JPH03137009A - 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、窒化アルミニウム粉末およびその製造方法に
関し、詳しくは、高純度且つ均一粒子径を存し、高密度
、高熱伝導性の焼結体を製造しうる窒化アルミニウム粉
末およびその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、電子材料の高集積化、高出力化に伴い、これまで
使用されてきたアルミナ基板に代わる高放熱性（高熱伝
導性）基板に対するニーズが高まりつつある。ベリリア
、ベリリアを焼結助剤とする炭化珪素、窒化アルミニウ
ム等は上記ニーズに適合する材料と言われている。とり
わけ窒化アルミニウムは、低毒性、高絶縁性等の特徴を
有するため高熱伝導性基板材料として最も注目を集めて
いる。

このような窒化アルミニウム基板製造に用いられる窒化
アルミニウム粉末の製造方法としては以下のような方法
が知られている。

（ａ）　　金属アルミニウムを窒素またはアンモニア雰
囲気中で加熱する方法 ｆｂ）　　アルミナ粉末とカーボン粉末とを混合し、窒
素またはアンモニア雰囲気中で加熱する方法（Ｃ）　　
有機アルミニウム化合物とアミン類との反応生成物を加
熱処理する方法 （ｄｌ　　塩化アルミニウムもしくは臭化アルミニウム
ガスのいずれかまたは両者の混合ガスとアンモニアガス
とを気相反応させる方法 （ａ）の方法で得られる窒化アルミニウム粉末は凝集、
固結が著しく、そのままでは焼結用原料粉末としての使
用が困難である。

（ｂｌの方法では、原料であるアルミナの粒径や不純物
の影響がそのまま生成物の性質に反映されるため高純度
、微細な原料アルミナの使用が不可欠である。

（Ｃ）の方法では、生成物中に炭素が残留しやすい。

（（１）の方法では、副生ずるハロゲン化水素ガスによ
る製造装置の腐食、廃ガスの処理等の問題が残されてい
る。

上記（ｄ）の方法の問題点を解決するため、有機アルミ
ニウム化合物とアンモニアガスとを気相反応させて窒化
アルミニウム粉末を製造する方法も、例えば、特開昭６
３−６０１０２号に述べられている。この方法によれば
平均粒径０．０５μｍという非常に微細な粉末を得るこ
とができるが、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を低
下させると言われている酸素の含有量が多くなるという
欠点がある。更に、このような微細粉末は焼結途中で粒
成長しやすいため焼結工程の管理が難しいという実用面
での問題点も残っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、高密度、高熱伝導性の焼結体の製造に
適した窒化アルミニウム粉末およびその製造方法を提供
することである。

〔課題を解決するための手段］ 本発明者等は、上記ａ！題を解決するために鋭意研究し
た結果、有機アルミニウム化合物とアンモニアとの気相
反応で得られる窒化アルミニウム粉末のクリスタリソト
サイズを特定の範囲に制御した粉末が高密度、高熱伝導
性窒化アルミニウム焼結体製造用原料粉末として有効で
あることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、熱伝導性焼結体原料用窒化アルミ
ニウム粉末であって、該粉末のクリスタリットサイズが
４００Å以上、２０００　Ａ以下であることを特徴とす
る窒化アルミニウム粉末であり、更に、このような窒化
アルミニウム粉末を製造する方法であって、有機アルミ
ニウム化合物とアンモニアとを気相反応させること、上
記工程を経た後還元性及び／又は不活性ガス雲囲気中で
熱処理すること、または該熱処理工程後熱処理粉末を解
砕することのいずれかの方法によって窒化アルミニウム
粉末のクリスタリットサイズを４００Å以上、２０００
Å以下にすることを特徴とする窒化アルミニウム粉末の
製造方法である。

本発明における有機アルミニウム化合物としては、トリ
アルキルアルミニウム及びジアルキルアルミニウムハラ
イドが使用できる。具体的にはトリメチルアルミニウム
、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウ
ム、ジメチルアルミニウムハライド、ジエチルアルミニ
ウムハライド、ジイソブチルアルミニウムハライド等が
挙げられる。これらの有機アルミニウム化合物はガス状
または液状で反応器に供給される。液状で供給した場合
には、該化合物の蒸発潜熱のために反応の安定性が疎外
されることがあり、従ってガス状で供給することが好ま
しい。ガス状で供給する方法としては、有機アルミニウ
ム化合物を加熱気化させる方法、窒素、水素、アルゴン
、ヘリウム等の非酸化性ガスに同伴させて供給する方法
等が用いられる。

本発明において気相反応に用いられる反応器は特に限定
されるものではなく、一般に気相反応に使用される縦型
または横型の管状反応器が使用できる。

反応器に供給されるアンモニアの世は有機アルミニウム
に対してモル比で１以上あればよい。上限は特に限定し
ないが、実施例に示すようにこのモル比は生成する窒化
アルミニウム粉末の粒径またはクリスタリソトサイズに
影響を与えるため、これ等との相関において適宜選択さ
れる。

気相反応における反応温度は、窒化アルミニウムが生成
するのに十分な温度範囲である。気相反応によって得ら
れた窒化アルミニウム粉末、これを熱処理した粉末、ま
たは熱処理した粉末を解砕して得られた粉末のクリスタ
リノトサイズが４００Å以上、２０００Å以下となるよ
うに反応温度を選択する必要がある。具体的な温度範囲
は、有機アルミニウムとアンモニアのモル比、熱処理条
件、解砕条件によって異なるため一概に規定することは
できないが、本発明者等の経験によれば、６００°Ｃ以
上、１２００°Ｃ以下、好ましくは８００°Ｃ以上、１
０００“Ｃ以下である。

本発明において気相反応により得られた窒化アルミニウ
ム粉末は、還元性ガス及び不活性ガスからなる群より選
ばれた１種または２種以上の雰囲気ガス中で熱処理する
。ここで言う還元性ガスまたは不活性ガスとは窒化アル
ミニウム粉末を実質的に酸化することのないガスを意味
する。これらのガスは、前記目的に適合するガスであれ
ば特に限定されるものではないが、例えば、アンモニア
、水素、−酸化炭素、窒素、アルゴン、ヘリウムおよび
これらの混合ガスである。

熱処理の温度は、熱処理によって得られる窒化アルミニ
ウム粉末またはこれを解砕して得られる粉末のクリスタ
リットサイズが、４００Å以上、２０００Å以下となる
ように適宜選択する必要がある。

これに適合する具体的条件は、気相反応の条件、解砕の
条件によって異なるため一概に規定することはできない
。本発明者等の経験によれば、１２００°Ｃ以上、１８
００°Ｃ以下、好ましくは１３００’Ｃ以上、１７００
°Ｃ以下で熱処理を行うことが望ましい、　１２００°
Ｃに満たない温度では、気相反応の条件によっては得ら
れる窒化アルミニウム粉末のクリスタリントサイズを４
００Å以上とすることができない。

１８００°Ｃを越える温度で熱処理を行った場合には、
得られる窒化アルミニウムのクリスタリットサイズが２
０００人を越え、解砕によってクリスタリントサイズを
２０００Å以下にするために長時間を要するばかりか、
窒化アルミニウムが部分的に熱分解する可能性があり好
ましくない。

本発明では、気相反応により得られた窒化アルミニウム
粉末を熱処理した後、これを解砕することができる。こ
の解砕工程は本発明の特徴である窒化アルミニウム粉末
のクリスタリットサイズを特定の範囲に制御することを
目的に採用されるものである。この工程には粉末の凝集
を低減し、成型性、焼結性を改善するという副次的な効
果がある。解砕工程に使用される解砕機は特に限定され
るものではなく、一般にセラミックス粉末の解砕に使用
されるあらゆる解砕機、が使用可能である。

この解砕機は、例えば、回転式ボールミル、遊星型ボー
ルミル、振動ミル、回転式振動ミル、アトライター等で
ある。解砕方法は乾式解砕、湿式解砕いずれでもよい。

解砕途中で窒化アルミニウム粉末の酸化が実質的に起こ
らないように、不活性ガス雰囲気下で解砕を行う等の方
法を採用することが望ましい。解砕条件は、熱処理粉末
の特性、解砕機の機種等により異なるため一概に規定す
ることはできないが、得ら咋る窒化アルミニウム解砕粉
末のクリスタリットサイズが４００Å以上、２０００Å
以下となるような条件を選択する必要があ本発明の特徴
は、以上に例示したような方法で得られる窒化アルミニ
ウム粉末のクリスタリットサイズを４００Å以上、２０
００Å以下の範囲とする点にある。ここでいうクリスタ
リットサイズとは、粉末χ線回折法により測定される窒
化アルミニウムの（１００）面に垂直な方向の結晶子の
大きさを言い、式（Ｉ）によって算出される値とする。

Ｄ＝０．９λ／βＣＯＳθ・・・・・・・・・　Ｎ）Ｄ
−、クリスタリットサイズ（人） λ：使用Ｘ線波長（人） β：回折ピーク半値幅（ｒａｄ、） θ：回折角（ｄｅｇ、） 実際の測定は、理学電機（株）社製Ｘ線回折装置ＲＡＤ
−Ｃを用いて行い、ＲＡＤ−Ｃシステム（Ｖｅｒ、　４
　、２１）の中の’　Ｋ　ＬＸ＋　、Ｋ　α２分離プロ
グラム」を用いてＣｕえαＩ線とＣｕＫα、線より得ら
れる回折像を分離し、次いで、結晶子の大きさ・格子歪
プログラムを用いてクリスタリソトサイズを算出した。

本発明において窒化アルミニウム粉末のクリスタリット
サイズを４００Å以上、２０００Å以下に限定するのは
、４００人未満または２０００人を越えるクリスタリッ
トサイズを有する窒化アルミニウム粉末より製造された
焼結体が高い熱伝導率を示さないという実験事実に基づ
くものである０本発明者等はいまだその詳細な理由を明
らかにし得ないがおおよそ以下のような理由が考えられ
る。

−ｇに窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を低下させる
原因としては、焼結体の粒内または粒界に残存する不純
物である酸素が考えられている。

クリスタリットサイズが４００人より小さい粉末では、
粉末の表面活性が著しく高いため焼結初期に粒成長を起
こし、粉末中に含まれていた酸素が系外にｉ１１敗する
のを困難にし、この酸素が焼結体の熱伝導を疎外する。

このような粉末は焼結体を製造する工程の途中で粉末の
表面酸化による酸素の混入が避は難く、この酸素の増加
が焼結体の熱伝導率の低下を引き起こすことも考えられ
る。

ただし、本発明において窒化アルミニウム粉末のクリス
タリットサイズを４００Å以上に規定するのは、クリス
タリントサイズを増大させた際にしばしば起こる比表面
積の現象に伴う、表面酸素の低減を意味するものではな
い、このことは後述の実施例３および比較例３より明ら
かである。すなわち、はぼ同一の比表面積と酸素を含存
する粉末であっても得られる焼結体の熱伝導率は明らか
に異なり、粉末のクリスタリνトサイズを４００Å以上
としたときに高熱伝導率を有する焼結体を得ることがで
きる。

クリスタリソトサイズが２０００人を越えると上記の問
題は解決されるが、粉末の焼結活性が乏しいために通常
の焼結体製造条件では緻密な焼結体を得られない。

上記推定の真偽は明確ではないが、本発明者等の検討に
よれば、窒化アルミニウム粉末のクリスタリットサイズ
が４００人以上、２０００λ以下、好ましくは６００Å
以上、１８００Å以下、更に好ましくは８００Å以上、
１５００Å以下であるとき初めて緻音且つ高熱伝導性の
窒化アルミニウム焼結体を安定に製造することができる
。

具体的にクリスタリットサイズを上記範囲に制御するた
めには、上述のような各工程を採用すればよく、有機ア
ルミニウムとアンモニアとの気相反応においてその原料
比を制御すること、反応温度を制御すること、気相反応
によりえられた粉末を所定の温度、時間で熱処理するこ
と、または更に熱処理した粉末を所定の条件で解砕する
ことにより窒化アルミニウム粉末のクリスタリットサイ
ズの制御は達成される。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に説明する。

実施例１ 第１図に示す気相反応装置を用い、加熱帯（１）により
８００℃に加熱保持した反応器（２ンの下部より流量調
節計（３）で調節しながら供給管（４）を通じてアンモ
ニアガスを導入した。同時にｉｔ調節計（５）で調節し
ながら供給管（６）を通じて窒素ガスに同伴させたトリ
エチルアルミニウムを導入した。このときアンモニア／
トリエチルアルミニウムモル比を２０とした。反応帯域
で生成した粒子は反応器（２）の上部より未反応ガス等
とともに取り出され、フィルター（７）によりガスと分
離された後、捕集器（８）に捕集された。捕集した粉末
を黒鉛るつぼに入れ、高周波加熱式電気炉中で窒素ガス
を流通しながら１５００°Ｃで３時間熱処理した。得ら
れた粉末は白色微粉末で、比表面積は１０．２ｒｒｆ／
ｇ、　ＸｖＡ回折の結果、クラスタリントサイズ５９０
人の窒化アルミニウム粉末であった。またＬＥＣＯ法に
より測定した粉末中の酸素量は１．１ｗｔ％であった。

この粉末１０ｇに焼結助剤として酸化イツトリウム０．
３ｇ（，３％）を加え、エタノールを分散媒として湿式
混合した。得られたスラリーを乾燥後、１０００ｋｇ／
Ｃ−の圧力で２０ｍΦの円板に成型し、定法に従って黒
鉛炉中、窒素気流下に１８００°Ｃで３時間焼結した。

得られた焼結体は、直径１０ｍｍ、厚み３ｍｍに研削加
工し、アルキメデス法による密度測定、レーザーフラッ
シュ法による熱伝導率の測定を行った。

焼結体の密度は３．２７ｇ／ｃｔ、熱伝導率は１５２Ｗ
／ｍＫであった。

実施例２ 熱処理の温度を１７００°Ｃとした以外は実施例１と同
様にして窒化アルミニウム粉末を合成した。この粉末の
比表面積は３．０ｒｒｆ／　ｇ、クリスタリｙ　）サイ
ズは１０９０人、酸素量は０．５ｉｖｔ％であった。こ
の粉末を用い、実施例１と同様にして製造した焼結体の
密度は３．２’６　ｇ　／　ｃｒｌ、熱伝導率は２０３
　’ＩＶ　／　ｔａＫであった。

実施例３ 熱処理の温度を１６００’Ｃとした以外は実施例１七同
様にして窒化アルミニウム粉末を合成した。この粉末の
比表面積は４．３ｒｒｆ／ｇ、クリスタリットサイズは
９２０人、酸素量は１．３ｗｔ％であった。この粉末を
用い、実施例１と同様にして製造した焼結体の密度は３
．２６ｇ／ｃＩｌｌ、熱伝導率は　１８５　Ｗ／ｌｌＫ
であった。

比較例１ 熱処理の温度を１１５０°Ｃとした以外は実施例１と同
様にして窒化アルミニウム粉末を合成した。この粉末の
比表面積は１８゜７ｒｒｆ／　ｇ、クリスタリットサイ
ズは１８０人、酸素量は１．４ｗｔ％であった。この粉
末はやや黄色味をおびた粉末であった。この粉末を用い
、実施例１と同様にして製造した焼結体の密度は３．２
７ｇ／ｃｉと十分に緻密化していたが、熱伝導率は８９
Ｗ／ｍＫと実施例１〜３に比較して低い値であった。

比較例２ 熱処理の温度を１８２０’Ｃとした以外は実施例１と同
様にして窒化アルミニウム粉末を合成した。この粉末の
比表面積は１．３ｒｒｒ／　ｇ、クリスタリットサイズ
は２１２０人、酸素量は０．５ｗｔ％であった。この粉
末を用い、実施例１と同様にして製造した焼結体の密度
は２．７８ｇ／ｃｉと十分に緻密化しておらず、熱伝導
率も１１２Ｗ／ｄと低い値しか示さなかった。

比較例３ 金属アルミニウムの直接窒化法によって製造された、比
表面積４．５ｒｒｆ／ｇ、クラスタリントサイズ３３０
人、酸素量１．３ｗｔ％の市販の窒化アルミニウム粉末
を用いて、実施例１と同様にして焼結体を製造した。得
られた焼結体の密度は、３．２６　ｇ　／ｃｍｌと十分
に緻密化していたが、熱伝導率は　１１９Ｗ　／　ｍ　
Ｋと、比表面積、酸素量がほぼ等しく、クリスタリット
サイズが大きい粉末を使用した実施例３に記載の焼結体
より著しく低い値しか示さなかった。

実施例４ 比較例２と同様に１８２０°Ｃで熱処理した窒化アルミ
ニウム粉末を、樹脂製ポット、鉄芯人ナイロンポールを
用い、エタノールを分散媒として４０時間ボールミルで
解砕した。得られた解砕粉末の比表面積は３．０ｒｒｆ
／ｇから３．７ｒｒｆ／ｇに増加し、クリスタリットサ
イズは２１２０人から１７１０人へと変化した。酸素量
は０．５ｗｔ％から０．７ｗｔ％へと若干増加した。こ
の解砕粉末を用いて、実施例１と同様にして製造した焼
結体の密度は３．２４ｇ／ｃｆｆｌ、熱伝導率は１７０
Ｗ／ｍＫとなり、焼結性、熱伝導性が大きく向上した。

実施例５ 熱処理温度を１３００°Ｃとした以外は実施例１と同様
にして窒化アルミニウム粉末を合成した。この粉末の比
表面積はｘ４．４ｒｔｆ／　ｇ　、クリスタリットサイ
ズは４３０人、酸素量は１．０ｗｔ％であった。この粉
末を用い、実施例１と同様にして製造した焼結体の密度
は３．２６ｇ／ｃｆｆｌ、熱伝導率は１３８Ｗ／ｍＫで
あった。

実施例６ アンモニア／トリエチルアルミニウムモル比を８とした
以外は実施例５と同様にして窒化アルミニウム粉末を得
た。この粉末の比表面積は１２．５ｒｄ／ｇ、クリスタ
リットサイズは４２０人、酸素量は１．３ｗｔ％であっ
た。この粉末より製造した焼結体の密度は３．２６　ｇ
　／　ｃｒＡ、熱伝導率は１３５Ｗ／ｍＫであった。

（発明の効果〕 第２図に上記実施例１〜６、および比較例１〜３で得ら
れた窒化アルミニウム粉末のクリスタリットサイズとそ
の粉末を用いて作成した焼結体の熱伝導率の関係を示し
た。

焼結体の熱伝導率は、用いた窒化アルミニウム粉末のク
リスタリットサイズと深く関わりを持っており、粉末の
クリスタリットサイズを一定の範囲としたときに高い熱
伝導率を有する焼結体が得られる。すなわち、本発明の
有機アルミニウム化合物とアンモニアとを気相反応せし
めて得られる窒化アルミニウム粉末であって、そのクリ
スタリノトサイズが４００Å以上、２０００Å以下であ
る粉末は、高熱伝導性窒化アルミニウム焼結体用原料粉
末として非常に有用であり、更に有機アルミニウム化合
物とアンモニアとより得られる窒化アルミニウム粉末、
またはそれに熱処理等を施した粉末のクリスタリットサ
イズを４００Å以上、２０００Å以下とする窒化アルミ
ニウム粉末の製造方法は、高熱伝導性窒化アルミニウム
焼結体用原料粉末を安定的に供給する方法として工業的
に優位である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示した窒化アルミニウム
粉末の製造方法における気相反応反応器の概略フロー図
である。 （１）加熱帯 （２）反応器 （３）アンモニア流量調節計 （４）アンモニア供給管 （５）有機アルミニウム流量調節計 （６）有機アルミニウム化合物 （７）フィルター （８）窒化アルミニウム粉末浦集器 第２′ｌＡは、本発明の実施例および比較例の結果をま
とめて、窒化アルミニウム粉末のクリスタリ７トサイズ
とその粉末より作成した焼結帯の熱伝導率との相関を図
に表したものである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）熱伝導性焼結体製造用原料窒化アルミニウム粉末
   であって、該粉末のクリスタリットサイズが４００Å以
   上、２０００Å以下であることを特徴とする窒化アルミ
   ニウム粉末。
2. （２）窒化アルミニウム粉末を製造する方法において、
   有機アルミニウム化合物とアンモニアとを気相反応させ
   ること、上記工程を経た後還元性及び／又は不活性ガス
   雰囲気中で熱処理すること、または該熱処理工程後熱処
   理粉末を解砕することのいずれかの方法によって窒化ア
   ルミニウム粉末のクリスタリットサイズを４００Å以上
   、２０００Å以下に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。