JPH02102109A - 窒化アルミニウム粉末およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はタップ密度が高く、凝集粒が少なく、粒径分布
のシャープな成形性に優れた窒化アルミニウム粉末およ
びその製造方法に関するものである。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕ＩＣパ
ッケージ、基板材料には従来よりアルミナが用いられて
いるが、ＬＳＩ等の高集積化、高速化、高出力化に伴い
、チップの発熱を効率よく系外に逃がす必要性が高まり
、アルミナよりも熱伝導性が良く、放熱性に優れた材料
が要望されている。

窒化アルミニウムは高い熱伝導性を有すると共に絶縁抵
抗、絶縁耐圧、誘電率等の電気的特性および強度等の機
械的特性に優れており、放熱性に優れたパッケージ、基
板材料として注目されている材料である。

窒化アルミニウム粉末の製造方法としては（１）金属ア
ルミニウム粉末を窒素を含む雰囲気中で加熱して窒化す
る直接窒化法、（２）アルミナもしくはアルミナ水和物
とカーボンとの混合物を窒素を含む雰囲気中で加熱する
還元窒化法の二つが従来から知られている。前者の方法
で得られる窒化アルミニウム粉末はタップ密度の大きい
成形しやすい粉末であるが、鉄等の陽イオン不純物が比
較的多く含まれており、高熱伝導の焼結体を得るには必
ずしも満足できるものではない。それ故、高熱伝導性基
板を得るための粉末としては後者の還元窒化法によって
合成された窒化アルミニウム粉末が有力視されている。

しかし、還元窒化法で得られる窒化アルミニウム粉末は
酸素や鉄等の陽イオン不純物が少ないという長所を有す
る反面、タップ密度が小さく成形しにくいという欠点を
有している。

窒化アルミニウム粉末がカサ高く、そのタップ密度が小
さいと、溶媒への分散がしづらく、かつ成形時に高い成
形体密度が得られ難いという課題が生しる。実際、還元
窒化法で得られた粉末は直接窒化法で得られた粉末に比
べて成形性の点で劣るということが指摘されている。

本発明は還元窒化法で得られる粉末の欠点を解決しよう
とするものであり、その目的とするところは酸素含有量
、陽イオン不純物量が少なく、かつタップ密度が高く、
凝集粒が少ない粒径分布のシャープな成形性に優れた窒
化アルミニウム粉末およびその製造方法を提供すること
にある。

〔課題を解決するためΦ手段〕

すなわち本発明はアルミナとカーボンの混合物を窒素を
含む雰囲気中で加熱反応させて得られた窒化アルミニウ
ム粉末において、酸素２，０重量％以下、鉄２０ＰＰｍ
以下、珪素１１００ｐｐ以下およびチタン２０ｐｐｍ以
下を含有する窒化アルミニウム粉末であって、タップ密
度が１．Ｏｇ／　ｃｍ　３以上からなる窒化アルミニウ
ム粉末を提供するものである。

また本発明はアルミナ粉末とカーボン粉末の混合物を窒
素を含む雰囲気中で加熱して得られた反応生成物を粉砕
した後、余剰のカーボンむ）末を空気中で燃焼除去する
ことを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方法を提
供するものである。

さらに本発明はアルミナ粉末とカーボン粉末の混合物を
窒素を含む雰囲気中で加熱反応させた後、余剰のカーボ
ン粉末を空気中で燃焼除去して得られた窒化アルミニウ
ム粉末をｔ５）砕することを特徴とする窒化アルミニウ
ム粉末の製造方法を提供するものである。

以下、本発明の窒化アルミニウム粉末について詳述する
。

原料わ）束中に含まれる酸素、鉄、珪素およびチタンは
、その原料粉末を用いて得られる焼結体の熱伝導度を低
下させることが知られている。その傾向はこれら不純物
の含有量が増えるほど大きくなる。従って、酸化イツト
リウムを焼結助剤とした焼結において１８０Ｗ／ｍＫ以
上の高熱伝導度を安定して得るためには、一定限度以上
の上記不純物を含まない原料粉末が要求される。還元窒
化法においてはこのような酸素２．０重量％以下、鉄２
０ｐｐｍ以下、珪素１１００ｐｐ以下およびチタン２０
ｐｐｍ以下を含有する高純度の粉末の合成は容易である
。しかし、還元窒化法ではせいぜいタップ密度が０．８
ｇ／ｃｍ３程度の粉末しか得られていなかった。本発明
はこのような高純度の粉末であって、かつ１．Ｏｇ／ｃ
ｍ’以上のタップ密度を有する窒化アルミニウム粉末を
提供するものである。タップ密度の小さい粉末では成形
する際にしまりが悪く、高い成形体密度の成形体が得ら
れにりく、焼結時の収縮率が大きくなり寸法精度の良い
焼結体が得られにくい。また、ゴム、樹脂等の高分子材
料等に窒化アルミニウム粉末を高熱伝導性フィラーとし
て添加する際にも、充填性が劣るという課題がある。特
に１．０ｇ／ｃｎ＋”未満ではその粉末を収納する際も
２０Ｉ！容器に２０ｋｇを収納することが出来ず、特製
の容器が必要になる。

次に本発明の製造方法について詳述する。

本発明はまず還元窒化法によりアルミナ＄５）末とカー
ボン粉末の混合物を窒素を含む雰囲気中、１５００−１
７００°Ｃで２〜１０時間反応させて窒化アルミニウム
粉末を合成する。

原料アルミナ粉末は大量に製造販売されているバイヤー
法で製造されたものを始めとして、各種の方法で製造さ
れているものを用いることができるが、還元窒化反応時
に揮散しにくい珪素、チタン等の金属不純物の含量の少
ないアルミナ粉末を用いることが好ましい、アルミナ粉
末は微粉のものを用いることが好ましい。

また、原料カーボン粉末はできるだけ高純度で微粉のも
のを用いることが好ましい、より好ましくはカーボン粉
末は一次粒子径が１μｍ以下、灰分０，３重量％以下の
粉末が使用される。このようなカーボン粉末としてはア
セチレンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブ
ラック等が挙げられる。この中でもより高純度という点
でアセチレンブラックが好ましい。また取り扱いの点か
ら分散が容易であれば、０．３〜１．５＋ｎｍに造粒し
た粒状のものや、プレス圧縮した粉状のものを用いるの
が有利である。

アルミナ粉末とカーボン粉末を混合分散する方法として
は超音波分散法等の一般的な方法やボールミル、パーテ
ィカルグラニユレータ−等の各種混合機を用いることが
できる。またこれらの原料と直接接触する装置の部品は
金属不純物が混入しないような材料から構成されたもの
を使用することが望ましい、そのような材料としてポリ
エチレン、ナイロン、ウレタン等の合成樹脂、天然ある
いは合成ゴムおよびアルミナ製、窒化アルミニウム類の
もの、またはこれらの材料で内張りあるいはコーティン
グされたものを用いることが望ましい。

混合物の乾燥方法としては通常の工業的方法を用いるこ
とができるが、混合時のスラリー粘度が低く乾燥時にア
ルミナ粉末とカーボン粉末の分離等が生じる恐れのある
ときは、スプレードライ、凍結乾燥、ロータリーエバポ
レーター等の方法を用いるのが好ましい、また、必要に
応じて混合や乾燥と共に２０μｍ〜３ｍ程度の大きさの
粒子に造粒することもでき、造粒すると以後の取り扱い
がよりたやすくなるという利点がある。

還元窒化反応を完結しやすくするため、通常アルミナ粉
末に対し反応当量以上のカーボン粉末が用いられる。ア
ルミナ粉末とカーボン粉末の混合比率はカーボン／アル
ミナのモル比で３〜１０の範囲が好ましい、該モル比が
３未満のときは未反応のアルミナが残存し、一方１０よ
り大きいときは後工程でカーボンを除去することが困難
となり、また経済的にも好ましくない、従って還元窒化
反応で得られた反応生成物は通常窒化アルミニウム粉末
と余剰のカーボン粉末との混合物であり、これを空気中
または乾燥空気中で６００〜７５０℃に加熱し、余剰の
カーボンを燃焼除去して窒化アルミニウム粉末を得てい
る。

しかし、このような工程で得られた窒化アルミニウム粉
末は通常少量の凝集粒を含有し、かつタップ密度の低い
粉末である。

本発明の製造方法は上記還元窒化反応により得られた窒
化アルミニウム粉末と余剰のカーボン粉末との混合物を
粉砕した後、これを空気中で６００〜７５０°Ｃに加熱
し、余剰のカーボンを燃焼除去して凝集粒の少ないタッ
プ密度の大きい窒化アルミニウム粉末を得たものである
。

また、本発明の別の製造方法は上記還元窒化反応により
得られた窒化アルミニウム粉末と余剰のカーボン粉末と
の混合物を空気中で６００〜７５０℃に加熱し、余剰の
カーボンを燃焼除去して得られた窒化アルミニウム粉末
を粉砕することにより凝集粒の少ないタップ密度の大き
い窒化アルミニウム粉末を得たものである。

上記の二つの製造方法における粉砕方法としてはボール
ミル、振動ミル、ジェットミル等の通常の粉砕機を用い
ればよい、しかし、窒化アルミニウム粉末は加水分解さ
れやすく、粉砕の課程で酸素含有量が増加する傾向があ
る。また、粉砕によりＢＥＴ比表面積が大きくなったり
、ｌｕｍ未満の微粉末含量が増加すると窒化アルミニウ
ム粉末の表面が酸化されやすくなり、その結果酸素含量
が増加する。従って、粉砕はＢＥＴ比表面積が６Ｍ以上
にならないように行い、１μｍ未満の微粉末含量が５０
％以下、好ましくは３０％以下とする。

また、粉砕の操作は乾燥空気中、または乾燥窒素ガス中
で、出来るだけ短時間で行うことが好ましい。通常はメ
タノール、オレイン酸、ラウリン酸、ステアリン酸カル
シウム、アリールアルキルスルフォン酸等の粉砕助剤を
適当量添加して粉砕効率を高め、乾燥空気中、もしくは
乾燥窒素ガス中で短時間に粉砕を行うことが好ましい。

さらに粉砕機および粉砕媒体の材質によっては鉄、珪素
等の金属不純物による汚染が生しることがあるので、そ
の材質としては窒化アルミニウム、アルミナあるいはブ
ラスチンク、ゴム等でライニングまたはコーティングさ
れたものを用いることが好ましい。

〔発明の効果〕

本発明で得られた窒化アルミニウムわ〕末は酸素、鉄、
珪素、およびチタンの含有量が少なく凝集粒を殆ど含ま
ないタップ密度の大きい、成形性に優れた粉末であり、
これを用いることにより焼結時の収縮率を小さくでき、
かつ殆ど気孔を含まない高密度で熱伝導性に優れた焼結
体を容易に得ることができ、熱伝導性に優れた窒化アル
ミニウム焼結体製造用原料として有用なものである。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発
明はこれらにより限定されるものではない。

実施例１ 純度９９．９χ、セディグラフによる中心粒径０．７μ
ｍ、１μｍ以下８０χの低ソーダアルミナ粉末３０６ｇ
と灰分０．００５χのアセチレンブラック１００χプレ
ス品２１６ｇおよび硝酸アルミニウム［ＡＩ（ＮＯｌ）
、・９■２０コ１１．３ｇ　、ポリエチレングリコール
５゜２ｇおよびポリオキシエチレンアルキルフェニルエ
ーテルからなるノニオン系界面活性剤（第一工業薬品■
製ノイゲンＥＡ１３７）　１５．１ｇを溶解したイオン
交換水２６００ｇを、直径１５ｍ＋ａのナイロンボール
６００個と共にポリエチレン製のポットに入れ４０「門
の回転速度で１０時時間式混合を行った。

このようにして得られた混合スラリーを乾燥器で乾燥さ
せた後、その５００ｇをグラファイト製トレイに採取し
、電気炉を用いて２００ｃｍ／ｆｆ１ｉｎ、の速度で窒
素ガスを流しながら１５８０°Ｃで７時間加熱し、還元
窒化反応を行った。次いでこの反応生成物１５０ｇを２
１！、ポリエチレン製ポットにとり直径１５閤のアルミ
ナ製ポール２．５ｋｇとラウリン酸１．５ｇを加え、窒
素ガスでポット内を十分置換した後、６０「１ｍの回転
速度で３時間乾式ボールミル粉砕を行った。

さらにこの粉砕物を乾燥空気中にて７００°Ｃで３時間
加熱して余剰カーボンを燃焼除去して窒化アルミニウム
粉末を得た。この窒化アルミニウム粉末の諸物性を第１
表に示す。この粉末は凝集粒の殆どない粒径分布のシャ
ープな高純度ダ粉末であった。

なお、酸素の測定はインパルス加熱−赤外線吸収法（Ｌ
ＥＣＯ社ＴＣ−４３６型酸素窒素同時分析装置）、金属
イオンの測定はＩＣｒ’発光分光法（島津製作所カント
レットＧＱＭ−７５）　、粒径分布の測定はセディグラ
フ（Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉ　ｔｉｃｓ社５ｅｄｉ　Ｇｒａ
ｐｈ　５０００ＥＴ）、カサ密度およびタップ密度の測
定はＪＩＳ　１１−１９０２に基づきそれぞれ行った。

また以後の実施例および比較例の各々の測定も同様とし
た。

この粉末に焼結助剤としてＣａＯ換算１重量％の炭酸カ
ルシウムおよび３重量％の酸化イツトリウムを添加して
、１５００ｋｇ　／　ｃ１１２でプレス成形した後、成
形体を窒化アルミニウムと窒化ホウ素の混合粉末に埋め
、窒素雰囲気中で１８５０°Ｃで３時間常圧で焼結した
。成形体の相対密度は５８．５％と大きく焼結時の収縮
率は１６％と小さい値を示した。また、得られた焼結体
は気孔のない焼結体で、その熱伝導度は２００　Ｈ／ｍ
Ｋと高い値を示した。

なお、熱伝導度の測定はレーザーフラッシュ法（真空理
工↑Ｃ−７０００）に基づき行った。また以後の実施例
および比較例の測定も同様とした。

実施例２ アルミナ原料として純度９９．７χ、中心粒径０．６μ
ｍＳ　１１１ｍ以下８０χのバイヤー法による昔通アル
ミナ粉末を用いた以外は実施例１と同様にして還元窒化
反応を行い、窒化アルミニウム粉末とカーボン粉末とか
ら成る反応生成物を得た。次いでこの反応生成物を乾燥
空気中にて７００°Ｃで３時間加熱して余剰カーボンを
燃焼除去して窒化アルミニウム粉末を得た。この窒化ア
ルミニウム粉末１５０ｇを２１ポリエチレン製ポツトに
とり直径１５ＩＩＩＩ１１のアルミナ製ボール２．５ｋ
ｇとメタノール１．５ｇを加え、乾燥空気でポット内を
十分置換した後、６０ｒｐｍの回転速度で３時間乾式ボ
ールミル扮砕を行った。

この窒化アルミニウム粉末の諸物性を第１表に示す。こ
の粉末は凝集粒の殆どない粒径分布のシャープな高純度
微粉末であった。

得られた粉末を実施例１と同様の方法で成形焼結したと
ころ、成形体の相対密度は５９％と大きく、焼結時の収
縮率は１６％と小さい値を示した。また、７得られた焼
結体の熱伝導度は２０５Ｗ／ｍＫと高い値を示した。

比較例 純度９９．９χ、セディグラフによる中心粒径０．７μ
ｍ、１μｍ以下８０χの低ソーダアルミナ粉末３０６ｇ
と灰分０．００５χのアセチレンブラック１００χプレ
ス品２１６ｇおよび硝酸アルミニウム［＾＋　（Ｎｏｔ
）　ｓ・９１１□Ｏ］　１１１．３ｇポリエチレングリ
コール５．２ｇおよびポリオキシエチレンアルキルフェ
ニルエーテルからなるノニオン系界面活性剤（第一工業
薬品■製ノイゲンＥＡ１３７）　１５．１ｇを熔解した
イオン交換水２６００ｇを、直径１５ＩＩＩＩ１１のナ
イロンボール６００個と共にポリエチレン製のポットに
入れ４０ｒｐｍの回転速度で１０時時間式混合を行った
。

このようにして得られた混合スラリーを乾燥器で乾燥さ
せた後、その５００ｇをグラファイト製トレイに採取し
、電気炉を用いて２００ｃｍ／ｓｉｎ、の速度で窒素ガ
スを流しなから１５８０°Ｃで７時間加熱し、還元窒化
反応を行った。次いでこの反応生成物を乾燥空気中にて
７００’Ｃで３時間加熱して余剰カーボンを燃焼除去し
て窒化アルミニウム粉末を得た。

この窒化アルミニウム粉末の諸物性を第１表に示す、こ
の粉末は凝集粒が若干存在する高純度微粉末であった。

得られた粉末を実施例１と同様の方法で成形焼結したと
ころ、成形体の相対密度は５２％であり、焼結時の収縮
率は２０％と大きく収縮した。また、得られた焼結体の
熱伝導度は１９５Ｗ／ｍＫであった。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）アルミナとカーボンの混合物を窒素を含む雰囲気
   中で加熱反応させて得られた窒化アルミニウム粉末にお
   いて、酸素２．０重量％以下、鉄２０ｐｐｍ以下、珪素
   １００ｐｐｍ以下およびチタン２０ｐｐｍ以下を含有す
   る窒化アルミニウム粉末であって、タップ密度が１．０
   ｇ／ｃｍ＾３以上からなる窒化アルミニウム粉末。
2. （２）アルミナ粉末とカーボン粉末の混合物を窒素を含
   む雰囲気中で加熱して得られた反応生成物を粉砕した後
   、余剰のカーボン粉末を空気中で燃焼除去することを特
   徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方法。
3. （３）アルミナ粉末とカーボン粉末の混合物を窒素を含
   む雰囲気中で加熱反応させた後、余剰のカーボン粉末を
   空気中で燃焼除去して得られた窒化アルミニウム粉末を
   粉砕することを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造
   方法。