JPH064481B2 - 窒化アルミニウム粉末の製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えば高熱伝導性セラミック基板を製造す
るために使用される窒化アルミニウム粉末の製法に関す
るものである。

〔従来の技術〕

ＩＣ等に代表される半導体素子の高集積化や大電力化が
進み、これに伴って、放熱性の良い電気絶縁材料が要求
されるようになった。これに応えて各種の高熱伝導性基
板が提案されている。その中でも、特に、窒化アルミニ
ウムセラミック基板が、高熱伝導性、低熱膨張性、高電
気絶縁性等の点で優れていることから、実用化が進んで
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、この窒化アルミニウムセラミック基板は、価
格が高いという欠点がある。高価格になる原因として
は、特に、原料となる窒化アルミニウム粉末が高価格で
あること、焼結に高温を要することなどが挙げられる。

従来、窒化アルミニウム粉末は、酸化アルミニウムとカ
ーボン粉末の混合物を、窒素雰囲気中で焼成して製造す
る炭素還元法、金属アルミニウムを窒素もしくはアンモ
ニアガス気流中で焼成して製造する直接窒化法等によっ
て製造されていた。

しかし、上記の金属アルミニウムの直接窒化法において
は、高純度で粒径の小さい窒化アルミニウム粉末を得る
ことが困難であり、酸化アルミニウムの炭素還元法にお
いては、反応に高温を要すること、原料価格が高いこ
と、などから窒化アルミニウムが高価格になる等の問題
があった。

アルミナの炭素還元法の改良として、アルミニウム源を
溶液状態で混合した後、水分を除去して、アルミニウム
源を含む粉末を製造し、この粉末を焼成することによっ
て窒化アルミニウム粉末を製造する方法が提案されてい
る（特公昭61-26485号公報）が、この方法は、溶液中に
おいて、アルミニウム源が懸濁状態で混合されているだ
けで、分子オーダーでの混合がなされないため、反応に
高温を要することになり、結局窒化アルミニウムの製造
価格が高くなるなどの問題が残っている。

そこで、この発明の課題は、上記従来技術の問題点を解
消し、高純度かつ微粒子の窒化アルミニウムを安価かつ
腐食性および電気材料としての適性低下を回避しつつ製
造することのできる方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため、この発明にかかる窒化アルミ
ニウム粉末の製法は、金属アルミニウム粉末と塩化アン
モニウム粉末とをモル比で塩化アンモニウム／金属アル
ミニウム＝2.0〜5.0の範囲で配合してなる混合物を、窒
素を含む非酸化性雰囲気中、７００℃以上１４００℃以
下の温度で焼成するようにしている。

〔作 用〕

金属アルミニウムと混合する塩化アンモニウムをモル比
で金属アルミニウムの２倍〜５倍という適切な量で配合
して介在させることと、窒素含有の非酸化性雰囲気中、
７００℃以上１４００℃以下の温度という適切な条件で
焼成することとにより、窒化アルミニウムの生成反応が
良好に行われるようになり、高純度であるとともに、例
えば１μｍ以下の微粒子の窒化アルミニウム粉末が、比
較的低温での焼成で得られるようになる。アルミニウム
の融点以上の温度での焼成であっても、未反応Ａｌの残
存がきわめて少なくなるのである。

また、塩化アンモニウムの介在で比較的低い温度で焼成
が行えるとともに塩化アンモニウムはフッ化アンモニウ
ムや臭化アンモニウムに比べて価格が低いことから、得
られる窒化アルミニウム粉末は安価であるし、塩化アン
モニウムがフッ化アンモニウムの如く腐食性の強いフッ
素を含むというようなことがないため腐食性の問題も回
避することが出来る。

〔実 施 例〕

ついで、この発明の実施例について、詳しく説明する。

金属アルミニウムと塩化アンモニウムは、何れも固体粉
末状のものを混合して混合物は製造し、この混合物を焼
成する。

この発明の製法は、焼成工程での窒化アルミニウムの生
成反応が、気相を含む反応によって進行するため、出発
原料となる金属アルミニウム粉末の粒径には、余り影響
されない。したがって、金属アルミニウム粉末の粒径に
ついては、特別に限定する必要はないが、通常300メッ
シュ以下の粉末を用いるのが好ましい。

塩化アンモニウムは、窒化アルミニウムの生成反応にお
いて、化学輸送媒体的な役割を果たすことによって、前
記したような、この発明の作用が発揮できるものと考え
られる。

金属アルミニウムと塩化アンモニウムの配合比は、勿
論、モル比で塩化アンモニウム／金属アルミニウム＝2.
0〜5.0の範囲で実施することになる。2.0未満では配合
効果が十分でなく、5.0を越すと塩素残存量が多くな
る。

焼成雰囲気となる、窒素を含む非酸化性雰囲気として
は、Ｎ₂ガスが好ましいが、アンモニアガス等を含む非
酸化性雰囲気を使用してもよい。

焼成温度は、勿論、７００℃以上１４００℃以下の温度
範囲で実施する。焼成温度が７００℃未満であると、製
造された窒化アルミニウム粉末中に塩素分および未反応
Ａｌの残存が多く認められ、このような不純物を含む窒
化アルミニウム粉末を用いて製造された窒化アルミニウ
ムセラミックは、絶縁性が悪くなる等、電気特性上の難
点がある。また、焼成温度が1400℃を超えると、焼成時
の焼きしまりが顕著になり過ぎ、製造された窒化アルミ
ニウム粉末の粒子が大きくなって、微粒子化が無理とな
る。

また、この発明の製法においては、上記した製造条件に
加え、通常の窒化アルミニウム粉末の製法において用い
られている適宜添加剤を使用したり、通常の前処理工
程、後処理工程をつけ加える場合もある。

なお、この発明の製法で製造された窒化アルミニウム粉
末は、電子素子用の絶縁基板の他、各種の電子材料、そ
の他のセラミックスを製造するための原料として好適に
使用されるが、前記したような特徴を生かすことができ
れば、上記用途に限定せずに使用することができる。

つぎに、上記したこの発明の製法の効果を実証するため
に、具体的に窒化アルミニウム粉末を製造し、比較例と
ともに種々の実験を行った結果を示す。

−実験例１− 金属アルミニウム（Ａｌ）粉末（99.79％、300メッシュ
アンダー品）と塩化アンモニウム（ＮＨ₄Ｃｌ）粉末
を、種々のモル比で乾式混合し、Ｎ₂気流中において、
種々の温度条件で３時間焼成して、窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）粉末を製造した。製造品について目的物質で
あるＡｌＮ含有量、不純物であるＣｌ残存量および平均
粒径を測定した。その結果を第１表〜第３表に示してい
る。

第１表は、ＮＨ₄Ｃｌ／Ａｌのモル比を2.0と一定値にし
て、焼成温度を違えたときに、製造される窒化アルミニ
ウム粉末の特性変化を示している。

第２表は、焼成条件をＮ₂気流中、800℃、３時間と一定
条件にして、ＮＨ₄Ｃｌ／Ａｌのモル比を違えたときの
特性変化を示している。

第３表は、第１表および第２表の各試験条件で製造され
た窒化アルミニウム粉末を用い、これを焼結させて製造
した窒化アルミニウムセラミックスの電気抵抗値を測定
した。なお、窒化アルミニウム粉末の焼結は、当該窒化
アルミニウム粉末に対し、５重量％のＹ₂Ｏ₃を添加した
後、1800℃、Ｎ₂ガス中で３時間行った。

−実験例２− 金属アルミニウム粉末（99.79％、300メッシュアンダー
品）とフッ化アンモニウム（ＮＨ₄Ｆ）または臭化アン
モニウム（ＮＨ₄Ｂｒ）粉末を、種々のモル比で乾式混
合し、Ｎ₂気流中において、種々の温度条件で３時間焼
成して、窒化アルミニウム粉末を製造した。製造品につ
いて、ＡｌＮ含有量、ＦまたはＢｒ残存量および平均粒
径を測定した。その結果を第４表〜第６表に示してい
る。

第４表は、ＮＨ₄Ｆ／ＡｌまたはＮＨ₄Ｂｒ／Ａｌのモル
比を3.0と一定値にして、焼成温度を違えたときに、製
造される窒化アルミニウム粉末の特性変化を示してい
る。

第５表は、焼成条件をＮ₂気流中、850℃、３時間と一定
条件にして、ＮＨ₄Ｆ／ＡｌまたはＮＨ₄Ｂｒ／Ａｌのモ
ル比を違えたときの特性変化を示している。

第６表は、第４表および第５表の各試験条件で製造され
た窒化アルミニウム粉末を用い、これを焼結させて製造
した窒化アルミニウムセラミックスの電気抵抗値を測定
した。なお、窒化アルミニウム粉末の焼結は、当該窒化
アルミニウム粉末に対し、５重量％のＹ₂Ｏ₃を添加した
後、1800℃、Ｎ₂ガス中で３時間行った。

以上の結果から、塩化アンモニウムをモル比で金属アル
ミニウムの２〜５倍の範囲で用いる実施例の窒化アルミ
ニウム粉末の製造の場合、ＡｌＮ含有量が高いとともに
未反応Ａｌや塩素等の不純物の含有量が少ない高純度の
粒子であって、しかも平均粒径の極めて小さな微粒子の
窒化アルミニウム粉末を、比較的低い焼成温度で製造で
きることが実証できた。また、７００℃という低い目の
温度から１４００℃という高い目の温度まで、広い範囲
の焼成温度において、良好な品質の窒化アルミニウム粉
末を製造できることも実証できた。

また、この発明で使用する塩化アンモニウムの場合は、
フッ化アンモニウムや臭化アンモニウムの場合に比べて
価格が低いし、フッ化アンモニウムの場合に比べると腐
食性も少なく、臭化アンモニウムの場合と比べると高純
度のものが得やすいという利点がある。塩化アンモニウ
ム使用の実験品１０と臭化アンモニウム使用の実験品２
８を比較すると、実験品１０の方が焼成温度が５０℃低
いにもかかわらず、塩化アンモニウム使用の実験品１０
の方が純度のよいものが得られている。

〔発明の効果〕

この発明にかかる窒化アルミニウム粉末の製法は、以上
に述べた構成であるため、下記の有用な効果(1)〜(5)を
奏することが出来る。

効果(1) 得られる窒化アルミニウム粉末が確実に高純
度となる。

これは、塩化アンモニウムを最低でもモル比で金属アル
ミニウムの２倍という十分な量で介在させることと、窒
素含有の非酸化性雰囲気中、７００℃以上１４００℃以
下の温度という適切な条件で焼成することとにより、未
反応Ａｌ量が極めて少なくなるからである。未反応Ａｌ
が多量に残存すると絶縁性が十分でなくなる等の問題が
起こるが、このようなことが回避できるのである。

効果(2) 得られる窒化アルミニウム粉末を微粒子とす
ることができる。

これは、塩化アンモニウム粉末の介在により、１４００
℃以下の温度で十分な焼成が行えるため、粒子が大きく
なり過ぎるということがなくなるからである。１４００
℃を越す焼成温度では、微細な窒化アルミニウム粉末を
得ることが無理になる。

効果(3) 得られる窒化アルミニウム粉末が安価であ
る。

これは、塩化アンモニウム粉末の介在で比較的低い温度
で焼成が行えるとともに、塩化アンモニウムがフッ化ア
ンモニウムや臭化アンモニウムに比べてコストが低くて
済むからである。電子材料などの場合、安価であること
は非常に有用なことである。

効果(4) 腐食性の問題を回避して製造が行える。

これは、塩化アンモニウムがフッ化アンモニウムの如く
腐食性の強いフッ素を含むというようなことがないから
である。

効果(5) 塩化アンモニウムの配合により、窒化アルミ
ニウム粉末の電気材料としての適性が低下するようなこ
ともない。

塩化アンモニウムは窒化アルミニウムの電気材料として
の適性を低下させる恐れがあるが、塩化アンモニウムの
配合量を多くともモル比で金属アルミニウムの５倍以下
と塩素が多量に残存しない範囲に抑え、塩素残存量の少
なくなる７００℃という下限温度を越えた温度で焼成を
行うことで防げるのである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属アルミニウム粉末と塩化アンモニウム
   粉末とをモル比で塩化アンモニウム／金属アルミニウム
   ＝2.0〜5.0の範囲で配合してなる混合物を、窒素を含む
   非酸化性雰囲気中、７００℃以上１４００℃以下の温度
   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
   法。