JPH07215707A

JPH07215707A - 大粒径の窒化アルミニウム粉末およびその製造方法

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Publication number: JPH07215707A
Application number: JP2471794A
Authority: JP
Inventors: Takashio Rai; 高潮頼; Yuji Nagai; 裕二永井; Toshitaka Sakurai; 利隆桜井; Masatoshi Uenishi; 雅利上西
Original assignee: Toyo Aluminum KK
Current assignee: Toyo Aluminum KK
Priority date: 1994-01-26
Filing date: 1994-01-26
Publication date: 1995-08-15
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: JP3533532B2

Abstract

(57)【要約】【目的】簡易な操作条件下に粒径の大きな窒化アルミニ
ウム粒子を製造し得る新たな方法を提供することを主な
目的とする。【構成】１．レーザー回折法により測定した平均粒径
（Ｄ₅₀）が４μｍ以上で、且つＤ₅₀から算出した比表面
積（Ｓ₁ ）とＢＥＴ法により測定した比表面積（Ｓ₂ ）
との比＝Ｓ₁ ／Ｓ₂ が０．３以上であることを特徴とす
る大粒径の窒化アルミニウム粉末。２．レーザー回折法により測定した平均粒径（Ｄ₅₀）が
１０〜５０μｍの範囲にある上記項１に記載の大粒径の
窒化アルミニウム粉末。３．金属アルミニウム粉末３０〜８０重量部と窒化アル
ミニウム粉末７０〜２０重量部との合計１００重量部か
らなる混合粉末をプレス造粒した混合造粒体を窒素を含
む非酸化性雰囲気中８００〜１２００℃で焼成した後、
解砕および分級すること特徴とする上記項１に記載の大
粒径の窒化アルミニウム粉末の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、放熱用充填材料などと
して使用される窒化アルミニウム粉末およびその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】近年半導体デバイス、ＩＣな
どの高集積化が進むに従って、回路からの発熱量も増大
しており、放熱乃至熱除去を如何にして効率良く行なう
かが重要な技術的課題となっている。現在半導体デバイ
ス、ＩＣなどは、高分子材料により封止され、保護され
ている。しかしながら、この様な高分子材料は、それ自
体の熱伝導率が極めて低いので、熱伝導性を改善するた
めには、高熱伝導性の無機材料を放熱用の充填材料とし
て複合化を行なう必要がある。

【０００３】窒化アルミニウムは、高熱伝導性と電気絶
縁性とを備えているので、半導体の基板材料として実用
化されつつあり、また放熱部品材料、放熱用充填材料な
どとしても注目されている。

【０００４】しかしながら、現在市販されている窒化ア
ルミニウム粉末の殆どは、燒結体製造用の原料粉末であ
り、その平均粒子径は３μｍ以下と小さいので、凝集し
やすく、充填材料としては適していない。

【０００５】窒化アルミニウム粉末の工業的製造のため
の主な方法には、以下のようなものがある。

【０００６】（１）アルミナ質化合物の炭素粉末による
還元窒化方法；この方法は、反応速度が遅いので、通常
平均粒子径２μｍ未満程度の燒結体製造用の原料微粉末
が得られるにすぎない。

【０００７】（２）金属アルミニウム粉末の直接窒化方
法；この方法は、一般に生成物の粒子径制御が困難であ
り、製造条件によっては、微粉末或いはウイスカーが生
成しやすい。

【０００８】従って、上記の様な従来方法をそのまま使
用する場合には、大粒径の窒化アルミニウム粉末を得る
ことは困難である。

【０００９】上記（１）の方法を改良して大粒径の窒化
アルミニウムを製造する試みも提案されている。例え
ば、特開平３−２３２０６号公報は、アルミナの炭化反
応と炭化アルミニウムの還元窒化反応とを組み合わせる
ことにより、大粒径の窒化アルミニウム粉末を製造する
方法を開示している。しかしながら、この方法により製
造された窒化アルミニウム粉末の粒径は未だ十分に大き
いものとはいえず、且つ粉末の凝集を十分に防止し得な
いものと推考される。また、この方法では、製造工程で
かなりの高温（１４００〜１８００℃程度）且つ長時間
（５時間以上）の条件下での２回の熱処理と複雑なガス
制御とが必要であるため、製造コストが高く、量産性に
欠けるという問題点もある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の主な
目的は、簡易な操作条件下に粒径の大きな窒化アルミニ
ウム粒子を製造し得る新たな方法を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記のよう
な従来技術の問題点に鑑みて、鋭意研究を重ねた結果、
金属アルミニウム粉末を直接窒化して窒化アルミニウム
粉末を製造するに当たり、窒化反応発熱を利用して、窒
化反応と燒結とを同時に起こさせて窒化アルミニウム粗
粉を合成した後、解砕し、分級する場合には、平均粒径
の大きな単粒子からなる窒化アルミニウム粉末が得られ
ることを見出した。

【００１２】即ち、本発明は、下記の大粒径の窒化アル
ミニウム粉末とその製造方法を提供する。

【００１３】１．レーザー回折法により測定した平均粒
径（Ｄ₅₀）が４μｍ以上で、且つＤ₅₀から算出した比表
面積（Ｓ₁ ）とＢＥＴ法により測定した比表面積（Ｓ
₂ ）との比＝Ｓ₁ ／Ｓ₂ が０．３以上であることを特徴
とする大粒径の窒化アルミニウム粉末。

【００１４】２．レーザー回折法により測定した平均粒
径（Ｄ₅₀）が１０〜５０μｍの範囲にある上記項１に記
載の大粒径の窒化アルミニウム粉末。

【００１５】３．金属アルミニウム粉末３０〜８０重量
部と窒化アルミニウム粉末７０〜２０重量部との合計１
００重量部からなる混合粉末をプレス造粒した混合造粒
体を窒素を含む非酸化性雰囲気中８００〜１２００℃で
焼成した後、解砕および分級すること特徴とする上記項
１に記載の大粒径の窒化アルミニウム粉末の製造方法。

【００１６】一般に、大粒径の窒化アルミニウム粉末を
合成するためには、窒化反応生成物を粒成長させる、即
ち窒化反応生成物を燒結させなければならない。この様
な粒成長或いは燒結のためには、約２０００℃という高
温条件が必要である。アルミナを使用する還元窒化反応
では、吸熱反応であるため、この高温条件を達成するに
は、外部からの高価な加熱設備が必要である。その結
果、窒化アルミニウム粉末の製造コストが高くなり、量
産化が困難となる。しかるに、金属アルミニウムの直接
窒化反応では、外部からの熱補給は一切必要ではなく、
それ自身の反応熱のみで反応温度は約２０００℃に到達
する。

【００１７】金属アルミニウム粉末の発熱反応を利用す
る本発明方法においては、発熱量、即ち反応温度は、金
属アルミニウム粉末と窒化アルミニウム粉末とからなる
原料混合粉末中の金属アルミニウム粉末の配合比率を調
整することにより、容易に制御し得る。

【００１８】金属アルミニウム粉末としては、高純度
（９９．５％以上）の微粉末（例えば平均粒径６０μｍ
以下程度のアトマイズドアルミニウム粉末）が好まし
い。

【００１９】窒化アルミニウム粉末としては、やはり高
純度（９９．５％以上）の微粉末（例えば平均粒径１０
μｍ以下程度の粉末）が好ましい。なお、窒化アルミニ
ウム粉末としては、必要に応じてアルカリ土類金属（カ
ルシウム、ストロンチウム、バリウムなど）、希土類金
属元素（イットリウム、ランタン、セリウムなど）また
はその化合物（イットリアなど）を少量添加したものを
も使用することができる。この様な第３成分の添加によ
り、燒結の促進による粒子の更なる粗大化が行われ、酸
素のトラップ効果による粉末の熱伝導率の改善などが達
成される。本発明においては、この様な第３成分を含有
するものをも、窒化アルミニウムというものとする。

【００２０】本発明において、使用する原料混合物は、
金属アルミニウム粉末３０〜８０重量部（より好ましく
は４０〜７０重量部）と窒化アルミニウム粉末７０〜２
０重量部（より好ましくは６０〜３０重量部）との合計
１００重量部を原料として使用する。金属アルミニウム
の配合割合が少なすぎる場合には、反応発熱量が不十分
となり、大粒子の形成率が低くなるのに対し、金属アル
ミニウムの配合割合が多すぎる場合には、金属アルミニ
ウム粒子相互の融着が激しくなって、かえって窒化反応
が妨げられ、窒化率が低下する。

【００２１】直接窒化反応は、反応速度が早く、反応物
の高温での滞在時間が極めて短い（数分乃至十数分程
度）ので、窒化アルミニウムへの不純物酸素の固溶が少
なく、熱伝導率に悪影響を及ぼすアルミニウム酸窒化物
（ＡｌＯＮ）の形成が抑制されるが、生成物の粒成長に
十分な時間が得られない。従って、本発明では、定常的
に反応を進行させ、燒結を促進するために、金属アルミ
ニウム粉末と窒化アルミニウム粉末とからなる原料混合
物粉末を成形し、造粒しておく必要がある。この際、上
記のアルカリ土類金属、希土類金属元素およびその化合
物を少量（７％程度まで）添加しておくことにより、反
応燒結速度をさらに促進することができる。造粒体の形
状、寸法、かさ密度などは、特に限定されないが、厚さ
０．５〜５ｍｍ程度で、理論密度の３０〜７０％程度の
かさ密度を有するペレット状とすることが好ましい。造
粒は、特に限定されず、公知の任意の方法により行うこ
とができる。造粒に際しては、不純物の混入を避けるた
めに、バインダーは使用しないことが好ましい。本発明
で使用する原料アルミニウム粉末は、柔らかい材料であ
って、バインダーとしての機能をも発揮するので、別個
にバインダーを添加する必要はない。

【００２２】次いで、上記で得られた造粒体を例えばる
つぼなどの容器にに充填し、窒素を含む不活性雰囲気中
において８００〜１２００℃程度の温度で焼成する。焼
成時間は、充填量などにより異なるが、通常１０分乃至
３時間程度である。

【００２３】上記のようにして得られた窒化アルミニウ
ム燒結体は、解砕され、粉末とされる。解砕方法は特に
限定されず、振動ミル、ボールミル、ジェットミルなど
を使用して行うことができる。

【００２４】上記のようにして解砕された窒化アルミニ
ウム粉体は、ついで必要ならば、分級される。分級に際
しては、未解砕の凝集粉をスクリーン分級などにより除
去した後、４μｍ以下の微粉をターボ分級などの乾式分
級により、或いは沈降などの湿式分級により、除去すれ
ばよい。本発明における窒化アルミニウム粉末の粒径
は、１０〜５０μｍ程度の範囲にあることがより好まし
い。また、本発明における窒化アルミニウム粉末は、レ
ーザー回折法で測定した平均粒径（Ｄ₅₀）が４μｍ以上
で、且つＤ₅₀から算出した比表面積（Ｓ₁ ）とＢＥＴ法
により測定した比表面積（Ｓ₂ ）との比＝Ｓ₁ ／Ｓ₂ が
０．３以上であることを必須とする。

【００２５】放熱用充填材料としては、一般に大粒径で
且つ凝集性の低い単粒子粉末が求められる。窒化アルミ
ニウム粉末の平均粒径（Ｄ₅₀）が４μｍ未満である場合
には、凝集しやすい。凝集粒子が形成される場合には、
樹脂が凝集粒子内の空隙に入り難いので、成形体の密
度、強度、熱伝導率などの特性が劣る。また、凝集粒子
は、比表面積が大きく、化学的活性が高いので、放熱用
充填材料としての化学的安定性にも劣る。一方、窒化ア
ルミニウムの単粒子と凝集粒子とは、粒度分布測定では
区別し難いし、比表面積Ｓのみで単粒子であるか否かを
判断することもできない。また、ＳＥＭ写真のみでは、
判断し難い。

【００２６】しかるに、本発明者の研究によれば、上記
の比Ｓ₁ ／Ｓ₂ により、窒化アルミニウム粉末の粒子の
大きさに関係なく、すべての粒子の単粒子状態を評価す
ることが可能であることが見出された。則ち、比Ｓ₁ ／
Ｓ₂が大きい程、粒子が単粒子状態に近くなること、お
よびこの比が０．３以上、特に０．４以上である場合に
は、放熱用充填材料として優れた特性を発揮することが
見出された。これに対し、既存の窒化アルミニウム粉末
においてみられる様に、比Ｓ₁ ／Ｓ₂ が０．３未満であ
る場合には、凝集粒子が多く含まれるので、流動性、充
填性などに劣り、充填樹脂成形体の密度および熱伝導率
などを低下させる。

【００２７】本発明による窒化アルミニウム粉末は、必
要ならば、酸化アルミニウム皮膜の形成、燐酸系皮膜の
形成或いはシリコン系有機カップリング剤の塗布などに
よる表面処理に供することができる。この様な表面処理
により、窒化アルミニウム粉末の耐水性を高温高湿条件
下においても、安定的に維持することができるという効
果が達成される。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、平均粒径および球形度
（Ｓ₁／Ｓ₂）が大きく、流動性および充填性に優れた窒
化アルミニウム粉末を低価格で量産することができる。

【００２９】また、本発明による大粒径の窒化アルミニ
ウム粉末を放熱用充填材料として使用する場合には、よ
り高密度で、より高熱伝導率の放熱部品を容易に得るこ
とができる。

【００３０】また、本発明による大粒径の窒化アルミニ
ウム粉末は、高熱伝導率を有するので、シーズヒーター
などの絶縁材料としても、有利に使用される。

【００３１】

【実施例】以下に実施例および比較例を示し、本発明の
特徴とするところをより一層明確にする。本発明がこの
様な実施例および比較例により、限定されるものではな
いことはいうまでもない。

【００３２】なお、以下における物性値の測定は、下記
のような方法により行った。

【００３３】（１）平均粒径（Ｄ₅₀；μｍ）は、常法に
従って超音波分散した後、レーザー回折装置（堀場製作
所製「Ａ−５００型」）を使用して、レーザー回折法に
より求めた。即ち、粒度分布曲線の全粒子数の５０％に
相当する粒子の粒子径をＤ₅₀とする。

【００３４】（２）比表面積（Ｓ₁ ；ｍ²／ｇ）は、下
記の式から求めた。

【００３５】Ｓ₁＝６／（Ｄ₅₀×３．２６）但し、６は定数で、３．２６（ｇ／ｃｍ³）は窒化アル
ミニウムの真密度である。

【００３６】（３）比表面積（Ｓ₂ ；ｍ²／ｇ）は、Ｂ
ＥＴ比表面積測定装置（湯浅アイオニクス（株）製）を
使用して、一点法、窒素排気流量７００ｍｌ／分の条件
で測定した。（４）成形体密度（ｇ／ｃｍ³）は、密度計（長計量器
製作所製「ＪＬ−１８０型」）を使用して、アルキメデ
ス法により求めた。

【００３７】（５）成形体の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）は、
熱伝導率測定装置（リガク（株）製「ＰＣＭ−ＦＡ８５
１０Ｂ型」）を使用して、レーザーフラッシュ法により
求めた。

【００３８】実施例１平均粒径２６．２μｍのアトマイズドアルミニウム粉末
６０重量部に平均粒径６．５μｍの窒化アルミニウム４
０重量部を加えて混合した後、厚さ約１ｍｍのペレット
状に造粒した。次いで、造粒体を黒鉛るつぼに充填し、
窒素雰囲気下に１０００℃で１時間焼成した。

【００３９】得られた反応生成物を振動ミルにより２０
分間解砕した後、ターボ分級した。得られた粉末をＸ線
回折に供した結果、これはＡｌＮ単相からなっているこ
とが確認された。得られたＡｌＮ粉末の粒子構造を示す
ＳＥＭ写真を図１として示し、その特性を表１に示す。

【００４０】次いで、分級後に得られた粉末８０重量部
とイミド変性エポキシ樹脂粉末（商標“Ｂｅｓｔｌｅｘ
ＬＳ”、住友化学工業（株）製）２０重量部とをボー
ルミルで十分に撹拌混合した。得られた混合試料０．３
ｇを加熱成形プレス機により、１８０℃で２５分間加熱
し、直径１０ｍｍ×高さ２ｍｍの成形体を得た後、さら
に２００℃で２時間加熱処理して、硬化させた。得られ
た成形硬化体の密度と熱伝導率とを表１に併せて示す。

【００４１】なお、使用したイミド変性エポキシ樹脂の
密度は１．２３ｇ／ｃｍ³であり、熱伝導率は０．２３
Ｗ／ｍＫであった。

【００４２】実施例２平均粒径２５．８μｍのアトマイズドアルミニウム粉末
４０重量部に平均粒径６．８μｍの窒化アルミニウム６
０重量部を加えて混合した後、実施例１と同様にして造
粒、焼成、解砕、分級して得られた窒化アルミニウム粉
末の粉体特性を表１に示す。

【００４３】分級後に得られた粉末を実施例１と同様に
して樹脂に混合し、成形体を得た。成形硬化体の密度と
熱伝導率とを表１に併せて示す。

【００４４】実施例３平均粒径２６．０μｍのアトマイズドアルミニウム粉末
６０重量部に平均粒径６．６μｍの窒化アルミニウム４
０重量部と平均粒径約１μｍのイットリア粉末２重量部
を加えて混合した後、実施例１と同様にして造粒、焼
成、解砕、分級して得られた窒化アルミニウム粉末の粉
体特性を表１に示す。

【００４５】分級後に得られた粉末を実施例１と同様に
して樹脂に混合し、成形体を得た。成形硬化体の密度と
熱伝導率とを表１に併せて示す。

【００４６】比較例１平均粒径２５．３μｍのアトマイズドアルミニウム粉末
４０重量部に平均粒径６．４μｍの窒化アルミニウム６
０重量部を加えた混合粉末を黒鉛るつぼに充填し、窒素
雰囲気下に１０００℃で１時間焼成した。

【００４７】得られた反応生成物を振動ミルにより２０
分間解砕した後、ターボ分級した後、実施例１と同様に
して樹脂に混合し、成形体を得た。成形硬化体の密度と
熱伝導率とを表１に併せて示す。

【００４８】比較例２〜３平均粒径２５．５μｍのアトマイズドアルミニウム粉末
２５重量部に平均粒径６．４μｍの窒化アルミニウム７
５重量部を加えた混合粉末を黒鉛るつぼに充填し、窒素
雰囲気下に１０００℃で１時間焼成した。

【００４９】得られた反応生成物を振動ミルにおいてそ
れぞれ２０分間（比較例２）および１２０分間（比較例
３）解砕し、窒化アルミニウム粉末を得た。これらの粉
末の粉体特性を表１に示す。

【００５０】また、上記で得られた２種の粉末をそれぞ
れ実施例１と同様にして樹脂に練り込み、成形体を得
た。成形硬化体の密度と熱伝導率とを表１に併せて示
す。

【００５１】

【表１】表１に示す結果から、予め原料混合物の造粒を行わない
場合（比較例１〜３）には、得られた窒化アルミニウム
の平均粒径が４μｍ以上であっても（比較例１〜２）、
Ｓ₁／Ｓ₂の値が０．３未満となり、樹脂成形体の密度が
低く、且つ熱伝導率も低いことが明らかである。さら
に、Ｓ₁／Ｓ₂の値が０．３以上であっても、得られる窒
化アルミニウムの平均粒径が３μｍ未満である場合（比
較例３）には、樹脂成形体の相対密度が低く、熱伝導率
も低い。

【００５２】なお、比較例１〜３で使用した粉末の平均
粒径は、凝集粒子径である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により得られたＡｌＮ粉末の粒子構造を
示すＳＥＭ写真である。

フロントページの続き (72)発明者桜井利隆大阪府大阪市中央区久太郎町三丁目６番８号東洋アルミニウム株式会社内 (72)発明者上西雅利大阪府大阪市中央区久太郎町三丁目６番８号東洋アルミニウム株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー回折法により測定した平均粒径
（Ｄ₅₀）が４μｍ以上で、且つＤ₅₀から算出した比表面
積（Ｓ₁ ）とＢＥＴ法により測定した比表面積（Ｓ₂ ）
との比＝Ｓ₁ ／Ｓ₂ が０．３以上であることを特徴とす
る大粒径の窒化アルミニウム粉末。
【請求項２】レーザー回折法により測定した平均粒径
（Ｄ₅₀）が１０〜５０μｍの範囲にある請求項１に記載
の大粒径の窒化アルミニウム粉末。
【請求項３】金属アルミニウム粉末３０〜８０重量部と
窒化アルミニウム粉末７０〜２０重量部との合計１００
重量部からなる混合粉末をプレス造粒した混合造粒体を
窒素を含む非酸化性雰囲気中８００〜１２００℃で焼成
した後、解砕および分級することを特徴とする請求項１
に記載の大粒径の窒化アルミニウム粉末の製造方法。