JPH0460047B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高純度、微細で易焼結性の窒化アル
ミニウム粉末の製造に関するものである。

〔従来の技術〕

窒化アルミニウム（以下AlNと記す）は、そ
の優れた機械的特性、化学的耐用性の故に耐熱材
料として用いられるだけでなく、その高熱伝導
性、高電気絶縁性、低誘電率等の故に半導体関係
の放熱材料としても期待されている。AlNは一
部薄膜の形態で利用される場合もあるが、多くの
場合焼結体で用いられている。

このようなAlN焼結体の焼結性および特性は、
出発原料であるAlN粉末の特性および焼結助剤
に強く影響されることが知られている。すなわ
ち、AlN粉末としては、高純度で、粒径が均一
かつ微細であり、適当な焼結助剤がAlN粉中に
均一に分散していることが望ましい。

AlN粉末は、従来、金属アルミニウムの直接
窒化法またはアルミナの還元窒化法で製造されて
いる。直接窒化法では微細で均一粒径の高純度
AlN粉末を得ることは極めて難しい。しかも、
焼結助剤をAlN中に均一に分散させることも難
しい。還元窒化法では微細で均一な高純度アルミ
ナを出発原料とすることにより直接窒化法より若
干優れたAlN粉末が得られやすいが、所望の粉
末とは言い難い。

上記方法を改良し、高純度で、微細、均一粒の
AlN粉末を得る方法として、アルミニウムアル
コキシドと炭素の分散液に水を加え、アルコキシ
ドの加水分解を行わせ、水酸化アルミニウムと炭
素の混合物を得る方法、および水溶性アルミニウ
ム塩と炭素を含む水溶液にアルカリを加え、中和
沈澱法により水酸化アルミニウムと炭素の混合物
を得る方法が提案されている。（特開昭61−6105、
特公昭61−26485）。

これらの方法によつて得た混合物は、前記した
アルミナと炭素の混合物に比べ均一に混合されて
いるため、これを窒素を含む非酸化性雰囲気中で
焼成することにより、従来より均一で、微細な
AlN粉を得ることができるようになつた。

しかし、上記の改良法においても加水分解また
は中和沈澱のために水またはアルカリを滴下する
と、局所的に沈澱が生成し、直ちに凝集してしま
う。このため、炭素微粉を含まない水酸化アルミ
ニウムの1μm以上の凝集塊が多数生成し、得られ
る水酸化アルミニウムと炭素の混合物は均一性が
不十分なものがある。このような不均一な混合物
を窒素を含む非酸化性雰囲気中で焼成して得られ
るAlN粉の粒径も不揃いなものになり易く、焼
成後もアルミナが窒化されずに残つたり１〜5μm
の粗粒のAlNとなりがちであつた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は高純度で微細な、焼結性のすぐれた
AlN粉末の製造法を提供することを目的とする
もので、水酸化アルミニウムの中でも分散性、分
散液の安定性に優れるベーマイト（AlOOH）ま
たは凝ベーマイト粉を用い、炭素源物質との均一
な分散液を作製し、この均一分散状態を保つたま
ま固化させ、これを固化、乾燥、焼成することに
よつて粒度分布範囲が狭く、微細なAlN粉を得
ようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

高純度で微細な、優れた焼結性を有するAlN
粉末の製造法として、本発明は次の技術手段から
成る。

(1) 水中で極めて分散性に優れるベーマイトまた
は凝ベーマイト粉を水に加え、PHを1.2〜4.5の
範囲に調整することにより、ベーマイトが安定
に分散したベーマイトゾルをあらかじめ作製す
る。ベーマイトゾル中のベーマイト粒子径は
500Å以下である。凝ベーマイトは、ベーマイ
ト結晶と同位置にＸ線回折ピークがあらわれる
が、ベーマイト結晶に比べ、ピーク幅が広く、
結晶性の不十分なベーマイトであるが、水中の
分散性の点ではベーマイト結晶と大差はない。

(2) 上記ベーマイトゾルに炭素源物質微粉を加
え、均一に混合したのち、この均一混合状態を
保持したまま固化させ、乾燥したのち、窒素を
含む非酸化性雰囲気中で焼成する。

(3) 上記(2)の工程中、炭素源物質微粉の分散性を
さらに向上させるため、あらかじめ適切な分散
剤を用い、炭素源物質と水の懸濁液を作製した
のち、この懸濁液をベーマイトゾルに加えるこ
とが好ましい。

(4) 上記(2)または(3)において、ベーマイトゾルと
炭素源物質との混合物に、AlN焼結時の焼結
助剤となる化合物を１種以上添加するとAlN
焼結が好適となる。

〔作用〕

本発明を作用と共に具体的に説明する。

まず、ベーマイト粉または凝ベーマイト粉を水
に加え、PHが1.2〜4.5の範囲に調整し、ベーマイ
トゾルの分散状態が最適となるように硝酸などの
酸を適量加える。次に、このベーマイトゾルに炭
素微粉または高温で炭素微粉となる炭素源物質を
加え混合したのち、この均一混合状態を保持した
まま固化させ、乾燥させる。次いで窒素を含む非
酸化性雰囲気中で1350〜1700℃で焼成してAlN
粉を得る。

炭素源物質の混合状態をさらに向上させるため
には以下の各手法をとることができる。

イ 炭素源物質を適量の水とともにベーマイトゾ
ルを加えたのち、ボールミルなどの混練手段を
用いて混練する。

ロ 炭素源物質と適切な分散剤を適量の水ととも
にベーマイトゾルを加えたのち、混練する。

ハ 炭素源物質と適切な分散剤とともに水に加
え、混練して良分散体とした後、ベーマイトゾ
ルと混合する。

ニ 炭素源物質として水溶性樹脂などを用いる。

以上によつて作製したベーマイトゾルと炭素源
物質分散体の混合物を均一混合状態を保持したま
ま固化させる。

固化させる具体的手段としては、次の３通りが
代表的である。

(a) 長時間混練を続けている間に、ベーマイトゾ
ルのゲル化が徐々に進行するため、混合物の粘
度が時間とともに徐々に上昇し固化する。

(b) 混練しながら加熱等によつて水を強制的に揮
散させゲル状態にする。

(c) 酸、アルカリ、種々のイオン、高分子凝集剤
等の添加によつてゲル化を促進させる。

本発明のもう１つの利点は、焼結助剤の添加剤
をAlN粉中に均一に分散させることができる点
にある。従来、AlNの焼結助剤として有効とさ
れている化合物のうち少なくとも一種よりなる化
合物、望ましくは水溶性の化合物を添加し、ベー
マイトゾルと炭素源物質の混合物に分散させたの
ち、この均一混合状態を保つたまま、上記手法に
より固化させる。

ベーマイトゾルの作製においてPHを1.2〜4.5の
範囲に限定したのは、以下の理由による。PHが
1.2未満ではベーマイトゾルのゲル化が急速に進
むことにより、上記炭素源物質との混合操作を実
質上行うことができない。PHが4.5を超えるとベ
ーマイト粉は水中に分散されず、1μm以上の凝集
塊のまま存在するため、炭素源物質との均一混合
が難しい。

炭素源物質としては、カーボンブラツク、グラ
フアイト、または高温で残炭率の高い各樹脂など
が好適である。

本発明によれば、微細で（1μm以上の粒は極め
て少ない）、粒径分布の極めて狭いAlN粉を再現
性よく製造することができる。

本発明は以下の２点において、特開昭61−
6105、特公昭61−26485を始めとする従来のAlN
粉合成法と本質的に異なり、より優れたAlN粉
を再現性よく合成できる。

(A) 極めて分散性の高いベーマイト粉を、一旦水
中に分散させているため（粒子径が500Åより
小さく、粒径分布も狭い）、炭素源物質微粉と
の混合後もベーマイト粒は炭素源物質微粉によ
つて囲まれた状態にある。

(B) 上記混合状態のままゲル化等によつて固化さ
れ、乾燥、焼成される。

以上の理由から、本発明による方法では、ベー
マイト粒同士の合体による粒成長、すなわち、粗
いAlN粒の生成を防止することができ、上述の
ごとく粒径分布の狭い、微細な粒子を再現性よく
得ることができる。

本発明のAlN粉は、原料ベーマイトとして高
純度のものを用いることにより容易に高純度化で
き、例えば金属イオン総不純物量〜200ppm以下の
純度のものは容易に達成できる。さらに、本発明
では微細なベーマイト粉と炭素源物質とを均一に
混合しているため、還元窒化時にFe₂O₃，SiO₂な
どの不純物が容易に還元、揮散され、さらに高純
度のAlN粉となる。また本発明のAlN粉を用い
ることにより、高純度で緻密（密度99％以上）な
焼結体を容易に得ることができる。

〔実施例〕

以下の〜の方法でAlN製造用の混合物を
作製し、窒素雰囲気中で1450℃、５時間焼成した
のち、650℃で３時間脱炭処理し、AlN粉を得
た。〜は本発明の製造条件に適合する実施例
であり、〜は比較例、〜は従来法の例で
ある。

PH＝3.0で分散させた20重量％ベーマイトゾ
ルに炭素と水を加え、（ベーマイト粉／炭素重
量比＝１）、ポツトミルで10時間混練したのち
加熱乾燥した。

PH＝3.0で分散させた20重量％ベーマイトゾ
ルの炭素と水とカルボン酸系の分散剤を加え
（ベーマイト粉／炭素重量比＝１）、ポツトミル
で10時間混練したのち加熱乾燥した。

PH＝3.0で分散させた20重量％ベーマイトゾ
ルを作製し、炭素に分散剤と水を加え、ポツト
ミルで10時間混練し炭素25重量％の良好な分散
体とした。

上記のベーマイトゾルと炭素分散体をポツト
ミルで10時間混練したのち、撹拌しながら加熱
によつて水を除去し、ゲル化させたのち乾燥し
た。

PH＝3.0で分散させた20重量％ベーマイトゾ
ルを作製し、炭素に分散剤と水を加え、ポツト
ミル混練前に、焼成後AlN粉に対し、Y₂O₃換
算で３重量％Ｙ（NO₃）₃・6H₂Oを加え、以後上
記と同様にゲル化、乾燥させた。

20重量％ベーマイト分散液のPHを１に調整し
たところ急激にゲル化し、炭素との混練が困難
となつた。

PH＝5.0で分散させた20重量％ベーマイトゾ
ルに炭素と水を加え（ベーマイト粉／炭素重量
比＝１）、ポツトミルで10時間混練したのち加
熱乾燥した。

ベーマイトの代わりにバイヤライト（Al
（OH）₃）を用いて上記と全く同様の操作で
試料を作製した。

ベーマイトの代わりに１次粒子径が約0.3μm
のα−アルミナ（α−Al₂O₃）を用いて上記
と全く同様の操作で試料を作製した。

硝酸アルミニウムの20重量％水溶液に炭素と
水を加え（水酸化アルミニウム／炭素重量比＝
１）、上記と同様にポツトミルで10時間混練
したのち、アンモニア水を加え、中和沈澱を生
成させ、炭素微粉を含む水酸化アルミニウム
（主にバイヤライト）の沈澱を生成させ、これ
を乾燥した。

アルミニウムイソプロポキシドのエタノール
溶液に炭素を懸濁させたのち（水酸化アルミニ
ウム／炭素重量比＝１）、上記と同様にポツ
トミルで10時間混練したのち、水を加えてアル
コキシドの加水分解を行わせ、炭素微粉を含む
水酸化アルミニウム（主にバイヤライト）に沈
澱を生成させ、これを乾燥した。

によつて合成したAlN粉に平均粒径1μmの
Y₂O₃を３重量％添加し、ポツトミルで10時間
混練した後、乾燥した。

上記〜の10種類のうち、混練できなかつた
を除く９種類のAlN粉の粒度分布を第１図に
示す。第１図から実施例〜、特に，は平
均粒径0.7μm程度で極めて狭い粒度分布を持つこ
とがわかる。比較例，ではベーマイトまたは
バイヤライトの分散が極めて悪く、粗い粒径のも
のが多く、粒度分布も広い。また〜では
AlN単相であり、酸素量は0.3重量％以下であつ
た。比較例、従来法，は実施例〜と比
較例，の中間的なものであつたが、焼成後α
−Al₂O₃が２〜５重量％残る場合が多かつた。

なお、焼結助剤がAlN粉中に均一に分散され
た実施例と従来法によつて作製したAlN粉
のペレツトをプレス成形により作製し、焼結性を
比べたところ、1800℃×３時間焼成後実施例の
密度は99.3％、従来例の密度は98.1％であり、
実施例は外観上も均質であつたが、従来例に
は焼けむらがかなり認められた。第２図に、実施
例１により得られたAlN粉の、乾燥空気流中、
昇温速度10℃／分による示差熱分析曲線を示す。
1270℃付近に１個の発熱ピークが認められた。

〔発明の効果〕

本発明によつて高純度で、微細な、均一粒径の
AlN粉を再現性よく製造することが可能になつ
た。

このAlN粉を用いることにより、高密度で、
高熱伝導性、高強度のAlN焼結体の製造が容易
となり、高温構造材料、IC基板等への利用に貢
献するところが大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は種々の方法で合成したAlN粉末の粒
径分布を示すグラフである。第２図は実施例１で
得られたAlN粉の示差熱分析曲線である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水を含む液中にベーマイト粉を加え、PHを
   1.2〜4.5に調整して該ベーマイト粉を分散させた
   ベーマイトゾルを作製し、該ベーマイトゾルと炭
   素源物質とを混合し、固化、乾燥した後、窒素を
   含む非酸化性雰囲気中で焼成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。