JPS63274605A - 窒化アルミニウム粉末組成物の製造方法 - 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】 イ０本発明の利用分野 本発明は窒化アルミニウム粉末の製造方法に関するもの
であり、特に高熱伝導性、高電気絶縁性、耐熱耐食性等
を必要とする電子回路部材、耐熱部材に用いられる窒化
アルミニウム焼結体の原料粉末として、高純度で粒径の
小さい窒化アルミニウム粉末組成物の製造方法に関する
ものである。

口、従来技術 従来、窒化アルミニウム粉末の製造方法としては、（１
）金属アルミニウムの粉末または薄片を窒素またはアン
モニアガス中で加熱し、直接窒化する方法あるいはＣ）
酸化アルミニウム粉末に炭素粉末を混合し、窒素または
アンモニアガス中で加熱し還元窒化する方法、（３）金
属アルミニウムを溶融し窒素ガス中でアトマイズにより
霧状にして窒化する方法、（４）アルミニウムのハロゲ
ン化物とアンモニアガスとを反応させる方法、（５）ア
ルミニウム塩化アンモニウムを熱分解する方法等が知ら
れている。しかし上記（１）の方法では、金属アルミニ
ウム粉末の融解凝集による窒化率低下防止のために、金
属アルミニウムの融点以下の温度から窒化の完了する１
３００〜１６００℃まで長時間緩慢な加熱を行い、ある
いは窒化反応の途中で粉末を粉砕して再び窒化反応を行
い、さらに窒化完了した粉末を粉砕して粒径の調整を行
う必要あった。このため製造工程が繁雑で長時間を要し
、また熱エネルギー消費も大であった。

上記（２）の方法においても製造された窒化アルミニウ
ムの窒化率を向上させるために、カーボアを過剰に添加
し、窒素含有雰囲気中で１７００〜２０００℃の高温で
還元窒化後、残存カーボンを酸素含有雰囲気中６００〜
８００℃で除去する必要があり、（１）の方法と同様に
製造に長時間を要し、多大な熱エネルギーが必要であっ
た。

上記（３）の方法においては、生成される窒化アルミニ
ウム粉末の粒径が最小でも約１０μ−程度の粗粒であり
、粒度分布も広いものであった。

上記（４）　、　（５）の方法は、工業的規模で窒化ア
ルミニウムを作るのには適していない。

窒化アルミニウムはイオン結合性が大きく、Ｂ焼結性の
物質であり、窒化アルミニウム粉末の焼結体を製造する
場合、なんらかの焼結助剤を添加し、焼結を促進するこ
とが知られている。しかしながら、焼結体の密度および
熱伝導率等は焼結前の焼結助剤の粉末形状、粒度分布、
分散状態によって大きく影昔される。焼結助剤は通常エ
タノール等の有機溶剤を用いてボールミル等により湿式
混合を行うが、この方法では、助剤の粉末形状、粒度分
布、分散状態の制御に限界があり、満足すべきものでは
なかった。

ハ９発明が解決しようとする問題点 本発明は上記した従来の窒化アルミニウム粉末製造およ
び焼結助剤添加法の欠点に鑑み、特性の優れた窒化アル
ミニウム焼結体を容易に得ることのできる窒化アルミニ
ウム粉末組成物を短時間でエネルギー効率よく製造する
方法を提供するものである。

二１問題点を解決するための手段 本発明は、窒素含有雰囲気中で金属アルミニウム粉末と
窒化アルミニウム粉末およびまたは周期律表ＩＩａ、Ｉ
ＩＩａ族含有化合物粉末が、酸化物族、ＩＩＩａ族含有
化合物又は金属粉末の少くとも１種を含む混合粉末およ
び又は成形体の１部を加熱して窒化反応を開始し、反応
に際して生じる発熱により、隣接する部分の窒化反応を
連鎖的に進行させ、短時間に系全体の窒化反応を終了さ
せることにより高純度で微粒かつ特性の優れた窒化アル
ミニウム焼結体を容易に得ることのできる窒化アルミニ
ウム粉末組成物を短時間でエネルギー効率よく製造する
方法に関する。

窒化アルミニウムの標準生成熱は−△Ｈ”　ｚｓａｗ＝
　　３２０ＫＪ／　ｍｏ１２であり、金属アルミニウム
の窒化時に大口の熱を発生する。この発熱を窒化反応の
エネルギーとして利用し、連鎖的に窒化発熱反応を進行
される。この反応を制御するために窒化アルミニウム粉
末および窒化アルミニウムの焼結全促進する化合物又は
金属を添加することにより、金属アルミニウム粉末より
、窒化アルミニウムを主成分とする粉末組成物を合成す
る方法が本発明の要旨である。

金属アルミニウム粉末の連鎖的窒化反応を進行させるた
めには、反応を開始する部分及び反応が進行する部分に
ある金属アルミニウム粉末の表面に反応に必要な十分の
窒素源が存在する必要がある。このため窒素含有雰囲気
を１．０気圧以上に加圧する。窒素含有雰囲気としては
窒素又はアンモニアあるいはそれらを含有する非酸化性
ガスが工業的に使用できる。但し、圧力が１．０気圧未
満であると窒素存在量が小となり連鎖的窒化反応が進行
しない。

また金属アルミニウム粉末単体であると窒化反応時の発
熱が大きすぎて、金属アルミニウム粉末が融解、凝集し
て反応が進行しないか、反応が進行しても窒化されない
アルミニウムが残存してしまう。これを防止するため緩
衝剤として窒化アルミニウム粉末およびＩＩａ族、ｎＩ
ａ族元素含有化合物又は金属粉末の少くとも１種を添加
する。金属化合物としては窒化アルミニウムの焼結を促
進するＩＩａ族、ＩＩａ族の酸化物、炭化物、窒化物、
炭酸塩、硝酸塩、蓚酸塩が好ましく、これら化合物のウ
チでも、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、イツ
トリウム、ランタン系希土類化合物は特に焼結促進効果
が著しく好ましい。

ａ新剤の添加量は金属アルミニウム１重量部に対して０
．０５〜２，０重量部の範囲が好ましい。すなわち０．
０５重量部未満であると緩衝剤としての効果がなく、２
．０重量部を越えると窒化反応時の発熱が小さすぎて反
応が進行しない。

金属アルミニウム粉末重量の１．５２倍と窒化アルミニ
ウム粉末重量との合計重量に対し、ＩＩａ族、Ｉ［Ｉａ
族含を化合物または金属の少なくとも１種以上合計重量
が０．２〜２０重量％の範囲であることが好ましい。す
なわち０．２重量％以下であると、生成した窒化アルミ
ニウム粉末組成物を用いた窒化アルミニウム焼結体の緻
密化が促進されず、２０重量％を越えると緻密化は促進
されるが熱伝導率が低下する。

混合粉末の製法としては、ボール・ミル、振動ミル等の
公知の方法でよく、混合粉末及び成形体の１部を加熱す
る方法は特に限定はなくカーボン等の抵抗体加熱、電子
ビーム、レーザー等を用いることができる。

本発明で用いる金属アルミニウム粉末および窒化アルミ
ニウム粉末は粒度が小さく、酸素含有量および酸素を除
く不純物量が小さいことが望ましく、金属アルミニウム
粉末は平均粒径３０μ膳以下、酸素含有量が２重量％以
下、酸素を除く不純物量が０．５重量％以下、窒化アル
ミニウム粉末は平均粒径８μｍ以下、酸素含有量が３重
量％以下、酸素を除く不純物量が０．２重量％以下であ
ることが特に好適である。以下実施例により詳しく説明
する。

実施例１ 平均粒径８μ出、酸素含有量０．８重量％、酸素を除く
不純物量０．３重量％の金属アルミニウム粉末に平均粒
径ｌ、０μｍ、酸素含有量１．２重量％、酸素を除く不
純物ｆｆｉ　０．０１重量％の窒化アルミニウム粉末（
ＭＮ＞を金属アルミニウム粉末１重量部に対して０．９
重量部、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ＊）　０．１２重量
部の割合で添加し、エタノールを媒液として内面をナイ
ロンでライニングしたボール・ミル、ポットと外面をナ
イロンでライニングしたボールとにより１２時間混合し
、窒素ガス中で加熱乾燃し、混合粉末を作製した。この
混合粉末をφ１１×φ５Ｘ　１５ａ＋ａ＋のベレット状
に金型成形し、試料として第１図に示す反応装首内にセ
ットした。圧力容器５内にガス供給管４より窒素ガスを
導入し、５０気圧の圧力とした。試料１の底部をリボン
ヒーター２に７００Ｗの電力を約３秒間通電して加熱し
た。窒化反応は底部から上部へ進行し約１．５秒で反応
が完了した。このベレットを解砕して粉末とし、Ｘ線回
折パターンを測定した所、金属アルミニウムのピークは
認められなかった。含有窒素の分析を行った所、添加し
た炭酸カルシウムを除いた重量の３３．４重量％であっ
た。走査型電子顕微鏡により粉末を観察した結果０．３
μｍから３μｍ程度の粒度であった。

この合成された窒化アルミニウム粉末組成物５００ｇに
上記記載の窒化アルミニウム粉末１２５ｇを加えて、エ
タノールを媒液として、内面をナイロンプライニングし
たボール・ミル、ポットを窒素ガスを封入し、外面をナ
イロンプライニングしたボールを加えて２４時間混合後
、窒素ガス中で加熱乾燥して混合粉末を作製した。この
混合粉末をφ１２．５Ｘ　３．５ｍｍの寸法のベレット
状に成形し、窒素雲囲気中で１９００℃で焼結した。焼
結体の密度および熱伝導率をアルキメデス法およびレー
ザー・フラッシュ法で測定した所、それぞれ３．２３　
ｇｌａｄ、　１６０１１／　ｍ″ｋを示し、緻密で高熱
伝導性を有する多結晶窒化アルミニウム焼結体となって
いた。

実施例２，３．４，５，６．７ 炭酸カルシウム（ＣａＣ０−）の替りに、硝酸カルシウ
ム（Ｃａ（Ｈａｓ）ｉ　’　４　ＨＪ）、炭酸バリウム
（ＢａＣＯ＊）、硝酸バリウムＣａ（ＮＯｓ）ｚ　、酸
化イツトリウム（Ｙ２Ｏ−）、酸化セリウム（ＣａＯ＝
）、蓚酸イツトリウム（Ｙ−（Ｃａ０４）ａ・８１１Ｊ
）とした以外はすべて実施例１と同一条件で合成および
焼結を行った。その結果を第１表に示した。

実施例８ 金属アルミニウム粉末（Ｍ）１重量部に対して、炭酸カ
ルシウム（ＣａＣ０５）０．５重量部の割合で添加した
以外は実施例１と同一条件で窒化アルミニウム粉末組成
物を合成し、この合成された窒化アルミニウム粉末組成
物１００ｇに窒化アルミニウム粉末４２５ｇを加えた以
外は実施例１と同一条件で窒化アルミニラ焼結体を作製
した。その結果を第１表に示した。

実施例９．１０ 炭酸カルシウム（ＣａＣ０＝）の替りに、酸化イツトリ
ウム（Ｙ、０３）、硝酸バリウムＢａ　（Ｎｏ、）２と
した以外は、すべて実施例８と同一条件で合成および焼
結を行った。その結果を第１表に示した。

実施例１１．１２．１３．１４ 金雇アルミニウム粉末（Ａ＃）１重量部に対して、炭酸
カルシウム（Ｃ’ａＣＯｓ）、硝酸カルシウム（Ｃａ　
（Ｎｏｓ）　ｚ、硝酸イツトリウム（Ｙ（ＮＯｓ）！、
酸化イツトリウム（Ｙ、０．）を各々０．２．０．３．
０．３．０．１５重量部の割合で添加し、実施例１と同
じ方法で窒化アルミニウム粉末組成物を合成した。

解砕後、この粉末組成物をφ１２．５　Ｘ　３．５ａｓ
のベレット状に成形し、実施例１と同一条件で窒化アル
ミニウム焼結体を作製した。その結果を表１に示した。

実施例１５．１６ 金属アルミニウム粉末（Ｍ）　１重量部、窒化アルミニ
ウム粉末（ＡＩＮ）０．６重量部に加え、炭酸カルシウ
ム（ＣａＣＬ）、酸化イツトリウム（Ｙ、０．）を各々
０．２．０．１部の割合で添加し、実施例１１〜１４と
同一方法で合成、焼結を行った。その結果を第１表に示
した。

次に本発明の効果を明確にするため比較実施例を説明す
る。

比較例１ 窒素ガス圧力を０．７気圧とした以外はすべて実施例１
と同一条件で合成を行ったが、窒化反応が進行しなかっ
た。

比較例２ 窒化アルミニウム粉末０．０２重量部、炭酸カルシウム
（ＣａＣＯ＝）　０．０１重量部とした以外はすべて実
施例１と同一条件で合成を行ったが、窒化反応が進行し
なかった。

比較例３ 窒化アルミニウム粉末１．５重量部、炭酸カルシウム（
ＣａＣＯ＝）０．８重量部とした以外はすべて実施例１
と同一条件で合成を行ったが、窒化反応が進行しなかっ
た。

比較例４ 窒化アルミニウム粉末１．０重量部、酸化イツトリウム
（Ｙ、Ｏ，）０．００２５重量部とした以外はすべて実
施例１と同一条件で合成および焼結を行った。

その結果、窒化アルミニウム焼結体の密度は、２，７２
ｇ／Ｃｌ１１であった。

比較例５ 酸化イツトリウム（Ｙ、０．）０．６重量部とした以外
はすべて比較例４と同一条件で合成および焼結を行った
。その結果、窒化アルミニウム焼結体の密度は３．３８
ｇ／　ｃｕｔで、熱伝導率は７２Ｗ／　ｍ”にであった
。

ホ９発明の詳細 な説明したように、窒素含有雲囲気中で、金属アルミニ
ウム粉末と窒化アルミニウム粉末および又はＩＩａ、Ｉ
ＩＩａ族含有化合物粉末が、酸化物族、ＩＩＩａ族の少
なくとも１種以上の金属酸化物、炭酸塩、硝酸塩、蓚酸
塩粉末を含む混合粉末および又は成形体の１部を加熱し
窒化反応を開始し、反応に際して生じる発熱により隣接
する部分の窒化反応を連鎖的に進行させ、短時間に系全
体の窒化反応を終了させることにより、高純度で微粒か
つ特性の優れた窒化アルミニウム焼結体を容易に得るこ
とのできる窒化アルミニウム粉末組成物を短時間でエネ
ルギー効率よく製造することが出来る。

この窒化アルミニウム粉末組成物を用いた窒化アルミニ
ラ焼結体は緻密で高熱伝導性を有し、電子回路部材等に
好適に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための概念図であり、
ｌが成型体又は混合粉末、２が加熱用リボンヒーター、
３，３′が通電用電極、４がガス供給管、５が圧力容器
を示す。 代理人　弁理士　　上代哲司′　ユ（ 第１図

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属アルミニウム粉末と窒化アルミニウム粉末と
   周期律表IIａ族元素、IIIａ族元素含有化合物または金
   属粉末の少くとも１種以上の混合粉末を、又はそれを加
   圧した成型体の一部を窒素含有雰囲気中で加熱して窒化
   反応を開始し、反応によって生ずる発熱により隣接する
   部分の窒化反応を連鎖的に順次進行させ短時間に系全体
   の窒化反応を終了させることを特徴とする窒化アルミニ
   ウム粉末組成物の製造方法。
2. （２）該IIａ、IIIａ族元素が、カルシウム、ストロン
   チウム、バリウム、イットリウム、ランタン系希土類元
   素であることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記
   載の窒化アルミニウム粉末組成物の製造方法。
3. （３）金属アルミニウム粉末に対して、窒化アルミニウ
   ム粉末及び、IIａ族、IIIａ族元素含有化合物又は金属
   粉末の少くとも１種の合計量が重量比で１：０．０５〜
   １：２．０であることを特徴とする特許請求の範囲第（
   １）項記載の窒化アルミニウム粉末組成物の製造方法。
4. （４）該IIａ、IIIａ族含有化合物粉末が、酸化物、窒
   化物、炭化物、炭酸塩、硝酸塩、蓚酸塩のいずれかであ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の窒
   化アルミニウム粉末組成物の製造方法。
5. （５）金属アルミニウム粉末重量の１．５２倍と窒化ア
   ルミニウム粉末重量との合計重量に対してIIａ族、III
   ａ族含有化合物又は金属粉末の少くとも１種以上の合計
   が０．２〜２０重量％の範囲であることを特徴とする特
   許請求の範囲第（１）項記載の窒化アルミニウム粉末組
   成物の製造方法。
6. （６）窒素含有雰囲気の圧力が１．０気圧以上であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の窒化ア
   ルミニウム粉末組成物の製造方法。
7. （７）窒素含有雰囲気が窒素ガス又はアンモニアガスま
   たは加熱により窒素含有雰囲気ガスとなる化合物の少く
   とも１種を用いることを特徴とする特許請求の範囲第（
   １）項記載の窒化アルミニウム粉末組成物の製造方法。
8. （８）金属アルミニウム粉末の平均粒径が３０μｍ以下
   、酸素含有量が２重量％以下、および酸素を除く不純物
   量が０．５％以下であることを特徴とする特許請求の範
   囲第（１）項記載の窒化アルミニウム粉末組成物の製造
   方法。
9. （９）窒化アルミニウム粉末の平均粒径が８μｍ以下、
   酸素含有量が３重量％以下および酸素を除く不純物量が
   ０．２重量％以下であることを特徴とする特許請求の範
   囲第（１）項記載の窒化アルミニウム粉末組成物の製造
   方法。