JPS63206306A - 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、高純度、微細で易焼結性の窒化アルミニウム
粉末の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

窒化アルミニウム（以下ＡＪＩＮ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。ＡＩＮ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ＡｉＮ焼結体の焼結性および特性は、出発原
料であるＡＩＮ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、ＡＪＬＮ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ＡｉＮ粉中に均一に分散していることが望まし
い。

ＡＩＮ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アルミナを出発原料とす
ることにより直接窒化法により若干優れたＡＪＩＮ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、均一粒径のＡＩＮ
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、中和沈殿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６１−６
１０５、特公昭６ｌ−２６４８５）。

これらの方法によって得た混合物は、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ＡＩＮ粉を得ることができるよ
うになった。

しかし、上記の改良法においても加水分解または中和沈
殿のために水またはアルカリを滴下すると、局所的に沈
殿が生成し、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ｌｐｍ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である。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ＡＩＮ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ったり１〜５ＩＬｍの粗粒
のＡＩＮとなりがちであった。

以上の問題点を解決するために、本発明者らは特願昭６
１−０５８６３において分散性、分散液の安定性に優れ
るベーマイト（ＡＪｌｏｏＨ）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
分散状態を保ったまま固化させ、これを乾燥、焼成する
ことによって微細で粒度分布範囲の狭いＡＩＮ粉を得る
方法を開示した。

上記開示において、固体炭素を炭素源として用いる場合
には、その粒径および分散状態によって、得られるＡｆ
ＬＮ粉末の粒径分布が変動し易く、例えば粒径がｌｐｍ
を超える大きさとなったり、また分散が不十分な場合に
は１ｇｍ以上の凝結したＡＩＮ粒が多数認められたり、
極端な場合には窒化が不十分でアルミナが残存する場合
もあった。

〔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、焼結性にすぐれたＡＩＬＮ粉
末の製造法に関する上記開示をさらに発展させ、優れた
Ａｌ粉末の品質をさらに向上させ、粒度分布範囲が狭く
、微細はＡＩＮ粉を安定的に再現性よく製造する方法を
提供することを目的とするものである。

〔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Ａ！ＬＮ粉末を
安定に、再現性よく製造する方法として、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。このベーマイト
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
があられれるが、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加える炭素源物質として
、水溶性の有機炭素源物質から得られる炭素と固体炭素
粉とをその重量比が０．０５〜０．５の範囲になるよう
に有機炭素源物質と固体炭素を配合した炭素源物質を用
いる。この固体炭素粉は粒径０．５ルｍ以下が好ましい
。

この炭素源物質中の全炭素量とベーマイト粉とを重量比
で０．４〜３．０の割合で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）の工程において、ベーマイトゾルと
炭素源物−の分散体の均一混合状態をそのまま保持し固
化させるために、蒸発等によって水を除き、ベーマイト
ゾルを炭素と共存させたままゲル化させ、次いで乾燥し
た後、窒素を含む非酸化性雰囲気中で焼成することが好
ましい。

ここで、水溶性の有機炭素源物質としては、水溶性のレ
ジン、リグニンスルホン酸など、ベーマイトゾルの分散
性に影響を与えず、かつ高温での炭素残留率の高いもの
が望ましい。

〔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、
ベーマイトゾルの分散状態が最適となるようにｐ　Ｈ＝
　１．２〜４．５の範囲に調整する。

次に、水溶性の有機炭素源物質から得られる炭素と固体
炭素微粉とをその重量比が０．０５〜０．５の範囲にな
るように配合して炭素源物質を調整し、この炭素源物質
中の全炭素量とベーマイト粉とが重量比で、０．４〜３
．０の割合となるように、前記ベーマイトゾルと炭素源
物質とを均一に混合する。この混合物を均一混合状態を
保持したまま固化させ、乾燥させた後、窒素を含む非酸
化性雰囲気中で１３５０〜１７００℃で焼成してＡｉＮ
粉を得る。

上記混合物を固化させる手段としては１１次の３通りが
代表的である。

ィ）　長時間混線を続ける。混線中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。

口）　混練しながら加熱等によって水を強制的に揮散さ
せ、ゲル状態にする。

ハ）　酸、アルカリ、種々のイオン、高分子ａＳ剤など
の添加によってゲル化を促進させる。

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、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、ＩＪＬｍ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、水溶性の有機炭素源物質から得られ
る炭素と固体炭素微粉とを、その重量比が０．０５〜０
．５の範囲になるように配合するのは以下の理由による
。

本発明の効果は、炭素源物質とベーマイトゾルを極限ま
で均一に混合することによって最大限達成される。これ
らの均一混合のためには、まずベーマイトと炭素が均一
に分散された状態を作り出す必要がある。

ベーマイトは上記のように水のｐＨを調整することによ
り、要分散体が得られる。一方、炭素源物質の要分散体
を得る方法としては、微粉の固体炭素を溶媒中に解膠、
分散させる方法、または溶媒（本発明の場合の溶媒は水
）に溶解する有機炭素源物質を用いる方法がある。炭素
源物質として固体炭素粉のみを用いた場合には、たとえ
微粉の固体炭素のみを使用しても通常の場合粒径は２０
０Å以上であり、かつこの微粉炭素を極限まで解膠１分
散させることは難しい、このため、ベーマイト粒の周囲
を固体炭素で覆うためには極めて多量の固体炭素が必要
であり、ＡｆＬＮ粉末の生産効率は極めて低いものとな
ってしまう、また、固体炭素の解膠、分散が少しでも不
十分な場合にはベーマイトが還元窒化されずにアルミナ
として残ったり、得られるＡｉＮ粉末の粒径が不揃いに
なり易く１品質の安定性、再現性の面からも好ましくな
い。

この問題を解決するためには、炭素の均一分散が容易な
水溶性有機炭素源物質を用いることが有効である。ただ
、有機炭素源物質を多量に使用すると、ＡＩＬＮ粉合成
時の高温過程で炭素と炭素との間の結合が強固に形成さ
れ、ベーマイトの還元窒化反応後ＡｉＮと炭素の結合し
た極めて硬い塊状物となってしまう。

すなわちＡＩＬＮと炭素との混合物を酸化性雰囲気中で
処理し、ＡＩＮ粉の酸化を抑えながら脱炭するためには
上記塊状物を予めできるだけ細かく粉砕しておくことが
重要である。塊状物が必要以上に硬い場合には粉砕に長
時間を要するだけでなく、粉砕時に不純物の混入が避け
られないほか、残留炭素分も多くなる。

以上の理由から、有機炭素源物質から得られる炭素と固
体炭素粉との比が０．０５未満の場合には添加の効果が
実質的に認められない程小さく、またこの比が０．５を
超えると還元窒化反応後のＡＪＩＮと炭素との塊状物が
極めて硬くなってしまうので、０．０５〜０．５に規制
される。

炭素源物質中の全炭素量とベーマイト粉との混合重量比
を０．４〜３．０の範囲に限定したのは以下の理由によ
る。

重量比が０．４未満の場合には還元窒化後でもアルミナ
が残存するほか、粒径も大きくなる０重量比が３．０を
超えるとＡＩＬＮ粉末の生産効率が極めて低くなり、実
際的でない。

本発明によれば、微細で（ｌＩＬｍ以下）、粒径分布の
極めて狭いＡｉＮ粉を安定に、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、先行技術をさらに改良し
たものである。

（ａ）　　水溶性有機炭素源物質を適量配合したため、
平均粒径がより小さく１粒径分布もより狭くなって成形
性、焼結性がより向上した。

（ｂ）　　先行出願では炭素の分散状態が得られるＡＩ
Ｎ粉の性状に極めて敏感に大きく影響する。

これに対して本発明では製造ばらつきが小さい。

本発明のＡｆＬＮ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することができ
、例えば金属イオン総不純物量が２００ｐｐｍ以下の純
度のものを容易に得ることができる。

さらに、本発明では微細なベーマイト粉と炭素粉を均一
に混合しているため、還元窒化時にＦ２０３　、Ｓ　ｉ
ｏ２などの不純物が容易に還元、揮散され、その結果さ
らに高純度のＡｉＮ粉を得ることができる。また、本発
明のＡｉＮ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〕

第１表に示した■〜■の配合でＡＩＮ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、ＡｉＮ粉を得た。

第１表中■、■、■、■は本発明の製造条件に適合する
実施例であり、■、■、■、■、■は比較例である。こ
れらの全てについて以下の手順で混合物を作成した。

ｐ　Ｈ＝　３．０で分散させた２０重量％ベーマイトゾ
ルと、固体炭素に分散剤と水を加えポットミルで１０時
間混練して得た炭素１５重量％分散体とを予め作成する
０両者を混合したのち、水溶性有機炭素源物質を所定量
添加する。添加後のこの混合物を攪拌しながら、加熱に
よって水を除去し、ゲル化させた後、乾燥する。

上記■〜■の９種類のＡｉＮ粉の粒度分布を第１図に、
窒化反応後および脱炭後のＡ１２０３および炭素含量を
第２表に示す、第１図中および第２表中の■〜■は第１
表中の■〜■とそれぞれ対応する。

第１図、第２表から以下のことを確認することができた
。

比較例■、■は粒径が粗く、ＡＩＮ中のＡ１２０３残量
も実施例■、■、■、■に比べて多い、また、得られた
ＡＩＮ粉の粒径分布、Ａｌ１０．含量とも製造ロフト間
でばらつき易い。

実施例■、■、■、■は比較例■、■に比べ、粒径が細
かく、粒度分布が狭く、かつロフト間のばらつきも小さ
い、脱炭後のＡｌ１　ｏａ残量、炭素残量も少ない。

比較例■、■では窒化反応後の塊状物が硬すぎるため、
粉砕時に不純物が混入し易い、アルミナ磁器を用いた場
合でも粉砕によりＡ１２　ｏａ含量が増加している（第
２表）。

また、比較例■、■は脱炭後の炭素残量も多い。

比較例■では窒化反応後にＡ１２０．が多量に残るほか
、ＡＩＮ粉の粒径も粗い。

〔発明の効果〕

本発明によって高純度で、微細な、均一粒径のＡｆＬＮ
粉を極めて安定的に、再現性よく製造することが可能に
なった。

このＡｉＮ粉を用いることにより、高密度で、高熱伝導
性、高強度のＡＩＮ焼結体を製造することが容易となり
、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ＡｊＬＮ粉末の粒度分布
を示すグラフである。

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、乾燥した後、窒素を含む非酸化性雰囲気中で焼
   成する窒化アルミニウム粉末の製造方法において、有機
   炭素源物質から得られる炭素と固体炭素粉とを重量比で
   ０．０５〜０．５の範囲に配合した炭素源物質を用い、
   かつ該炭素源物質中の全炭素量と該ベーマイト粉とを重
   量比で０．４〜３．０の割合で混合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。