JPH0337106A

JPH0337106A - 窒化アルミニウム粉末の製造方法

Info

Publication number: JPH0337106A
Application number: JP17322889A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Matsudaira; 靖松平
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1989-07-05
Filing date: 1989-07-05
Publication date: 1991-02-18
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JP2518409B2

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】及叉圭且迩週１１゜本発明は、半導体用絶縁放熱基板材料等として好適に使
用し得る窒化アルミニウム粉末及びその製造方法に関す
る。

の　　　び　　が　決しようとする課題窒化アルミニウ
ム（ＡＱＮ）は理論的には酸化ベリリウム（ＢｓＯ）に
匹敵する３００Ｗ／ｍ−にの高熱伝導率を有し、また絶
縁性、誘電性などの電気的性質にも優れていることから
、現在大電力化や高集積化が進む半導体用絶縁放熱基板
に用いる材料として非常に注目されている。

かかる窒化アルミニウムの特性を生かした焼結基板を得
るには、原料の窒化アルミニウム粉末が（１）焼結性の
良好な粉末であること、（２）ｂＱ形重密度高く、焼結
時の収縮が小さいこと、（３）高純度であることなどの
要求を満たしていることが必要であるが、従来上記３つ
の焼結特性を満足する窒化アルミニウムの製造方法は見
い出されていない。

即ち、従来より知られている窒化アルミニウム粉末の合
成法としては次の２つの方法が代表的なものである。

■　金属アルミニウムを窒素中で窒化する方法（例えば
特開昭６１μｍ、５８８０５号公報）。

■　酸化アルミニウムや水酸化アルミニウムとカーボン
との粉末混合物を窒素中で還元窒化する方法（例えば特
開昭５９−５００８号公報）。

しかし、■の方法は高純度の窒化アルミニウムが得られ
難い上、未反応の金属アルミニウムが残存したり、微粉
末を得るために粉砕工程を要し、この粉砕工程からの不
純物の混入が避けられないことなどのため、高純度とい
う要求を満たすことができないものである。

一方、■の方法は高純度の窒化アルミニウムを得る方法
として適しているものであるが、反応性の良好な微細な
（例えば平均粒子径が２−以下の）アルミナ又は水酸化
アルミニウムを用いるため、得られる窒化アルミニウム
粉末のかさ密度が小さくなる。このため、充填性が悪く
、成形密度が低くなり、焼結時の収縮・変形が大きくな
るという問題がある。殊に、成形特の変化が重要なドク
ターブレード成形等においては問題が大きい。

更に、一般に窒化アルミニウムの熱伝導率は不純物酸素
が減少すると増大することが知られており（電子通信学
会１９８６，１０．２９号、ＣＰＭ８６−５９）、それ
故、窒化アルミニウムの優れた熱伝導性を損なわないた
め酸素含有量は０．６％程度以下であることが望まれる
が、■の方法は得られる窒化アルミニウム粉末の酸素含
有量が通常１〜２％であることも問題である。

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、高純度、高
かさ密度、低酸素、良焼結性などの特性を満足し、熱伝
導度の高い高品質な半導体用絶縁放熱基板材料として好
適に使用される窒化アルミニウム粉末及びその製造方法
を提供することを目的とする。

を　　　るーめの　　　び本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた
結果、平均粒子径が２〜２０μｍ、比表面積が１、〜３
．５ｒｒｆ／ｇ、重装かさ密度が０．８ｇ　／　ｃｊ以
上、純度が９９．８％（重量％、以下同じ）以上の酸化
アルミニウム粉末及び／又は水酸化アルミニウム粉末と
平均粒子径が１−以下のカーボン粉末との混合物を還元
窒化方法により製造した場合、平均粒子径が１〜１０μ
ｍ、酸素含有量が０．６％以下、アルミニウムを除く金
属不純物の含有量が０．１％以下、比表面積が１〜３．
５ｒｄ／ｇ及び重装かさ密度が０．８ｇ／ｃｍ３以上で
ある窒化アルミニウム粉末が得られることを見い出した
。

即ち、従来、酸化アルミニウム粉末や水酸化アルミニウ
ム粉末とカーボン粉末との混合物を還元窒化する方法に
おいては、反応性を良好にしかつ焼結性を良好にするた
め、上述したように通常平均粒子径がサブミクロン程度
の酸化アルミニウムや水酸化アルミニウムを使用しなけ
ればならないとされてきたのであるが、原料にかかる微
粉を用いると、得られる窒化アルミニウム粉末も微細に
なり、かさ密度が小さくなるため、成形体密度（グリー
ン密度）が小さくなり、焼結時の収縮が大きくなって変
形が大となり、その上窒化アルミニウム粉末の酸素含有
量が１〜２％程度となってしまうものである。

これに対し、本発明者は、従来の常識に反して酸化アル
ミニウム粉末や水酸化アルミニウム粉末の平均粒子径を
比較的大きい２〜２０−の範囲、またカーボン粉末の平
均粒子径を１−以下として還元窒化した場合、意外にも
粒子径が大きくても酸化アルミニウムが残存せず、得ら
れる窒化アルミニウムは酸素含有量が０．６％以下とい
う極めて低酸素であり、従来の方法により得られた粉末
の酸素含有量が１〜２％であるのに比較して酸素含有量
が約５０％もしくはそれ以下となり、高熱伝導用の窒化
アルミニウム原料として極めて有利であることを見い出
した。更に、この窒化アルミニウム粉末は充填性が良好
で、従来の窒化アルミニウム粉末が軽装かさ密度０．２
〜０．３ｇ／ｃｍ３、重装かさ密度０．４〜０．６ｇ／
ａｊであるのに対し、軽装かさ密度０．４〜０．６ｇ／
ｃｍ３、重装かさ密度０．８ｇ／ｃｄ以上であるため、
高密度の成形体が得られ、従って焼結時の収縮・変形を
少なくして焼結体の精度を高めることができること、特
に成形時の変形が問題となるドクターブレード成形等に
おいてはグリーン密度（成形密度）の高いことが重要で
あるが、この点でも有利であることを見い出した。また
、得られる窒化アルミニウム粉末は１〜］、Ｏ−と比較
的大きい粒子径にもかかわらず、サブミクロン粒径にな
らないと常圧焼結できないという定説に反して、少量の
添加助剤で容易に理論密度近くまで常圧焼結すること、
更に原料の純度を調節することにより高純度な窒化アル
ミニウムが得られることを見い出した。従って、上述し
た製造方法で得られた窒化アルミニウムは高純度、高か
さ密度、低＠素、良焼結性などの特性を満足した画期的
なものであり、かかる窒化アルミニウムを用いて得られ
た焼結体は、焼結時の変形が少なく高精度であり、また
酸素含有量が少ないため極めて熱伝導性が良好な高純度
で高品質なものであり、このため半導体用絶縁放熱基板
として好適であることを知見し、本発明をなすに至った
ものである。

なお、本明細書において、「重装かさ密度」とは、粉体
を規定の容器に入れ、１．．８ｃｍの高さから１８０回
落下させ、落下の衝撃で固めた後、測定した充てん密度
のことをいう（粉体工学会編「粉体物性図説」による）
。

以下１本発明につき更に詳しく説明する。

本発明の窒化アルミニウムは、上述したように平均粒子
径が１〜１０／ａＩ、好ましくは２〜５４、酸素含有量
が０．６％以下、好ましくは０．２〜０゜５％、アルミ
ニウムを除く金属不純物の含有量が０．１％以下、好ま
しくは０．０５％以下、比表面積が１〜３．５ボ／ｇ、
好ましくは１．３〜２．５ｍ２／ｇ、重装かさ密度が０
．８ｇ／ｒｍ以上、好ましくは１．０ｇ／−以上のもの
である。

かかる窒化アルミニウムを得る場合、酸化アルミニウム
粉末又は水酸化アルミニウム粉末とカーボン粉末を原料
として還元窒化方法により製造するものである。

ここで、酸化アルミニウム粉末又は水酸化アルミニウム
粉末としては、純度９９．８％以Ｊ二、好ましくは９９
．９％以上、平均粒子径２〜２０ｍ、好ましくは５〜１
０／Ｊ１．此表面積１〜３８５ボ／ｇ、好ましくは１．
３〜２．５ｒｒｒ／ｇ１重装かさ密度０．８ｇ／ｃｄ以
上、好ましくはＩｇ／ａｊ以上のものを使用する。使用
する酸化アルミニウム又は水酸化アルミニウムの純度が
９９．８％に達しないと、これらに含まれる不純物がそ
のまま窒化アルミニウム粉末中の不純物として残存する
ため、高純度の窒化アルミニウム粉末を得ることができ
ない。また、平均粒子径２−未満、比表面積が３．５ｎ
ｆ／ｇを超えた場合、或いは重装かさ密度が０．８ｇ／
ｃｄ未満のものを使用した場合は、酸素含有量を０．６
％以下とすることができないと共に１重装かさ密度が低
くなってしまう、一方、平均粒子径が２０−を超え、比
表面積が１　ｎｒ　／　ｇに達しないと、カーボンとの
混合不良を招き、未反応の酸化アルミニウムが増加して
酸素含有量を０．６％以下とすることができない。

また、カーボンとしては、平均粒子径が１４以下のもの
を使用するもので、平均粒子径が１４を超えると反応性
が悪くなり、未反応の酸化アルミニウムが増加して酸素
含有量を０．６％以下とすることができない、また、カ
ーボン中の灰分は０．１％以下、特に０．０５％以下と
することが好ましく、灰分が０．〕％を超えると高純度
の窒化アルミニウムを得ることができない場合がある。

上記条件を満足するカーボンであればいずれのカーボン
であってもよく、具体的にはアセチレンブラック、サー
マルブラック、ファーネスブラック。

ランプブラック、チャンネルブラック等のカーボンブラ
ックが好適に用いられる。

上記酸化アルミニウム又は水酸化アルミニウムとカーボ
ンとの比率は特に制限されないが、通常酸化アルミニウ
ム又は水酸化アルミニウム１００重量部に対し、カーボ
ンを２５〜４０重量部とすることが好ましい。

上記原料を用いて還元窒化する方法は通常の方法を採用
して行うことができ１例えば酸化アルミニウム又は水酸
化アルミニウムとカーボンとをナイロン製ポット等のボ
ールミルなどで乾式混合した後１通常の窒化装置を用い
、窒素ガス及び／又はアンモニアガス雰囲気下、温度１
４００〜１７００℃、特に１５５０〜１６５０℃で３〜
１０時間焼成して製造することができる。なお、得られ
る窒化アルミニウムは一般的に未反応のカーボンを含有
するので、６００〜７５０℃の温度で空気中においてｌ
〜５時間程度焼成してカーボンを除去することが好まし
い。

見豐旦処未上述したように、本発明は従来より比較的粒径の大きい
酸化アルミニウムや水酸化アルミニウムと微粉カーボン
とを原料として還元窒化することにより、高純度、高か
さ密度、低酸素かつ良好な焼結性を有する窒化アルミニ
ウム粉末を得ることができ、かかる窒化アルミニウム粉
末を用いた焼結体は、成形体密度が高く、焼結時の収縮
・変形が少ないため精度が高く、酸素含有量が極めて低
いため熱伝導性が良好である上、高純度であり、従って
本発明の窒化アルミニウム粉末は半導体用絶縁放熱基板
等の焼結材料として好適に使用できるものである。

以下、実施例と比較例を示し本発明を具体的に説明する
が９本発明は下記実施例に制限されるものではない。な
お、以下の例において％は重量％を示す。

〔実施例１〕純度９９．９％、平均粒子径２．２μ、比表面積３．５
Ｍ／ｇ、重装かさ密度１．３ｇ／ａｊのＡＱ、、Ｏ，粉
末１００ｇと灰分０．０８％、平均粒子径０．２０１ｍ
のカーボンブラック５０ｇとをナイロン製ポットのボー
ルミルを用いて乾式混合した。

次に、混合物を黒鉛製の平皿に移し、窒素ガス雰囲気に
保ったプッシャー式トンネル炉を用いて１６８０℃の温
度で３時間加熱焼成を行った後、空気中７００℃で５時
間加熱して未反応のカーボンを酸化除去した。

得られた窒化アルミニウム粉末のＸ線回折パターンはＡ
ＱＮのみのピークを示し、また、平均粒子径は２．２３
μ、比表面積は３．１ボ／ｇ、酸素含有量は０．４９％
、アルミニウムを除く金属不純物含有量は０．０４７％
、重装かさ密度は１．０ｇ／ｃｊであった。

〔実施例２〜５．比較例１〜４〕第１表に示す性状のアルミナ又は水酸化アルミニウム及
びカーボンブラックを用い、実施例１と同様な方法で窒
化アルミニウムを得、同様に酸素含有量、金属不純物含
有量、平均粒子径、比表面積１重装かぎ密度を測定した
。結果を第１表に併記する。

第１表の結果より１本発明の原料粉末を用いて得た窒化
アルミニウム粉末は、高いかさ密度と低い酸素含有量を
有するものである。これに対し、サブミクロンの水酸化
アルミニウムやアルミナを用いた場合（比較例１〜３）
は、かさ密度が木発明品の半分以下となり、また、２０
−を超える粒径のアルミナを用いた場合（比較例４）は
、酸素含有量が非常に高くなることが認められる。

Claims

【特許請求の範囲】１、平均粒子径が１〜１０μｍ、酸素含有量が０．６重
量％以下、アルミニウムを除く金属不純物の含有量が０
．１重量％以下、比表面積が１〜３．５ｍ＾２／ｇ及び
重装かさ密度が０．８ｇ／ｃｍ＾３以上である窒化アル
ミニウム粉末。２、平均粒子径が２〜２０μｍ、比表面積が１〜３．５
ｍ＾２／ｇ、重装かさ密度が０．８ｇ／ｃｍ＾３以上、
純度が９９．８重量％以上の酸化アルミニウム粉末及び
／又は水酸化アルミニウム粉末と平均粒子径が１μｍ以
下のカーボン粉末との混合物を還元窒化することを特徴
とする請求項１記載の窒化アルミニウム粉末の製造方法
。