分布しており、粒子の内部はほとんどOが残っており、窒化が表面でしか起こっていないことが確認された。   On the other hand, in the sample of the comparative example, No. 1 shown in FIG. N was distributed only around the particles as in the four samples, and almost O remained inside the particles, confirming that nitriding occurred only on the surface.

Claims (6)

La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物とSiの化合物とAlNを含有する球状粒子であって、
粒子全体の重量100wt%に対して、前記La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物を酸化物換算で合計0.01〜0.5wt%、前記Siの化合物をSiO2換算で0.01〜0.5wt%、前記AlNを80wt%以上の割合で含有し、
理論密度の90%以上の相対密度を有し、
0.85〜1.00の円形度を有することを特徴とする、球状AlN粒子。
A spherical particle containing at least one compound of La, Dy, and Er, a compound of Si, and AlN,
0 relative to the weight 100 wt% of the whole grain, said La, Dy, any one or more compounds of Er total 0.01-0.5% in terms of oxide, a compound of the Si in terms of SiO 2. 01-0.5 wt%, containing the AlN in a proportion of 80 wt% or more,
Has a relative density of 90% or more of the theoretical density,
Spherical AlN particles having a circularity of 0.85 to 1.00.
請求項1に記載の球状AlN粒子複数個からなる球状AlNフィラーであって、
平均粒径(D50)が5〜150μmであることを特徴とする、球状AlNフィラー。
A spherical AlN filler comprising a plurality of the spherical AlN particles according to claim 1,
A spherical AlN filler having an average particle diameter (D50) of 5 to 150 μm.
請求項1に記載の球状AlN粒子の製造方法であって、
平均粒径が0.05〜4μmのAl23粉末に、La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物の粉末と、Siの化合物の粉末とを混合する原料粉混合工程と、
前記原料粉混合工程で生じた混合物を球状に造粒する造粒工程と、
前記造粒工程で生じた球状の造粒物を炭素粉末と混合する炭素粉末混合工程と、
前記炭素粉末混合工程で生じた混合物を窒素雰囲気中で温度1400〜1800℃にて熱処理して窒化する窒化工程とを有し、
前記原料粉混合工程では、混合後の割合が、Al23粉末100wt%に外割で、前記La、Dy、Erのいずれか1種以上の化合物の粉末を酸化物換算で合計0.008〜0.565wt%、及び、前記Siの化合物をSiO2換算で0.008〜0.565wt%、含有するように混合することを特徴とする、球状AlN粒子の製造方法。
A method for producing spherical AlN particles according to claim 1,
A raw material powder mixing step of mixing an Al 2 O 3 powder having an average particle size of 0.05 to 4 μm with a powder of at least one compound of La, Dy, and Er and a powder of a compound of Si;
A granulation step of granulating the mixture produced in the raw material powder mixing step into a sphere,
A carbon powder mixing step of mixing the spherical granules produced in the granulation step with carbon powder,
A nitriding step of heat-treating and nitriding the mixture generated in the carbon powder mixing step at a temperature of 1400 to 1800 ° C. in a nitrogen atmosphere.
In the raw material powder mixing step, the ratio of the compound after mixing is 0.008 wt.% In terms of oxides by dividing the powder of at least one of La, Dy, and Er into 100 wt% of Al 2 O 3 powder. ~0.565Wt%, and, 0.008~0.565Wt% said compound of Si in terms of SiO 2, characterized by mixing to contain, method for producing spherical AlN particles.
前記造粒工程においては、スプレードライ法により造粒することを特徴とする、請求項3に記載の球状AlN粒子の製造方法。   The method for producing spherical AlN particles according to claim 3, wherein in the granulation step, granulation is performed by a spray drying method. 前記窒化工程においては、熱処理をマイクロ波により行うことを特徴とする、請求項3または4に記載の球状AlN粒子の製造方法。   The method for producing spherical AlN particles according to claim 3, wherein the heat treatment is performed by microwave in the nitriding step. 前記窒化工程における前記熱処理の温度が、1600〜1800℃であることを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の球状AlN粒子の製造方法。   The method for producing spherical AlN particles according to any one of claims 3 to 5, wherein the temperature of the heat treatment in the nitriding step is 1600 to 1800 ° C.
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