JP6725107B2 - 球状窒化アルミニウム粒子製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、球状窒化アルミニウム粒子製造装置に関する。

球状アルミナ（Al₂O₃)粒子は、熱伝導性に優れたフィラーや放熱用シートの部材として、半導体基板等の電子デバイスに広く使用されている。熱伝導性をさらに高めるために、カーボンを付着させた球状アルミナ粒子を窒素雰囲気中でマイクロ波により1400〜1700℃に加熱して窒化することによって、窒化アルミニウム改質層を備えたアルミナ粒子を製造するためのマイクロ波加熱装置が知られている（特許文献１、図１）。該装置は、カーボンを付着させた球状アルミナ粒子を保持するアルミナ坩堝の全周囲を取り囲むように、セラミックファイバー製断熱ボードで形成された断熱性ケースを備え、該断熱性ケースの天板部に、アルミナ坩堝内に窒素ガスを供給するためのアルミナパイプが挿入された構造となっている。

特開平2011-219309号公報

しかし、上記装置を用いた場合、断熱性ケースの外側表面の一部が黒焦げになって溶損することが認められた。これは、マイクロ波による加熱により、カーボンとして使用される活性炭やカーボンブラック中の不純物から発生した熱分解ガス（不純物ガスとも呼ぶ）が、断熱性ケースの外側表面で固化し、断熱性ケースに付着した固化物がマイクロ波により再加熱され炭化したことによるものと考えられる。断熱ボードの外側でマイクロ波が吸収されてしまうと、アルミナ粒子に到達するマイクロ波のエネルギーが低下するので窒化の反応効率も低下する。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、断熱性ケースの溶損や窒化効率の低下を抑制できる、球状窒化アルミニウム粒子製造装置を提供することを目的とする。

本発明の球状窒化アルミニウム粒子製造装置は、マイクロ波発振器を備えるアプリケーター内で、球状アルミナ粒子と炭素系材料粉末とを含む混合物を、窒素雰囲気中でマイクロ波を照射して、該球状アルミナ粒子の少なくとも一部を窒化して球状窒化アルミニウム粒子を製造する、球状窒化アルミニウム粒子製造装置であって、前記アプリケーター内に設けられて前記球状アルミナ粒子と炭素系材料粉末とを含む混合物を収容する、非密閉性の断熱性ケースと、前記球状窒化アルミニウム粒子の製造時における窒化反応の過程で生じる気体を該断熱性ケースの内側から該アプリケーターの外側へと排出する排気管と、を備えることを特徴とする。

本発明の球状窒化アルミニウム粒子製造装置によれば、窒化の過程で発生するガスが断熱性ケースからアプリケーター外へと速やかに排出されるので、窒化の過程で発生するガスに含まれた不純物ガスが断熱性ケースの外側表面で固化・付着し難くなり、付着箇所での意図しないマイクロ波吸収による加熱が発生することを防止でき、かくして、断熱性ケースの溶損や窒化効率の低下を抑制できる。

本発明の球状窒化アルミニウム粒子製造装置の一態様の断面模式図である。 本発明の球状窒化アルミニウム粒子製造装置の他の態様の断面模式図である。 本発明における断熱性ケースの他の態様の断面模式図である。 本発明における断熱性ケースのさらに他の態様の断面模式図である。

本発明において、球状窒化アルミニウム粒子とは、主に、フィラーとしての性能を確保するために球状アルミナ粒子の表面近傍を窒化することで改質し、球状アルミナ粒子の表面を窒化アルミニウムとなしたものをいうが、それ以外にも、窒化反応が進み、球状アルミナ粒子全体が、球状窒化アルミニウムと化したものも含んでいる。

図１は、本発明の球状窒化アルミニウム粒子製造装置の一態様の断面模式図である。球状窒化アルミニウム粒子製造装置１は、アプリケーター（加熱炉）２と、マイクロ波発振器３とを備える。アプリケーター２には、アプリケーター２内の電磁界分布を均一化するためのスターラー５と、被加熱体が載置される載置台７とが内部に設けられており、マイクロ波発振器３からのマイクロ波を当該アプリケーター２内へと導く導波路４が側壁の所定位置に設けられている。

本発明の球状窒化アルミニウム粒子製造装置１は、アプリケーター２内の載置台７上に、球状アルミナ粒子と炭素系材料粉体とを含む混合物６（以下「混合物６」という場合がある）を収容するための、非密閉性の断熱性ケース８を備える。ここで「非密閉性」とは、断熱性ケース８において窒素ガス等の気体の出入りが可能であることを意味する。ここで、アプリケーター２には、窒素ガス供給管１１が側壁の所定位置に設けられているが、窒素ガス供給管１１は断熱性ケース８の内側にまで挿入されている必要はなく、窒化ガスを吐出する供給口がアプリケーター２内の任意の箇所に備えられる。これによりアプリケーター２内全体を反応に必要な窒素ガスで満たすことができる。窒素ガス供給管１１は、図示しないボンベ等の窒素ガス貯留部と接続されており、当該窒素ガス貯留部内の窒素ガスをアプリケーター２内に供給する。

本態様では、断熱性ケース８は所定の厚みの断熱ボード又は断熱ファイバーからなる多層構造体であり、原料アルミナの窒化に必要な窒素ガスは断熱ボード自体の孔や、断熱ボード間の隙間又は断熱ファイバーの間を通って、断熱性ケース８内へと入り、及び断熱性ケース８から出ることができる。混合物６は、断熱性ケース８の底板上に直接置いてもよいが、好ましくは、混合物６を、例えばマイクロ波透過性の高純度アルミナ、高純度シリカ、高純度マグネシア、トリジマイト、サイアロン、窒化アルミニウム等からなるこう鉢１４、坩堝、又は皿等の容器に入れる。断熱性ケース８はマイクロ波透過性の繊維状のアルミナ、シリカ、及びムライトの少なくも一種を含む断熱材から形成することができる。

アプリケーター２には排気管１２が設けられている。排気管１２は、混合物６と断熱性ケース８の天板部との間の空間に、吸気口を配置しており、当該空間から断熱性ケース８の側面を貫通してアプリケーター２の外側へと延びる。排気管１２は、断熱性ケース８内で発生される、炭素系材料粉体中の不純物による熱分解ガス（不純物ガス）を、吸気口を介してアプリケーター２の外側へと排出する。これにより球状窒化アルミニウム粒子製造装置１では、窒化の過程で発生するガスに含まれた不純物ガスが断熱性ケース８の外側表面まで到達する前に不純物ガスを当該断熱性ケース８内からアプリケーター２外へと排出できることから、不純物ガスが断熱性ケース８の外側表面で固化・付着し難くなり、付着箇所での意図しないマイクロ波吸収による加熱が発生することを防止できる。かくして、球状窒化アルミニウム粒子製造装置１では、断熱性ケース８の溶損や窒化効率の低下を抑制できる。この際、窒化反応により生成される一酸化炭素ガスも反応系外へと排出されるので、窒化反応が促進される。

また、排気管１２には、出口に排気ポンプ１３が接続されている。排気ポンプ１３は、断熱性ケース８内における空間内の気体を、排気管１２を介して排出し、断熱性ケース８内を当該断熱性ケース８外よりも負圧に維持し得る。これにより、排気ポンプ１３は、断熱性ケース８内において窒化の過程で発生するガスが、断熱性ケース８内から排出されることを促すと共に、窒素ガスの断熱性ケース８内への流入を促す。なお、図１では、窒素ガス供給管１１により窒素ガスが混合物６の上側から供給される構成としたが、窒素ガス供給管１１の供給口の位置についてはこれに限定されず、例えば窒素ガス供給管により混合物６の下側から窒素ガスを供給するようにしてもよい。なお、窒素ガス供給管１１及び排気管１２は、例えばアルミナ等のマイクロ波透過性の材料で構成することができる。

なお、この実施の形態の場合、断熱性ケース８及びこう鉢１４は、内部の混合物６の温度を監視するために、天板部に測温用の開口１５を有している。また、アプリケーター２の天板部には、所定位置に石英等でなる赤外線透過性の窓部９が設けられており、窓部９の外側に表面温度計１０が設けられている。表面温度計１０は、混合物６から射出される赤外線を、開口１５及び窓部９を介して検出し、混合物６の表面温度へと換算する。表面温度計１０にて測定した混合物６の表面温度は、アルミナ粒子の窒化の度合いの指標となり得る。

次に、他の実施の形態による球状窒化アルミニウム粒子製造装置について以下説明する。図１との対応部分に同一符号を付した図２は本発明の球状窒化アルミニウム粒子製造装置の他の態様の断面模式図である。この球状窒化アルミニウム粒子製造装置２１は、排気管２６が第一の管２４及び第二の管２２から構成されている点と、該第一の管２４が、原料を充填する断熱性ケース８の所定位置からアプリケーター２に設けられた窓部９まで連通し、表面温度測定用の管を兼ねる構造となっている点とにおいて、上述した図１における球状窒化アルミニウム粒子製造装置１と相違している。

排気管２６を構成する第一の管２４は、こう鉢１４及び断熱性ケース８の天板部に形成された開口２５と一体化しており、当該開口２５から、アプリケーター２の天板部に向けて直線的に延び、端部がアプリケーター２内の所定位置に配置されている。第一の管２４の途中には、第一の管２４と連通し、かつ第一の管２４の長手方向とは異なる方向に向けてアプリケーター２の外側へと延びた第二の管２２が設けられている。なお、この実施の形態の場合では、断熱性ケース８の天板部に形成された開口２５からアプリケーター２の天板部に向けて鉛直に第一の管２４が延びており、当該第一の管２４の側壁からアプリケーター２の側壁に向けて第二の管２２が延び、アプリケーター２の側壁を第二の管２２が貫通するように設けられている。

第二の管２２は、出口に排気ポンプ１３が設けられており、当該排気ポンプ１３によって第二の管２２内の気体が排出され得る。これにより、断熱性ケース８内における空間内の気体は、第一の管２４から第二の管２２を経由してアプリケーター２外へと排出され得る。第一の管２４は、アプリケーター２の天板部に窓部９を設定するための窓設置部まで端部が到達しており、上部がアプリケーター２の天板部における窓設置部と一体形成されており、窒化の過程で断熱性ケース８内において発生したガスが第一の管２４から漏れ出ることなく、第二の管２２へと誘導し得る。

ここで、第一の管２４は、断熱性ケース８内における混合物６の表面から窓部９までを直線的に結ぶように配置されていることから、窓部９の外側に設けられた表面温度計１０によって、混合物６から射出される赤外線を、窓部９、第一の管２４を介して検出し得る。

以上の構成において、この球状窒化アルミニウム粒子製造装置２１でも、窒化の過程で発生するガスに含まれた不純物ガスが断熱性ケース８の外側表面まで到達する前に、排気管２６により不純物ガスを当該断熱性ケース８内からアプリケーター２外へと排出できることから、不純物ガスが断熱性ケース８の外側表面で固化・付着し難くなり、付着箇所での意図しないマイクロ波吸収による加熱が発生することを防止できる。かくして、球状窒化アルミニウム粒子製造装置２１でも、断熱性ケース８の溶損や窒化効率の低下を抑制できる。

また、球状窒化アルミニウム粒子製造装置２１では、断熱性ケース８の開口２５に第一の管２４を設け、当該第一の管２４から第二の管２２を介して、断熱性ケース８内で発生したガスを排気するようにしたことにより、図１に示すように、第一の管２４を設けずに断熱性ケース８の開口がアプリケーター２内と連通している場合に比べて、断熱性ケース８内で発生したガスを排気管２６によって確実に排気させることができる。

さらに、球状窒化アルミニウム粒子製造装置２１では、第二の管２２を介して第一の管２４内の気体も排気することから、第一の管２４の末端に配置された窓部９からのガス漏れも防止できる。

因みに、第二の管２２が第一の管２４から分岐する位置は、断熱性ケース８の天板部からアプリケーター２の天板部までの間であれば種々の位置としてよい。なお、第一の管２４、第二の管２２はアルミナ等のマイクロ波透過性の材料で構成することができる。第一の管２４の内側にアルミニウムを蒸着する等して赤外線の反射率を高めてもよい。また、本態様では、第二の管２２が第一の管２４に対して垂直に配置されているが、これに限定されず所望の角度であってよい。

次に、他の実施の形態による断熱性ケースについて以下説明する。図３は、図１及び図２に示す断熱性ケース８とは異なる態様の断熱性ケースの断面模式図である。断熱性ケース３８は、混合物６を保持するための保持板３９を、断熱性ケース３８の底板から所定の高さの位置に備えている。保持板３９は、多孔質等の窒素ガスを透過（通過）させる構造となっており、マイクロ波を吸収しづらい、アルミナ、シリカ、サイアロン、トリジマイト、マグネシア、窒化アルミニウム等の耐熱性セラミック素材から形成されている。なお、断熱性ケース３８には、図示ない蓋部により内部の保持板３９を外部に露出可能の構成されており、当該保持板３９上に混合物６を保持し得る。

断熱性ケース３８には、保持板３９と底板との間の側壁に一の窒素ガス供給管１１ａが設けられており、保持板３９と底板との間の下側空間ＥＲ１に一の窒素ガス供給管１１ａによって窒化ガスが供給され得る。また、断熱性ケース３８には、天板部と混合物６との間の側壁に、他の窒素ガス供給管１１ｂと排気管１２とが設けられている。これにより、他の窒素ガス供給管１１ｂは、天板部と混合物６との間の上側空間ＥＲ２に窒化ガスを供給し、排気管１２は、天板部と混合物６との間の上側空間ＥＲ２内のガスを排気し得る。

なお、上述した実施の形態においては、一の窒素ガス供給管１１ａ及び他の窒素ガス供給管１１ｂの２つを設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、一の窒素ガス供給管１１ａ及び他の窒素ガス供給管１１ｂのいずれか一方のみを設けるようにしてもよい。ここで、下側空間ＥＲ１に窒素ガス供給管１１ａを設け、上側空間ＥＲ２に排気管１２を設けた場合（即ち、他の窒素ガス供給管１１ｂを設けない場合）には、下側空間ＥＲ１、保持板３９、混合物６、上側空間ＥＲ２、及び排気管１２に向けて流れる気流を形成できることから、混合物６において窒化反応を促進させることができるとともに、供給管が設けられた側に対し、混合物６の反対側に窒素ガスが到達しにくいという問題を解決し、工業的に一定以上の分量の窒化アルミニウムを焼成するプロセスにおける焼成ムラを抑制することが可能となる。特に、この実施の形態の場合、断熱材ケース３８には、下側空間ＥＲ１における一の側壁に窒素ガス供給管１１ａを設け、上側空間ＥＲ２において当該一側壁と対向する他の側壁に排気管１２を設け、窒素ガス供給管１１ａと排気管１２とを対向するように配置したことにより、一の側壁側から他の側壁側に向けて窒化ガスを流すことができ、混合物６全体の窒化反応を促進させるこができる。

保持板３９を備える位置は、混合物６の量に応じて、断熱性ケース３８の底板と天板部との間であれば任意の位置であってよい。また、保持板３９は断熱性ケース３８の側面に固定されている必要はなく、混合物６の量に応じて、可動式としてもよい。或いは、保持板３９に複数の脚部を付して、自立性の台として構成してもよい。断熱性ケース３８は、例えば前記のマイクロ波を吸収しづらいアルミナ等の耐熱性セラミック材料から構成することができる。

以上の構成においても、上述した実施の形態と同様に、排気管１２により不純物ガスを断熱性ケース３８内からアプリケーター２外へと排出できることから、不純物ガスが断熱性ケース３８の外側表面で固化し難くなり、その分、断熱性ケース３８の溶損や窒化効率の低下を抑制できる。

次に、図３に示した断熱性ケース３８とは構成が異なる他の実施の形態による断熱性ケースについて以下説明する。図４は、断熱性ケースの他の態様の断面模式図であり、窒素ガス等の気体の出入りが可能な複数の開口４８ｄを備える断熱性ケース４８の一例を示す。断熱性ケース４８は、蓋部４８ａと本体部４８ｂとを備え、蓋部４８ａと本体部４８ｂとの境界に沿って開口４８ｄが形成されている。

この実施の形態の場合、蓋部４８ａは、本体部４８ｂの縁部と接する縁部４８ｃに凹部が形成された構成を有しており、当該凹部に対して、本体部４８ｂの縁部が接することで本体部４８ｂとの境界に開口４８ｄを形成し得る。因みに、排気管１２は、図３の態様と同様に、断熱性ケース４８内における図示しない混合物６の上側に備えられる。図４では、蓋部４８ａの縁部４８ｃに開口４８ｄを形成する凹部を形成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、本体部４８ｂの縁部に開口４８ｄを形成する凹部を形成してもよい。また、開口４８ｄを形成する形状としては、凹部と凸部が交互に規則的に配置されている必要はなく、凹部や凸部が不規則に配置された構成であってもよい。また、開口４８ｄは四辺状でなくてもよく、円形等のその他種々の形状であってもよく、さらに、開口４８ｄとして、蓋部４８ａ及び／又は本体部４８ｂの側壁に貫通孔を設けてもよい。更に、開口４８ｄは図３の上部空間ＥＲ２に接する側面に設けてもよく、又は、図３の下部空間ＥＲ１に接する側面に設けても良い。

本態様においても、断熱性ケース４８は、例えば前記のマイクロ波を吸収しづらいアルミナ等の耐火性セラミック材料から構成することができる。

以上の構成においても、上述した実施の形態と同様に、排気管１２により不純物ガスを断熱性ケース４８内からアプリケーター２外へと排出できることから、不純物ガスが断熱性ケース４８の外側表面で固化し難くなり、その分、断熱性ケース４８の溶損や窒化効率の低下を抑制できる。

因みに、上述した各実施の形態においては、断熱性ケース３８、４８（蓋部４８ａ及び本体部４８ｂ）も、アルミナ、シリカ、及びムライトの少なくも一種を含む断熱材から形成することができる。図４の態様においても、断熱性ケース４８を多孔質体で構成することによって、窒素ガスの取り込み効率がさらに向上される。なお、他の実施の形態としては、例えば、図４に示すような開口４８ｄを、図３に示した断熱性ケース３８に設けてもよく、図１〜図４の構成を適宜選択的に組み合わせた構成としてもよい。また、図３及び図４における排気管１２にも排気ポンプ１３が設けられている。

本発明において、球状窒化アルミニウム粒子を得るために用いる球状アルミナ粒子は真球状又は略真球状であればよい。球状アルミナ粒子は、例えば、レーザ粒度分布測定機（CILAS製CILAS-920）を用いて質量基準で求めた５０質量％平均粒子径（Ｄ５０）で５〜１５０μｍであることが望ましい。これは、製造した球状窒化アルミニウム粒子を樹脂と混合し、フィラーとした場合に必要な熱伝導特性を得やすい粒子径であることによる。

球状アルミナ粒子は、アルミナ粉末を球状に造粒することにより得られたものを使うことができる。球状アルミナ粉末は、例えばアルコキシド法、バイヤー法、アンモニウム明ばん熱分解法、又はアンモニウムドーソナイト熱分解法等によって得ることができる。造粒法としては、湿式撹拌造粒法、スプレードライ法等があるが、好ましくはスプレードライ法により造粒した粒子が使用される。スプレードライ法としては、ノズル法、ディスク法等の何れの方式であってもよい。

炭素系材料粉末としては、例えば黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、無定形炭素等の粉末が挙げられ、天然由来であっても工業的に製造されたものであってもよい。好ましくは製造後の窒化アルミニウムの絶縁性能に影響を与えないために、金属含有率が１質量％以下、好ましくは金属含有率が０．１質量％以下であるものが望ましい。炭素系粉末は混合原料である球状アルミナ粒子を被覆するように存在することが望ましく、球状アルミナ粒子の上記平均径以下の平均粒径を有することがより望ましい。

球状アルミナ粒子と炭素系材料粉体とを含む混合物は、球状アルミナ粒子と炭素系材料粉体を乾式でボールミル等により混合することで調製することができる。混合の際に、例えば水、アルコール等の液状分散媒を加えてもよいが、乾燥する手間がかかるので、好ましくは乾式で混合する。混合比は、下記反応式に基づくＡｌ_２Ｏ_３／３Ｃ化学量論比の０．５倍以下程度であることが望ましい。
Ａｌ_２Ｏ_３ ＋ ３Ｃ ＋Ｎ_２ → ２ＡｌＮ ＋３ＣＯ

１、２１ 球状窒化アルミニウム粒子製造装置
２ アプリケーター（加熱炉）
３ マイクロ波発振器
４ 導波路
５ スターラー
６ 球状アルミナ粒子と炭素系材料粉体とを含む混合物
７ 載置台
８、３８、４８ 断熱性ケース
９ 窓部
１２、２６ 排気管
１３ 排気ポンプ
２２ 第二の管
２４ 第一の管
３９ 保持板

Claims (9)

1. マイクロ波発振器を備えるアプリケーター内で、球状アルミナ粒子と炭素系材料粉末とを含む混合物を、窒素雰囲気でマイクロ波を照射して、該球状アルミナ粒子の少なくとも一部を窒化して球状窒化アルミニウム粒子を製造する、球状窒化アルミニウム粒子製造装置であって、
   前記アプリケーター内に設けられて前記球状アルミナ粒子と炭素系材料粉末とを含む混合物を収容する、非密閉性の断熱性ケースと、
   前記混合物と前記断熱性ケースの間の空間から前記アプリケーターの外側へと延びるように設けられており、前記球状窒化アルミニウム粒子の製造時における窒化反応の過程で生じる気体を該断熱性ケースの内側から該アプリケーターの外側へと排出する排気管と、
   を備えることを特徴とする、球状窒化アルミニウム粒子製造装置。
2. 前記排気管の出口に接続された排気ポンプを備えることを特徴とする、請求項１記載の球状窒化アルミニウム粒子製造装置。
3. 前記排気管は、前記断熱性ケースの天板部に形成された開口から前記アプリケーターの天板部に向けて延びる第一の管と、該第一の管と連通し、前記アプリケーターの外側へと延びる第二の管とを備え、
   前記第一の管は、前記アプリケーターの天板部に設けられた窓部と連通することを特徴とする、請求項１又は２記載の球状窒化アルミニウム粒子製造装置。
4. 窒素ガス供給管が、前記断熱性ケースの内側まで延びていることを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか１項記載の球状窒化アルミニウム粒子製造装置。
5. 前記断熱性ケースには、前記窒素ガス供給管の供給口が前記混合物の下側に配置されていることを特徴とする、請求項４記載の球状窒化アルミニウム粒子製造装置。
6. 前記断熱性ケースが、前記混合物を保持するための保持板を備え、
   前記保持板が窒素ガスを透過させる構造からなり、
   前記窒素ガス供給管の供給口が該保持板の下側に配置されることを特徴とする、請求項５記載の球状窒化アルミニウム粒子製造装置。
7. 前記断熱性ケースには、該断熱性ケース内への気体の出入りが可能な複数の開口を備えることを特徴とする、請求項１〜６のうちのいずれか１項記載の球状窒化アルミニウム粒子製造装置。
8. 前記断熱性ケースが、アルミナ、シリカ、及びムライトの少なくとも一種を含む断熱材からなることを特徴とする、請求項１〜７のうちのいずれか１項記載の球状窒化アルミニウム粒子製造装置。
9. 前記排気ポンプは、前記断熱性ケース内における空間内の気体を、前記排気管を通して排出し、前記断熱性ケース内を当該断熱性ケース外よりも負圧に維持しうることを特徴とする、請求項２記載の球状窒化アルミニウム粒子製造装置。
   

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