JPH0465308A - 易焼結性窒化アルミニウム粉末の製造方法 - 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、易焼結性窒化アルミニウム粉末の製造方法に
関するもので、詳しくは従来より高熱伝導度を有する焼
結体が得られて、凝集粒が少なく、粒度分布のシャープ
な窒化アルミニウム粉末を得る方法に関するものである
。

１従来の技術］ 高信頼性のＩｃ基板あるいはパノケーノ材料には、従来
よりアルミナか多用されている。ＬＳＩなとの高集積化
、高速化および高出力化に伴い、半導体チンプからの発
熱量か増加し、効率良く熱を系外へ散逸させる必要性か
高まり、アルミナよりも熱伝導性か良く、放飢性に優れ
た材料か要望されている。

窒化アルミニウムは、高凱伝導性を有すると共に絶縁抵
抗、絶縁耐圧、誘電工なとの電気的特性およＯ・強（９
）なとの機械的特性に優れており、放熱性に優れたＩＣ
基板、パノケーン材料として注目されている。

窒化アルミニウム粉末の製造方法としては、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、アルミナあるい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して窒化する還
元窒化法の二つか従来から知られている代表的な方法で
ある。

前者の方法は、通常高純度アルミニウム粉末や箔を原料
として用いるか、これらの表面には酸化物被曝か存在し
、窒化反応後に酸素不純物として窒化アルミニウム中に
含まれるっまた、発熱反応のためアルミニウムの溶着に
よる塊状の生成物か出来易く、窒化反応後に粉砕して粒
度を調整する必要かある。このため不純物か混入し易く
、高純度の窒化アルミニウム粉末か得られに（い。

従って、高熱伝導性を得るだめの高純度の窒化アルミニ
ウム粉末を得る方法としては、後者の還元窒化法か有望
視されている。

に７発明か解決しようとする課題； この還元窒化法は原料として高純度の微粉末のアルミナ
を用いることにより、原料の特性を保持した高純度窒化
アルミニウム粉末か得られることは既に知られている。

しかし、窒化反応過程においてアルミナ同士の焼結か起
こり、そのため原料のアルミナ粉末に比較して粗粒ある
いは凝集粒の多い粒度分布のブロードな窒化アルミニウ
ム粉末しか得られていないのか現状である。

粗粒あるいは凝集粒の多い粒度分布のブロードな粉末を
用いて焼結した場合、一般に焼結性か悪く、また、気孔
を多く含有した焼結体か得られ易い。

窒化アルミニウムの場合は、特に気孔か熱伝導度を低下
させる原因となるため、粗粒あるいは凝集粒が少なく粒
度分布のシャープな原料粉末が要望されている。

アルミナの還元窒化法による窒化アルミニウム粉末の製
造において、原料であるアルミナ粉末とカーボン粉末と
を十分に混合、分散させることか必要である。本来、ア
ルミナ粉末は親水性表面を有し、一方、カーボン粉末は
親油性表面を有している。これらの相反する表面特性を
有する粉末を分散媒中に均一に混合、分散させることは
非常に難しい。

一般に、水分散媒中てはアルミナ粉末は酸性領域で高分
散し、一方、カーボン粉末はアルカリ性領域で高分散状
態を示すので、通常はアルミナ粉末の分散性を優先させ
て酸性領域で製造している。

そのため、この方法で得られた窒化アルミニウム粉末に
は多量の粗粒あるいは凝集粒か存在するという問題かあ
った。

この点を改良するために特開昭６０−６０９１０号公報
で開示されているような有機溶媒を分散媒とする方法も
提案されているか、必すしも満足できるものではなかっ
た。

〔課題を解決するための手段］ かかる事情に鑑み、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果
、水を分散媒としたときの原料アルミナ粉末とカーホン
粉末との混合、分散状態を向上させるために、ノニオン
系界面活性剤をカーボン粉末１００重量部に対して１〜
１０重量部添加し、水分散媒のｐＨを９．０〜１３０の
範囲から２．０〜６．０の範囲へ移行させ、カーボン粉
末をフロック状態にして窒化反応過程におけるアルミナ
同士の焼結を防止し、粗粒あるいは凝集粒が少なく粒度
分布の７ヤープな易焼結性窒化アルミニウム粉末を製造
する方法を見出し、本発明を完成させるに至ったもので
ある。

すなわち、本発明は、アルミナ粉末とカーボン粉末とを
水分散媒中で混合し、窒素を含む雰囲気中で加熱反応さ
せて窒化アルミニウム粉末を製造する方法において、水
分散媒のｐＨか９．０〜１３．０の範囲てノニオン系界
面活性剤をカーホン粉末１００重量部に対して１〜１０
重量部添加し、得られた混合スラリーの水分散媒のｐＨ
を酸を添加して２．０〜６．０の範囲にすることを特徴
とする易焼結性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。

以下本発明について詳述する。

本発明において得られる窒化アルミニウム粉末の純度お
よび粒子径は、原料となるアルミナ粉末の純度および粒
子径にほぼ対応する。従って、目的とする窒化アルミニ
ウム粉末の純度および粒子径を考慮して、適宜原料アル
ミナ粉末の純度および粒子径を選択することかできる。

しかし、中心粒径が１０μｍ以上の大きいアルミナ粉末
を原料として用いる場合は、窒化反応を十分進行させる
ために高温で長時間の加熱が必要である。また、粗粒あ
るいは凝集粒を含有するアルミナ粉末を原料として用い
る場合は、原料の混合や分散を十分に行っても生成する
窒化アルミニウム粉末中に粗粒や凝集粒か混在すること
は避けられない。

また、鉄、マグネンウム、シリコン、チタンなどの金属
不純物は、焼結体の熱伝導度に悪影響を及はすことか知
られているので、焼結性に優れた窒化アルミニウム粉末
を得るためには、中心粒径か１０μｍ以下、好ましくは
５．ｃｚｍ以下で、鉄、マクネシウム、シリコン、チタ
ンなどの金属不純物か１１０００ｐｐ以下のアルミナ粉
末を原料として選択する。このようなアルミナ粉末とし
ては、低ソーダアルミナ、高純度アルミナ、易焼結性ア
ルミナとして一般に販売されているグレードのものを用
いることができる。

また、カーボン粉末としては、高純度で微粉のグレード
のものを用い、−次粒子径が１μｍ以下で灰分か０，３
重量％以下のものが好ましい。このようなカーボン粉末
としては、アセチレンブラック、ファーネスブラック、
チャネルブラック、ザーマルブラックなとか知られてお
り、この中でもより高純度という点てアセチレンブラッ
クか好ましい。また、取り扱いの簡便性から分散か容易
であれば、０．３〜１．．５ｍｍに造粒した粒状品ある
いはプレス圧縮した粒状品を用いるのか有利である。

ノニオン系界面活性剤としては、ポリニチレンクリコー
ル型のものか用いられ、ポリオキノエチレンノニルフェ
ニルエーテル、ポリオキンエチレンオクチルフェニルエ
ーテル、ポリオキノエチレンドデシルフェニルエーテル
なとのポリオキンエチレンアルキルフェニルエーテルあ
るいはポリオキノエチレンオレインエーテル、ポリオキ
シエチレンラウリルエーテルなどのポリオキシエチレン
アルキルエーテルか知られている。その添加量はカーボ
ン粉末１００重量部に対して１〜ＩＯ重量部の範囲が好
ましい。

１重量部以下では、水分散媒のｐＨか９．０〜１３，０
におけるカーボン粉末の分散性か不十分であり、凝集粒
の多い窒化アルミニウム粉末しか得られない。一方、１
０重量部以上では、水分散媒のｐＨが９０〜１３．０に
おけるカーホン粉末の分散性か飽和状態となり、また、
コスト面でも高くなり好ましくない。

ノニオン系界面活性剤は、アルミナ粉末とカーホン粉末
とを水分散媒中て混合、分散するときに添加する。この
ときの水分散媒のｐ＋は、水酸化ナトリウムやアンモニ
ア水なとのアルカリを加えて９．０〜１３．０の範囲と
する。また、水分散媒としての添加水量はアルミナ粉末
とカーボン粉末の固形成分に対して０．５〜６重量比で
、好ましくは１〜５重量比である。

このとき得られるアルミナ粉末とカーボン粉末との混合
スラリーに硝酸や硝酸アルミニウム水溶液などの酸を加
えて水分散媒のｐＨを９．０〜１３．０の範囲から２．
０〜６．０の範囲に移行させる。

つまり、水分散媒のｐＨを９．０〜１３．０の範囲に調
整することにより、カーボン粉末はノニオン系界面活性
剤の作用で高分散し、この状態からｐＨを２．０〜６．
０の範囲に移行させることによりアルミナ粉末は高分散
し、カーボン粉末はフロック状態になると推測される。

ここでフロック状態とは、カーホン粉末か軽く凝集した
状態を指し、特にカホンブラックの場合には所謂ストラ
フチャー構造の幾分残った状態を意味する。

すなわち、水分散媒のｐＨを９．０〜１３．０から２，
０〜６．０へ移行させることにより、高分散したアルミ
ナ粉末間にフロック状態のカーホン粉末か入り込んだ構
造となり、均一な混合、分散状態の混合スラリーを得る
ことかできる。

このようにして得た混合スラリーを、窒素を含む雰囲気
中て加熱反応させて窒化アルミニウム粉末を製造する際
に、アルミナ粉末同士の焼結か抑制され、凝集粒あるい
は粗粒の少ない粒度分布のノヤープな窒化アルミニウム
粉末か得られるアルミナ粉末とカーボン粉末との混合比
率は、カーボン／アルミナのモル比で３〜１０の範囲か
好ましい。モル比が３より小さいと未反応のアルミナか
残存し、一方、ＩＯを越えると未反応カーボンの残存量
が多（なり、その除去が困難で、コスト的にも高くなる
ので好ましくない。

混合や分散の方法としては、ボールミル、超音渡分散機
などの一般的な方法やパーティカルタラニュレーター、
ウニルナ−ミキサーなとの各種の混合機を用いることか
可能であるか、直接接触する部分は金属不純物が混入し
ないような材質から成っている装置を使用することか望
ましい。

そのような混合機として、ポリエチレン、ナイロン、ウ
レタンなとの合成樹脂、天然コムあるいは合成コム、ア
ルミナや窒化アルミニウム製のもの、あるいはこれらの
材料で内張りまたはコーティングされたものを用いるこ
とか望ましい。

混合物の乾燥方法としては、通常の工業的方法か適用で
きるか、混合時のスラリー粘度か低くて乾燥時にアルミ
ナ粉末とカーボン粉末との分離が生しる恐れのあるとき
は、スプレードライ法、凍結乾燥法、ロータリーエバポ
レーター法などの方法を用いるのか好ましい。

また、必要に応して混合や乾燥と共に２０μｍ〜３ｍｍ
程度の大きさの粒子に造粒することもてきるので、造粒
することにより以後の取り扱いが容易になるという利点
かある。

このようにして得られた粉末あるいは造粒状の混合物を
、窒素を含む雰囲気中で加熱処理することにより還元窒
化反応を行うか、その雰囲気としては窒素、アンモニア
、窒素−アンモニア混合カス、窒素−水素混合カス、窒
素−アルコン混合カスなどを使用することかできる。

加熱処理温度は、通常は１４５０〜１７００°Ｃで、好
ましくは１５００〜１６００℃の範囲である。１４５０
℃未満ては還元窒化反応を十分に進行させるために長時
間を必要とし、１７００℃を越えると粗粒の生成か多く
なるので好ましくない。経済的な範囲としては１５００
〜１６００°Ｃで２〜６時間保持するのか最も適当であ
る。

更に、還元窒化反応後残存している余剰のカーボンの除
去を目的として、酸化性雰囲気中で加熱処理を行うか、
その処理温度は６００〜７５０°Ｃで１〜４時間が適当
である。

加熱処理にはオーブン型式の箱型炉やロータリーキルン
型式の回転炉など通常用いられる装置か使用できる。

Ｉ発明の効果： 本発明で得られた窒化アルミニウム粉末は、粗粒あるい
は凝集粒か少なく、粒度分布かシャープな易焼結性の窒
化アルミニウム粉末であり、これを用いることにより殆
と気孔を含まない高密度て凱伝導性に優れた焼結体を容
易に得ることかでき、熱伝導性に優れた窒化アルミニウ
ム焼結体製造用原料粉末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か、本発
明はこれらに限定されるものではない。

なお、実施例および比較例中に記載された粒度分布は（
株島津製作所製のセディグラフ５０００ＥＴにより測定
し、焼結密度は（掬島津製作所製のアルキメデス法によ
る固体比重測定装置により測定し、また、焼結体の熱伝
導度は真空理工（株製のレーサーフラッシュ法による熱
伝導度測定装置ＴＣ−７０００により測定した。

実施例１ 純度９９４９％、中心粒径か０．７μｍで１μｍ以下が
８０当の低ソーダアルミナ粉末２５５ｇに灰分０．００
５°δのアセチレンブラック（電気化学工業（掬製１０
０％プレス品）　１２０ｇ、粘度調整剤としてポリエチ
レンクリコール（和光純薬工業（掬製＃　１０００）を
３，８ｇ、ノニオン系界面活性剤としてポリオキノエチ
レンアルキルフェニルエーテル（第一工業薬品（抹製ノ
イケンＥＡ−１３７）を３．６ｇ（３重量部）、および
分散媒としてイオン交換水を１１．００ｇ加え、径２５
ｍｍのウレタンホール２００個と共に５βのポリエチレ
ン製ポ。

トに入れ、濃アンモニア水を０．５ｇ添加して水分散媒
のｐｔ＋をｌ００５に調整して、４Ｏｒｐｍの回転速度
でＩＯ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中へＩＮの硝酸を
３０ｇ添加し、水分散媒のｐｉ（を３．５へ移行させた
。

次に、この混合スラリーを乾燥機中で乾燥させた後、そ
のうち３００ｇをグラファイト製トレイに充填し、電気
炉を用いて２０β／ｍｉｎの窒素ガスを流しなから１５
５０°Ｃで８時間加熱し、還元窒化反応を行った。次に
、この反応生成物を乾燥空気中にて７００°Ｃて３時間
加熱して１３５ｇの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セディクラフによる粒度分
布曲線を第１図（１）に示す。

中心粒径は１．４μｍ、９２％か３μｍ以下の粒子で、
粗粒あるいは凝集粒の殆どない粒塵分布のノヤープな粉
末てあった。

この粉末に焼結助剤としてＹ２Ｏ３（日本イツトリウム
（掬製）を３重量％添加し、１５００ｋｇ／ａｍ２でプ
レス成形して得たクリーン成形体を窒化アルミニウムと
窒化ホウ素との混合粉末に埋め、窒素雰囲気中て１８０
０°Ｃおよび１８５０℃で５時間常圧で焼結した。

得られた焼結体の焼結密度と熱伝導度を表１に示す。

焼結温度 １８００°Ｃ １８５０°Ｃ 比較例１ 実施例１で濃ア 表−１ 焼結密度　　　熱伝導度 ３、１６ｇ／ｃｍ’　　　１８８Ｗ／ｍＫ３．２６ｇ／
ｃｍ’　　　２０６Ｗ／ｍＫンモニア水０．５ｇの代わ
りにＩＮの 硝酸を３０ｇ添加し、水分散媒のｐＨを３．５に調整し
た、このようにして得られた混合スラリーの水分散媒媒
のｐＨを変えることなく、乾燥機中で乾燥させた後、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
ム粉末を得た。

この窒化アルミニウム粉末のセディクラフによる粒度分
布曲線を第１図（２）に示す。

中心粒径は１．９μｍ、８０％か３μｍＵ下の粒子で、
凝集粒の多い粉末であった。

この粉末を実施例１と同様の方法で焼結し、得られた焼
結体の焼結密度と熱伝導度を表２に示す。

表−２ 焼結温度　　　焼結密度　　　熱伝導度１８００８Ｃ３
，０６ｇ／ｃｍ３１６４Ｗ／ｍＫ１８５０°Ｃ３，２３
ｇ／ｃｍ’　　　１９３Ｗ／ｍＫ比較例２ 実施例１で得たｐＨか１０．５の混合スラリーを、その
ｐＨを変えることなく、乾燥機中で乾燥させた後、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
粉末を得た。

この窒化アルミニウム粉末のセディクラフによる粒度分
布曲線を第１図（３）に示す。

中心粒径は２．２μｍ、６９％か３μｍ以下の粒子で、
凝集粒の多い粉末であった。

この粉末を実施例１と同様の方法で焼結し、得られた焼
結体の焼結密度と熱伝導度を表３に示す。

表−３ 焼結温度　　　焼結密度　　　熱伝導度１８００°Ｃ２
，９３ｇ／ｃｍ’　　　１４５Ｗ／ｍＫ１８５０８Ｃ３
，２２ｇ／ｃｍ’　　　１９０Ｗ／ｍＫ

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例および比較例で得られた窒化アルミニウ
ム粉末のセディグラフにより測定した粒度分布曲線を示
す図で、累積重量と粒子径の関係を示すものである。 累積型ｆｆｌ　（％） 代理人　弁理士　諸君　光熱（ほか１名）平成３年り月
／２日 平成２年特許願第１７５６９６号 ２、発明の名称 易焼結性窒化アルミニウム粉末の製造方法３、補正をす
る者 事件との関係　　特許出願人 住　所　大阪市中央区北浜四丁目５番３３号名　称　（
２０９’）住友化学工業株式会社代表者　　　　森　　
英　雄 ４、代理人 住　所　大阪市中央区北浜四丁目５番３３号５、補正の
対象 明細書の・−発明の詳細な説明廖の欄。 ６、補正の内容 （１）明細書の第７頁第９〜１０行の「チタンなどの金
属不純物か１１０００ｐｐ以下、を「チタンの含有量か
各々１１００ｐｐ以下」に訂正する。 （２）明細書の第１Ｏ頁第１〜２行の「カーホンブラッ
クＪをコアセチレンブラック２に訂正する。 （３）明細書の第１０頁第１３行の「得られる」を「得
られる。」に訂正する。 （４）明細書の第１４頁第７行の「（３重量部）」を「
（カーボン粉末１００重量部に対して３重量部）」に訂
正する。 （５）明細書の第１４頁第１９行の「１５５０°Ｃで８
時間」をｒ１５５０℃で５時間ｊに訂正する。 以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アルミナ粉末とカーボン粉末とを水分散媒中で混合し、
   窒素を含む雰囲気中で加熱反応させて窒化アルミニウム
   粉末を製造する方法において、水分散媒のｐＨが９．０
   〜１３．０の範囲でノニオン系界面活性剤をカーボン粉
   末１００重量部に対して１〜１０重量部添加し、得られ
   た混合スラリーの水分散媒のｐＨを酸を添加して２．０
   〜６．０の範囲にすることを特徴とする易焼結性窒化ア
   ルミニウム粉末の製造方法。