JPS62207703A - 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】 （発明の技術分野） 本発明は窒化アルミニウムの新規な製造方法に関し、詳
しくはその焼結体に高い熱伝導性、透光性、耐食性等の
性状を与える高純度の窒化アルミニウム粉末を多量また
は連続的に製造するための好適な方法を提供するもので
ある。

（従来技術およびその問題点） 窒化アルミニウムは、焼結体が一般に高熱伝導性、高絶
縁性、高耐食性、高強度等の優れた工業的特性を有する
ため、例えば高密度実装用基板、高出力半導体素子のヒ
ートシンク、高出力）ＴＩＣ基板など各種工業材料のセ
ラミックス原料として注目されている。また、特開昭５
９−５０００８号公報には、特定した超微粉体でかつ含
有酸素量が極めて少ない高純度の窒化アルミニウム粉末
が、優れた焼結性を有し焼結条件によっては高い透光性
を有する焼結体になることが示されている。

従来、窒化アルミニウム粉末の製造方法としては、次の
２つの代表的な方法が知られている。即ち、金属アルミ
ニウム粉末を窒素含有ガスの雰囲気下に高温度で窒化す
るアルミニウムの直接窒化法と、アルミナ粉末およびカ
ーボン粉末の混合物を窒素含有ガスの雰囲気下に高温度
で焼成するアルミナの還元窒化法とがある。前者の直接
窒化法では、窒化率を上げるために原料である金属アル
ミニウムの粉砕、さらに生成した窒化アルミニウムを焼
結体に供するための粉砕が必要になるばかりでなく、粉
砕に伴う不純物の混入が避けられない。これに対して、
後者のアルミナ還元窒化法では、比較的細かく粒度の揃
った高純度の窒化アルミニウム粉末を得ることが出来る
。しかしながら、このようなアルミナ還元窒化法により
窒化アルミニウム粉末を多量かつ連続的に製造しようと
する場合忙は、アルミナ粗末とカーボン粉末との原料混
合物を均一な高温度および窒素ガス濃度に維持すること
が難しく、焼成による還元窒化の反応が良好に達成され
ないため、良品質の窒化アルミニウム粉末を得ることが
出来ない問題がある。

したがって、窒化アルミニウム粉末の工業的な製造方法
は一一般に小規模な焼成炉において少量のバッチ式反応
であった。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは、上記の問題に鑑みて高品質の窒化アルミ
ニウムを多量かつ連続的に製造する方法について鋭意研
究を重ねた。その結果、竪型焼成炉に於いてアルミナ粉
末とカーボン粉末との原料混合物を供給し、窒素含有ガ
スの雰囲気下に高温度で焼成して窒化アルミニウムを製
造するにあたり、該原料混合物を予め造粒しペレットに
して用いることにより、目的とする良品質の窒化アルミ
ニウムが容易に得られることを見り出して、本発明を完
成するに至ったものである。即ち、本発明によれば、ア
ルミナ粉末とカーボン粉末との混合物をバインダーの存
在下に造粒したペレットを得た後、該ペレットを竪型焼
成炉に供給して窒素含有ガスの雰囲気下に１４００〜１
８００℃の温度で焼成することを特徴とする窒化アルミ
ニウムの製造方法が提供される。

本発明の製造方法は、具体的には竪型焼成炉に上部から
アルミナ粉末とカーボン粉末との混合物より造粒したペ
レットを供給して充填し、窒素含有ガスの雰囲気下に高
温度で焼成し、該焼成炉の下部から生成する窒化アルミ
ニウムのペレットを順次釦取り出す態様である。しかし
て、本発明においては、上記のアルミナ粉末とカーボン
粉末よりなる原料混合物を予め造粒しベレツトにして竪
型焼成炉に供給することが、目的とする窒化アルミニウ
ムを良好に得るために極めて重要で、特に造粒した原料
ペレット１個当りの圧壊強度を２〜４０Ｋｔにして、竪
型焼成炉に供給することが目的とする窒化アルミニウム
を良好に得るために好ましい。即ち、かかる本発明の原
料ペレットは、竪型焼成炉における供給時の機械的衝撃
による破壊、充填荷重による圧壊。

高温度の焼成による崩壊などを殆んど伴わないため、該
ペレットの間隙を窒素含有ガスが均一に流通しながら高
温度の焼成が良好に達成される。その結果、本発明によ
れば原料ペレッとのアルミナが均質に還元窒化され、良
好な窒化アルミニウムのペレットを得るコトができる。

また本発明において、原料ペレッとの焼成により生成す
る窒化アルミニウムのペレットは、１個当りの圧壊強度
＃ｕ一般に８０〜４０００ｇに維持されるため、崩壊す
ることがなく、そのまま次いで酸素含有ガスの雰囲気下
に焼成して均一な酸化反応が達成される。かぐして、酸
化焼成後における窒化アルミニウムのペレットは、１個
当りの圧壊強度が０〜数１０ｇに低下するため、未粉砕
または特別の粉砕手段を要することなく解砕され容易に
粉末状化することが出来る。したがって、本発明におい
て竪型焼成炉に供給する原料ペレット１個当りの圧壊強
度を２〜４０障に特定するとともに、得られる窒化アル
ミニウムペレットの１個当りの圧壊強度を一般に８０〜
４０００１１となる程度に焼成することも至って重要で
ある。

これに対して、原料ペレット１個当りの圧壊強度が２〜
より小さい場合には、該原料ペレッとの竪型焼成炉忙お
ける供給（投入）時の機械的衝けｋよる破壊、充填荷重
による圧壊、高温度の焼成による崩壊などを生じるため
、窒素含有ガスの均一な流通が阻害され、高温度の焼成
による還元窒化の反応が均質に達成されず、ひｂては良
好な窒化アルミニウムを得ることが出来ない結果を招く
。さらに上記した如き原料ペレッとの崩壊などが激しく
粉化した場合には、竪型焼成炉において詰りを生じて、
窒素含有ガスの流通および高温度の焼成が不十分となり
、還元窒化の反応に長時間を要すばかりでなく、ついに
は反応が不可能に至る。他方、原料ペレット１個当りの
圧壊強度が４０−より大きい場合には、竪型焼成炉にお
いて該原料ペレッとの破壊、圧壊、崩壊などが殆んど生
じないため、窒素含有ガスの均一な流速により高温度の
焼成が連続的に達成される。しかしながら、このような
１個当りの圧壊強度が４０Ｋｆより大きい原料ペレット
を用いた場合には、均質な窒化アルミニウムが得られ難
い傾向にあり、均質な窒化アルミニウムを得るためには
長時間の焼成が必要゛である。この理由は明確には出来
ないが、原料ペレツト１個当りの圧壊強度が４０匂より
大きい場合には、固締されているために、該ペレットの
内部まで焼成が十分に達成されず、アルミナの完全な還
元窒化反応に長時間を要するものと推測される。また、
かかる１個当りの圧壊強度が４０Ｋｔより大きい原料ペ
レットを用いた場合には、得られる窒化アルミニウムの
ペレットカ一般に４０００．９より大きい圧壊強度を有
するため、次論で該窒化アルミニウムペレブトを酸素含
有ガスの雰囲気下に焼成しても、容易に圧壊強度が低下
しな−。したがって、窒化アルミニウム粉末を得るため
には、別途に粉砕手段を必要とするばかりでなく、該粉
砕による不純物の混入する問題がある。

本発明において原料となるアルミナ粉末およびカーボン
粉末は、それぞれ混合してペレットが造粒しＪｐＩイよ
うな粉状物であれば特に制限されないが、前記した特開
昭５９−５０００８号公報に記載のように高純度の窒化
アルミニウムを得るためには、次のようなアルミナ粉末
およびカーボン粉末が好適に使用される。即ち、アルミ
ナ粉末は、純度９９．０重量％以上、好ましくは９９．
９重量％以上、平均粒子径が２μｍ以下、好ましくは１
μｍ以下のものが採用される。また、カーボン粉末は、
灰分０．２重量％以下の純度、平均粒子径１μｍ以下の
ものが好ましく採用される。このようなアルミナ粉末と
カーボン粉末の粒子径が上記した範囲以外のものを使用
する場合には、生成する窒化アルミニウムの平均粒子径
が２μｍ以下の窒化アルミニウムが得られず、また未反
応アルミナが通常３重量％以上に残存するため、低酸素
含有量の微粉末とはならない傾向がある。さらに、アル
ミナ粉末とカーボン粉末の純度が上記した範囲以外の場
合には、これらに含まれる陽イオン不純物が殆んどその
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
め陽イオン不純物量の少ない粉末を得ることができない
。

上記したようなアルミナ粉末とカーボン粉末とは、混合
比を一般に重量比で１：０．４〜１：１．特にカーボン
灰分かも混入する不純物を低減するために１　：　０．
４〜１：０．７の範囲に混合して調合することが好適で
ある。また、アルミナ粉末とカーボン粉末との混合は、
乾式あるいは湿式のどちらでも良いが、該アルミナを均
一に反応させて反応率を上げるためには、充分に均一混
合することが好ましい。

湿式混合で使用する液体分散媒体としては、特に限定さ
れず、一般に炭化水素、脂肪族アルコール又はこれらの
混合物が好適に使用される。例えば、脂肪族アル；−ル
としては、一般にメチルアルコール、エチルアルコール
。

イソプロピルアルコール等が、また炭化水素としては一
般にリグロイン、石油エーテル。

ヘキサン、ベンゼン、トルエン等が好適に使用される。

炭化水素、脂肪族アルコールに混合しであるいは単独で
エーテル類、エステル類等も必要に応じて使用出来る。

なお、上記混合の条件および装置は特に限定されず、窒
化アルミニウムに不可避的に混入する不純物を抑制出来
れば良い。

本発明において、アルミナ粉末とカーボン粉末との混合
物をバインダーの存在下に造粒。

乾燥して原料ペレットを製造する方法は特に制限されな
いが、該原料ペレット１個当りの圧壊強度が２〜４０Ｋ
ｆとなるように製造することが好ましく、一般に公知の
造粒方法および装置を採用１−で製造することが出来る
。

バインダーとしては、上記した１個当りの圧壊強度が２
〜４０に４の原料ペレットを容易に造粒することが出来
、また焼成時に＃原料ペレットが融解や焼結を起すこと
なく、さらに得られる窒化アルミニウムに不純物として
残存しないようなバインダーが好着しく用いられる。こ
のようなバインダーとしては、一般に有機系バインダー
が好適であり、例えばポリビニールアルコールなどの水
溶性高分子体、ヒドロ、キシエチルセルロース、カルボ
キシメチルセルロース、ｓｒ蜜、また疎水性バインダー
である石油樹脂、フェノール樹脂などが挙げられるが、
特に限定されるものではない。原料ペレットの造粒は、
アルミナ粉末とカーボン粉末との混合物にバインダーを
添加して１例えば転勤型、押出型、圧縮型などの造粒機
を用いて、一般に球状０円柱状のペレットを成形して得
ることが出来る。特に、１個当りの圧壊強度ｂζ２〜ａ
ｏＫｆの原料ペレットを容易に得るためには、押出造粒
が好ましく採用される。また、押出造粒により円柱ペレ
ットを予め造粒した後、該円柱ペレットを球状ペレット
に整粒する二段造粒でも良ぐ、特に限定されるものでは
ない。なお造粒した原料ペレットは、一般に１００〜１
３０℃の温度で乾燥することが好ましい。このようにし
て得られる本発明の原料ペレットは平均粒径が一般に５
〜２０％、好ましくは８〜１５％の粒度の揃ったペレッ
トであり、１個当りの圧壊強度が一般に２〜４０Ｋｔ、
好ましくは１０〜３０Ｋｔ、また空隙量が一般に０．１
〜ｏ−ａ５ｄ／Ｉである。

次に、本発明は上記した原料ペレットを、竪型焼成炉に
供給して窒素含有ガスの雰囲気下に、１４００〜１８０
０’Ｃの温度で焼成する。竪型焼成炉としては、円筒の
形状で原料ペレットの供給口および生成した資化アルミ
ニウムの取出口を有する構造であればよ（、特に原料ペ
レットが連続的に供給（投入）し充填されかつ生成物が
連続的に取り出し可能な構造が好ましく、代表的には、
上部に供給口（投入口）、下部に取出口を有して、内部
または外部に加熱機構を有する構造である。

窒素含有ガスとしては純窒素ガス、窒素を含有するガス
、またはアンモニアなど高温度の焼成において窒素ガス
に容易に変化し得る本のであればよい。このような窒素
含有ガスは、竪型焼成炉の上部又は下部から連続的また
は間欠的に導入して原料ペレットと十分化接触させなが
ら高温度の焼成に供する。また竪型焼成炉における窒素
含有ガスは、原料ペレットのアルミナが十分に還元窒化
される窒素濃度に維持すればよく、一般に生成する排ガ
ス中の一酸化炭素の分圧を１０％、特に３％以下に制御
すればよい。他方、焼成条件は、焼成温度を一般に１４
００〜１８００℃、好ましくは１５００〜１７００℃に
維持して、一般に１〜１０時間、好ましくは３〜６時間
の焼成により、アルミナが充分に還元窒化されて目的と
する良好な窒化アルミニウム粉末を得ることができる。

即ち、焼成温度が１４００℃より低い場合には、原料ペ
レットにおけるアルミナの還元窒化が充分に達成されず
、長時間の焼成を要するばかりでなく、特に酸素含有量
の小さい窒化アルミニウムを得ることが出来ない。また
、焼成温度が１８００℃より高い場合忙は、アルミナの
還元窒化反応は短時間に充分に達成されるが、生成する
窒化アルミニウムの粒子径が大きくなるため、所望の窒
化アルミニウム粉末を得ることが出来なり０ 本発明の原料ペレットを窒素含有ガスの雰囲気下に焼成
して得られる窒化アルミニウムのペレットは、一般に未
反応のカーボンを含有しているため、次いで該ペレット
を空気または酸素の存在下に一般に６５０〜７５０℃の
温度で焼成して、該カーボンを酸化して除去することが
好ましい。なお、上記した酸化焼成する温度が７５０℃
より高い場合には窒化アルミニウムの表面が過剰に酸化
されるため、目的とする窒化アルミニウム粉末の酸素含
有量が増大する傾向がある。

（発明の効果） 上記した本発明忙おいて、アルミナ粉末とカーボン粉末
との混合物よりなる原料ペレットを窒素含有ガスの雰囲
気下に焼成して、得られる窒化アルミニウムのペレット
は、１個当りの圧壊強度が一般に８０〜４０００ｇであ
る。次いで、上記の窒化アルミニウムのペレットは、酸
素含有ガスの雰囲気下に焼成することｋより、容易に解
砕されて窒化アルミニウムの粉末を得ることが出来る。

かぐして得られる窒化アルミニウム粉末は、一般に平均
粒子径が２μｍ以下で、酸素含有量が１．５　ｌｉ景％
以下かつ陽イオン不純物が０．３重量％以下である。こ
のような窒化アルミニウム粉末は、何ら助剤を用いるこ
となく高純度かつ高密度の焼結体を得ることが出来、ま
た該焼結体は、高い透光性を有する。また、このような
窒化アルミニウムの焼結体は、熱的性質１機械的性質に
おいても優れた特性を有する。さらｋ、本発明の窒化ア
ルミニウム粉末は、α−サイアロンやβ−サイアロンな
ど一連のサイアロン化合物の原料としても好適に使用さ
れる。

（実施例） 以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれらの実施
例に限定されるものではない。

なお、本発明における圧壊強度の測定は、本屋式硬度計
および粒体硬度計によった。なお測定個数は２０個とし
、その算術平均値で示した。また、平均粒子径の測定は
堀場製作所製自動粒度分布測定器ＣＡＰＡ−５００によ
った。窒素の分析は、−の瀬等（窯業協会誌、８３４６
５　　（１９７５））の方法によった。

実施例　１ 純度９９．９９重量％、平均粒子径０．５２μｍのアル
ミナと灰分０．０８重量％、平均粒子径０．４５μｍの
カーボンブラックとを１対０．５の割合（重量比）で、
エタノールを分散媒トして湿式混合により原料を調合し
た。次いでこの調合原料に７．０重量％のポリビニール
アルコール（ＰＶＡ）水溶液を固体／液体＝１．１４の
割合（重量比）になるように添加し、３０分間混練して
湿潤原料を調製した。

上記の湿潤原料を、ダイス径８．０％のスクリュ一式前
押出型造粒機にて８．０％φ×８．０％Ｌの円柱ペレッ
ト＜成形した後、該円柱ペレットを整球機にて調合原料
の１０重量％添加して造粒し、平均粒子径８％の球状ペ
レットを製造した。次いで、この球状ペレットを乾燥機
にて１１０〜１２０℃の温度で、十分に脱水、乾燥した
。得られた球状ペレット１個当りの圧壊強度は１８−で
あった。

内容積３．ＯＬの竪型焼成炉に上記の球状ペレットを充
填した後、９素ガスを５ｔ／ｍｉｎの割合で、焼成炉の
下部から上部へ流通させながら、１５７０℃の温度で１
２０分間焼成を行った。焼成後のペレット１個当りの圧
壊強度は１１００ｇであった。次いで、同じ竪型焼成炉
において、窒素ガスの代りに空気を流通させながら、該
ペレットを７００℃の温度で１８０分間焼成して酸化処
理した。

上記の酸化処理後に得られる窒化アルミニウムのペレッ
トは容易に解砕し粉末化され、平均粒子径が２μｍ以下
、比表面積ｂＺ　４．５　Ｗ？／ｉであった。

また、この窒化アルミニウム粉末を分析した結果、粉末
Ｘ線回折では窒化アルミニウムの単−相であり、窒素含
有量は３３．８重量％であった。

実施例　２ 実施例１の調合原料に対して、ポリビニールアルコール
とフェノール樹脂の添加濃度を変化させ、それ以外は実
施例１と同様にして球状ペレットを調製した後、脱水・
乾燥した。

上記したバインダーの添加濃度と乾燥して得られた球状
ペン１８１個当りの圧壊強度とを＠１表に示す。第１表
に示す球状ペレットを実施例１と同様に窒素ガスの雰囲
気下に焼成した後、さらに空気の存在下に焼成して、窒
化アルミニウム粉末を得た。得られた窒化アルミニウム
粉末の性質を第１表に示す。

第１表

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アルミナ粉末とカーボン粉末との混合物をバインダ
   ーの存在下に造粒、乾燥して得たペレットを、竪型焼成
   炉において窒素含有ガスの雰囲気下に１４００℃〜１８
   ００℃の温度で焼成することを特徴とする窒化アルミニ
   ウム粉末の製造方法 ２、アルミナ粉末が純度９９．９重量％以上、平均粒子
   径２μｍ以下でありかつ、カーボン粉末が灰分０．２重
   量％以下、平均粒子径１μｍ以下である特許請求の範囲
   第１項記載の製造方法 ３、アルミナ粉末とカーボン粉末とが重量比で１：０．
   ４〜１：１の混合物を用いる特許請求の範囲第１項また
   は第２項記載の製造方法 ４、バインダーがポリビニルアルコール、またはポリビ
   ニルアルコールとフェノール樹脂との混合物である特許
   請求の範囲第１項記載の製造方法 ５、アルミナ粉末とカーボン粉末よりなる混合物にバイ
   ンダーを添加・混合した後、円柱ペレットに造粒するか
   、または該ペレットを球状ペレットに整形することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の製造方法 ６、窒素含有ガスの雰囲気下で焼成した後に得られるペ
   レット１個当りの圧壊強度が８０〜４０００ｇである特
   許請求の範囲第１項記載の製造方法 ７、窒素含有ガスの雰囲気下で焼成した後のペレットを
   、酸素含有ガスの雰囲気下６５０〜７５０℃で焼成する
   特許請求の範囲第１項記載の製造方法 ８、アルミナ粉末とカーボン粉末よりなる混合物をバイ
   ンダーの存在下に造粒、乾燥して得たペレット１個当り
   の圧壊強度が２〜４０Ｋｇのペレットを、竪型焼成炉に
   連続的に供給し、窒素含有ガスの雰囲気下１４００〜１
   ８００℃の温度で焼成することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の製造方法