JPS63225506A - 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〕 本発明は凝集粒が少なく粒径分布・のシャープな窒化ア
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〕

ＩＣパッケージ、基板材料には従来よりアルミナが用い
られているが、ＬＳＩ等の高集積化、高速化、高出力化
に伴い、チップの発熱を効率よく系外に逃がす必要性が
高まり、アルミナよりも熱伝導性が良く、放熱性に優れ
た材料が要望されている。

窒化アルミニウムは高い熱伝導性を有すると共に絶縁抵
抗、絶縁耐圧、誘電率等の電気的特性および強度等の機
械的特性に優れており、放熱性に優れたパッケージ、基
板材料として注目されている材料である。

窒化アルミニウム粉末の製造方法としては（１）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、（２）アルミナもしくはアルミナ水和物
とカーボンとの混合物を窒素を含む雰囲気中で加熱する
還元窒化法の二つが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が、これらの表面には酸化物皮膜が
存在し窒化反応後酸素不純物として窒化アルミニウム中
に含まれる。また、発熱反応でありアルミニウムの溶着
による塊状の生成物が出来やすく、窒化反応後粉砕して
粒度を調整する。このため、不純物が混入しやすく高純
度の窒化アルミニウム粉末が得られにくい、それ故、高
熱伝導性基板を得るた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、後者の還元窒化法が有力視され
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この還元窒化法は原料として高純度、微粉末のアルミナ
を用いれば、それ相応の高純度窒化アルミニウム粉末が
得られることは知られているが、原料のアルミナ粉末に
比較して粗粒または凝集粒の多い粒径分布の広い窒化ア
ルミニウム粉末しか得られていないのが現状である。

粗粒、凝集粒の多い粒径分布の広い粉末を原料に用いて
焼結した場合には、一般に気孔が多く含まれた焼結体が
得られ易い、窒化アルミニウムの場合は特に気孔が熱伝
導率を悪くする原因となるため、粗粒、凝集粒の少ない
シャープな粒径分布の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、原料となるアルミナ粉末とカーボン粉末と
は十分に混合されることが必要である。−ｉ的には湿式
ボールミル等の混合手段が用いられる。本来、アルミナ
粉末は親水性表面を有しており、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分散、混合させることは非常に
難しく、それ故この方法で得られた窒化アルミニウム粉
末には多くの粗粒、凝集粒が存在するという問題があっ
た。この傾向は水を分散媒として用いたときに特に顕著
であり、いくらかでも凝集粒の少ない窒化アルミニウム
粉末を得るために有機溶媒を分散媒とする方法も提案さ
れているが、それでもなお凝集粒が存在し、粒径分布が
広いものしか得られず必ずしも満足できるものではなか
った。

本発明の目的は水を分散媒としたときの原料アルミナ粉
末とカーボン粉末の分散、混合を良くして、原料として
用いたアルミナ粉末と殆ど同等に粗粒および凝集粒の少
ない粒径分布のシャープな窒化アルミニウム粉末を製造
する方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段］ 本発明はアルミナとカーボンの混合物を窒素を含む雰囲
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、アルミナ粉末とカーボン粉末を水溶性の
高分子界面活性剤を含んだアルミニウム塩水溶液を用い
て湿式混合することにより、アルミナ粉末とカーボン粉
末が十分に分散、混合された混合物を得、その混合物を
窒素を含む雰囲気中で加熱して還元窒化反応させ、粗粒
及び凝集粒の少ない粒径分布のシャープな窒化アルミニ
ウム粉末を得ることを特徴とする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が出来る。しか
し、中心粒径が１０μｍ以上と大きいアルミナ粉末を原
料とすると、窒化を十分進ませるために高温、長時間の
加熱を必要とし、粗粒、凝集粒の存在するアルミナ粉末
を用いると原料の分散、混合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、凝集粒が混在すること
を避けられない、また、鉄、マグネシウム、シリコン等
の不純物は焼結体の熱伝導率に悪影響をおよぼすと言わ
れている。従って、通常、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粗系ｌＯμ鋼以下、好まし
くは５μ麟以下で鉄、マグネシウム、シリコン等の不純
物が出来るだけ少ない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、通称低ソーダア
ルミナ、高純度アルミナとして販売されているものが適
当である。

カーボン粉末は出来るだけ高純度で微粉のものを用いる
。好ましくは一次粒子径が１μｍ以下、灰分０．３重量
％以下の粉末が使用される。このようなカーボン粉末と
してはアセチレンブラック、チャンネルブラック、ファ
ーネスブラック等が知られており、この中でもより高純
度という点でアセチレンブラックが好ましい、取り扱い
の点からいうと分散が容易であれば、０．３〜１．５閣
に造粒した粒吠のものや、プレス圧縮した粉状のものを
用いるのが有利である。

アルミニウム塩としては塩化アルミニウム、硝酸アルミ
ニウム、硫酸アルミニウム等の水溶性のアルミニウム塩
が使用される。その添加量はアルミナに対しＡＩ元素重
量に換算してｏ、ｏｏｓ重量％から１．ＯＪｌ量％の範
囲が適当である。　　０．００５重量％以下ではアルミ
ナの表面に十分な荷電が与えられず、分散が十分に成さ
れず凝集粒の多い窒化アルミニウム粉末しか得られない
、また、１．０重量％以上では還元窒化工程における加
熱の際、分解して有毒な腐食性ガスの発生量が多くなる
ので好ましくない。

水溶性の高分子界面活性剤としてはポリエチレングリコ
ール、ポリプロピレングリコール、澱粉、ゼラチン、ポ
リビニルアルコール、ポリアクリル酸等の増粘効果およ
び保護コロイド作用のあるものが用いられる。その添加
量はアルミナとカーボンの総量に対し、０．２重量％か
ら５．０重量％の範囲が適当である。０．２重量％未満
ではこれら高分子界面活性剤の増粘効果および保護コロ
イド作用が十分な効力を示さず、アルミナ粉末とカーボ
ン粉末が十分密着せず、反応が十分に進まなかつたり、
凝集粒を生じたりする。また、５．０重量％を越えると
粘度が高くなり過ぎたりするので取扱い上好ましくない
。

このようにアルミナ粉末とカーボン粉末を水溶性の高分
子界面活性剤を含んだアルミニウム塩水溶液を用いて湿
式混合することにより、均一なアルミナ粉末とカーボン
粉末の混合物が得られるが、通常ポリオキシエチレンア
ルキルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキル
エーテ゛ル等のノニオン系界面活性剤やイソプロピルア
ルコール等ノアル、コールを高分子界面活性剤と共にア
ルミニウム塩水溶液に添加しておくのが好ましい、これ
はカーボン粉末のより良い分散に効果的である。

アルミナ粉末とカーボン粉末の混合比率は、カーボン／
アルミナモル比で３〜１ｏの範囲が好ましい０モル比が
３より小さいと未反応アルミナが残存し、一方１０を越
えると未反応カーボンの残存量が多くなり、その除去が
困難となり、且つコスト的にも高くなるので好ましくな
い。

混合分散方法としてはボールミル、超音波分散、法等の
一般的な方法やパーティカルグラニエレーター等の各種
混合機を用いることが出来るが、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出来ている装置を
使用することが望ましい、そのようなものとしてポリエ
チレン、ナイロン、ウレタン等の合成樹脂、天然あるい
は合成ゴムおよびアルミナや窒化アルミ製のものあるい
はこれらの材料で内張りあるいはコーティングされたも
のを用いることが望ましい。

混合物の乾燥方法としては通常の工業的方法を用いるこ
とが出来るが、混合時のスラリー粘度が低く乾燥時にア
ルミナ粉末とカーボン粉末の分離等が生じる恐れのある
ときは、スプレードライ、凍結乾燥、ロータリーエバポ
レーター等の方法を用いるのが好ましい、また、必要に
応じて混合や乾燥と共に２０．ｕｍ〜３−程度の大きさ
の粒子に造粒することも出来、造粒すると以後の取り扱
いがよりたやすくなるという利点がある。

このようにして得られた混合物（粉末又は造粒物）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
応を行うが、その雰囲気としてはＮ８、ｌｌｌ５．　Ｎ
５−ＮＨｓ混合ガス、　Ｎ諺’Ｉ’ｍ混合ガス、Ｎ寓−
＾ｒ混合ガスを使用することが出来る。　　・加熱処理
温度は一般に１４５０〜１７００℃、好ましく“は１５
００〜１６００℃の範囲が適当である。　１４５０”Ｃ
未満では還元窒化反応を十分進めるために長時間を要し
、１７００℃を越えると粗粒の生成が多くなるので好ま
しくない、経済的な面も考慮して１５０Ｇ−１６００℃
の温度で２〜６時間保持するのが最も適当である。

さらに、還元窒化反応後残存してい・る余剰カーボンの
除去を目的として酸化性雰囲気中で加熱処理を行うがそ
の処理条件は６００〜７５０　”Ｃ１１〜４時間が適当
である。

〔発明の効果〕

本発明方法で得られた窒化アルミニウム粉末は粗粒、凝
集粒が少なく、粒径分布がシャープであり、これを用い
ることにより殆ど気孔を含まない高密度で熱伝導性に優
れた焼結体を容易に得ることができ、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が、本発
明はこれらにより限定されるものではない。

実施例　１ 純度９９．９χ、セディグラフによる中心粒径０．７μ
腸、１μ園以下８０χの低ソーダアルミナ粉末３０６ｇ
と灰分０．００５にのアセチレンブラック　１００χブ
レス品２１６ｇおよび硝酸アルミニウム［ＡＩ　（ＮＯ
ｓ）　ｓ・９Ｈ，Ｏ］１１．３ｇ　、高分子界面活性剤
としてポリエチレングリコール１０００５．２ＪＩおよ
びポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテルからな
るノニオン系界面活性剤１５．１ｇを溶解したイオン交
換水２６００ｇを、直径１５閣のナイロンボール６００
個と共にポリエチレン類のポットに入れ、４０　ＲＰＭ
の回転速度でｌＯ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を乾燥器で乾燥さ
せた後、その５００ｇをグラファイト製トレイに採取し
、電気炉を用いて２００ｃｍ／ｍｉｎ、の速度で窒素ガ
スを流しなから１５５０°Ｃで５時間加熱し、還元窒化
反応を行った０次いでこの反応生成物を空気中にて７０
０℃で３時間加熱して２１８ｇ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分析結果を第１表に示した
が、焼結用原料として十分な高純度の粉末であった。

さらに、第１図にセディグラフによる粒径分布曲線（１
）を示したが、中心粒径１．３μｍ、３μｍ以下９５χ
の粗粒、凝集粒の殆どない粒径分布のシャープな粉末で
あった。

この粉末に焼結助剤としてＣａＯ換算１重量％の炭酸カ
ルシウムを添加して、１５００ｋｇ／　ａｍ”でプレス
成形した後、成形体を窒化アルミニウムと窒化ホウ素の
混合粉末に埋め、窒素雰囲気中で１８５０℃で３時間常
圧で焼結した。

得られた焼結体は気孔のない透光性を示す焼結体で、そ
の密度も３．２６ｇ／ｃｖ’と殆ど理論密度に達してい
た。

実施例　２ アルミナ原料として純度９９．９９χ、中心粒径０．５
μｓ、１μ閣以下９０χの高純度アルミナ粉末を用いた
以外は実施例１と同様にして窒化アルミニウム粉末を得
た。

その分析結果を第１表に示したが、非常に高純度の粉末
であった。

また、第１図にセディグラフによる粒径分布向ｍ（２）
を示したが、中心粒径０．８ＪＩｍ、　　３ｇｍ以下９
７χの粗粒、凝集粒の殆どない粒径分布のシャープな粉
末であった。

得られた粉末を実施例１と同様の方法で焼結したところ
、乳白色で透光性を有した気孔のない焼結体かえられ、
その密度は３．２６ｇ／ｃｍ’で殆ど理論密度に達して
いた。

比較例 純度９９．９χ、セディグラフによる中心粒径０．７μ
ｍ、１μ−以下８０χの低ソーダアルミナ粉末３０６ｇ
と灰分０．００５χのアセチレンブラック　１００χプ
レス品２１６ｇおよびポリオキシエチレンアルキルフェ
ニルエーテルからなるノニオン系界面活性剤１５．１ｇ
を溶解したイオン交換水２６．００　ｇを、直径１５閣
のナイロンボール６００個と共にポリエチレン類のポッ
トに入れ、４０　ＲＰＭの回転速度で１０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を乾燥器で乾燥さ
せた後、その５００ｇをグラファイト製トレイに採取し
、以下実施例１と同様にして還元窒化反応および空気中
加熱による炭素除去を行って２１８ｇの窒化アルミニウ
ム粉末を得た。その分析結果を第１表に示した。また、
第１図にセディグラフで求めた粒径分布曲線（３）を示
したが、中心粒径３．０μ−，３μ−以下５０χの粉末
であり、走査型電子顕微鏡の観察では一次粒径は実施例
１で得られたものと大差はないが、凝集粒の多い粉末で
あった。

得られた粉末を実施例１と同様の方法で焼結したところ
、その密度は３．１２　ｇ／ｃｍ’で気孔の多い焼結体
しか得られなかった。

第　　１　　表

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例、比較例で得られた窒化アルミニウム粉
末のセディグラフで求めた粒径分布曲線を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アルミナとカーボンの混合物を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、アルミナ粉末とカーボン粉末を水溶性の高分子界
   面活性剤を含んだアルミニウム塩水溶液を用いて湿式混
   合して得られる混合物を使用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