TW201819287A - 氮化鋁製備方法 - Google Patents

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Abstract

一種氮化鋁製備方法，係將含有氮氣的氣體與純鋁材料注入一高溫噴流粉碎設備中，而於該高溫噴流粉碎設備內，所注入的純鋁材料會於表面與該氮氣反應生成氮化鋁，而氮化鋁會於該高溫噴流粉碎設備中持續受到撞擊粉碎以形成細的氮化鋁粉末，本發明之方法能夠省去為了解決高溫融聚所產生的各種不必要的成本與繁複處理程序，因此本發明氮化鋁製備方法，確是一個與習用技術不同的製備方法。

Description

氮化鋁製備方法
本發明是有關一種氮化鋁製備方法，特別是一種最方便有效的製備氮化鋁的方法。
氮化鋁在近年電子應用材料當中十分的熱門，因為其具有高的熱傳導率(一般市售氮化鋁產品的熱傳導率約為170 ～ 230 W/m/K，接近碳化矽及氧化鈹，是氧化鋁的五到七倍)，低的介電常數和介電損失[1]，良好的電絕緣性，及其低的熱膨脹係數接近於矽(4.2 × 10-6 /℃)及砷化鎵(5.7 × 10-6 /℃)，無氧化鈹之毒性，生產成本較低。因此氮化鋁可應用範圍相當廣泛，例如可應用於半導體與微電子路封裝基板、高亮度LED晶片承載基板、車用電子與照明元件、高功率電子元件散熱材料等方面，未來具有極大潛力可逐漸取代其他的陶瓷基板材料。
一般製備氮化鋁的方法有氣相反應法、有機金屬前趨物法、氧化鋁粉碳素還原氮化法、鋁粉直接氮化法及燃燒合成法，以下就每一種製備氮化鋁的方法進行說明與缺點敘述，內容如下： (1) 氣相反應法：反應式為AlCl3 ＋4NH3 → AlN＋3NH4 Cl，操作溫度於900 K至1500 K，所需反應時間要5小時以上，其產物型態包含結晶型與非晶形氮化鋁粉體，一般產物之轉化率約為80%，缺點在於生產成本高且產率小，不適合工業生產。 (2) 有機金屬前趨物法：反應式為R3 Al＋NH3 → R3 AlNH3 , R3 AlNH3 → R2 AlNH2 ＋RH, R2 AlNH2 → RAlNH＋RH, RAlNH→ AlN＋RH，其中操作溫度為400 K至1000 K，所需反應時間為10至240分鐘，其產物為氮化鋁(AlN)與烷類，烷類於反應中會裂解產生碳沉積，必須再將產物置於空氣中加熱除碳，此一步驟可能導致氧含量增加，此外，此法亦有成本高、產率低的問題，而不適合工業生產。 (3) 氧化鋁粉碳素還原氮化法：反應式為Al2 O3 ＋ N2 ＋ 3C → 2AlN ＋ 3CO，其中操作溫度為1500 K至2200 K，所需反應時間5小時以上。 (4) 鋁粉直接氮化法： (a) 反應式為2Al ＋ N2 → 2AlN，鋁粉直接氮化法就是將鋁粉在氮氣中加熱，直接將鋁粉氮化反應為氮化鋁粉末； Al和N在500℃下開始發生反應，在500 ～ 600℃時，鋁顆粒的表面氧化膜通過反應，生成揮發性的低價氧化物而去除掉，但由於顆粒表面上逐漸生成的氮化物膜，會使氮氣難以進一步滲透，氮化速度減慢，所以必須進行二次氮化，以提高氮化效率，即一次氮化在800℃下持溫一小時，產物經球磨之後，在1200℃下進行二次氮化，這樣可以製備出均勻的氮化鋁粉體； (b) 鋁粉直接氮化法由於反應產物往往需要多次粉碎和氮化處理，如此一來會延長製備週期，提高生產成本，而且球磨粉碎過程中容易帶入雜質，影響氮化鋁粉末的純度，因此，直接氮化法難以製備出高純度與細粒徑的氮化鋁粉末，無法滿足製作高性能氮化鋁陶瓷對原料粉末的要求。 (5) 自蔓延燃燒合成法(Self-propagating high-temperature synthesis, SHS): (a) 是針對放熱反應的反應物，經外加熱源點火而啟動反應，放出熱量，使反應自行維持，並形成燃燒波蔓延傳播。燃燒合成法（或稱高溫自蔓延法）是20世紀60年代由蘇聯發展起來的一種新型無機難熔材料的製備技術。由於它在難熔材料合成方面，具有合成時間短、能耗低等優點，正日益引起材料學界的重視。 (b) 目前國內外已經利用這種方法進行氮化鋁粉末合成的研究，將鋁粉在高壓下被外界熱源點燃後，Al和N之間反應所產生的高化學反應熱使反應自行維持下去，直到Al粉完全轉化成為AlN。自蔓延高溫合成法製備氮化鋁粉末，其實質仍是鋁的直接氮化，因此反應式仍為：2Al＋N2 → 2AlN，此方法所製備的氮化鋁粉末不像直接氮化法需要在高於1000℃的溫度下長時間氮化，除引燃外無須外部熱源，因而能耗少、成本低、生產效率高。 (c) 在Al-N2 系統的SHS過程中，與直接氮化法一樣，由於鋁的熔點低，在燃燒合成反應高溫下，熔融的鋁易發生團聚，阻礙氮氣向粉末內滲透，使得鋁粉難以氮化完全。 (d) 因此，就燃燒合成法而言，普遍的缺點是： (d1)轉化率不夠高； (d2)不易量產，即較大量生產時，轉化率會下降； (d3)產物為熔聚或燒結狀，研磨不易，亦即研磨時耗時、耗能，且會因磨球之耗損而造成雜質含量之增加，目前所有現有之燃燒合成法皆有此問題，雖然目前有研究採用在鋁粉中加入一定量的氮化鋁作為稀釋劑的方法，可以阻止熔融鋁的團聚，改善氮氣的滲透，但如此作法將會導致製程的複雜性與成本增加。
由上述可知，現有之燃燒合成法皆有熔聚的問題，而為了解決此一問題必須進行多次磨球，故會造成雜質含量之增加，因此，本申請案透過一種高溫噴流粉碎設備，能夠將高溫反應生成的氮化鋁粉碎，如此將能夠一邊反應，一邊粉碎氮化鋁層，而粉碎氮化鋁層後，將能夠避免氮氣無法向粉末內滲透、使得鋁粉難以氮化完全的問題發生，如此應為一最佳解決方案。
本發明係關於一種氮化鋁製備方法，係能夠避免因鋁熔聚而必須多次磨球的問題，因此不需因鋁熔聚而停止鋁材料與氮氣的反應，故能夠省去為了解決高溫融聚所產生的各種不必要的成本與繁複處理程序。
一種氮化鋁製備方法，係包含： 將含有氮氣的氣體與純鋁材料注入一高溫噴流粉碎設備中； 而於該高溫噴流粉碎設備內，所注入的純鋁材料會於表面與該氮氣反應生成氮化鋁，而氮化鋁會於該高溫噴流粉碎設備中持續受到撞擊粉碎以形成氮化鋁粉末。
更具體的說，所述注入的純鋁材料係為粉狀或是顆粒狀的鋁材料。
更具體的說，所述能夠透過一高壓空氣將含有氮氣的氣體與純鋁材料注入該高溫噴流粉碎設備中，並於該高溫噴流粉碎設備內部形成高速氣流，而於該純鋁材料表面反應生成的氮化鋁，會因高速氣流於該高溫噴流粉碎設備中受到碰撞及摩擦，以達到粉碎效果來形成氮化鋁粉末。
更具體的說，所述純鋁材料與該氮氣反應則會於該純鋁材料表面形成氮化鋁，而表面的氮化鋁受到撞擊粉碎後，則會留下未與氮氣反應的液態純鋁材料，而液態的純鋁材料能夠繼續與該氮氣反應並於表面形成氮化鋁後再次粉碎，一直持續反應與粉碎到液態的純鋁材料被消耗完為止。
更具體的說，所述含有氮氣的氣體中更包含有些許氬氣或其他鈍氣氣體。
有關於本發明其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
如第1圖所示，製備程序如下： (1) 將含有氮氣的氣體與純鋁材料注入一高溫噴流粉碎設備中101； (2) 而於該高溫噴流粉碎設備內，所注入的純鋁材料會於表面與該氮氣反應生成氮化鋁，而氮化鋁會於該高溫噴流粉碎設備中持續受到撞擊粉碎以形成氮化鋁粉末102； (3) 由於表面的氮化鋁受到撞擊粉碎後，會留下未與氮氣反應的液態純鋁材料，而液態的純鋁材料則能夠繼續與該氮氣反應並於表面形成氮化鋁，並再如程序102，再次粉碎表面的氮化鋁，之後會一直持續反應與粉碎到液態的純鋁材料被消耗完為止103。
而本發明的高溫噴流粉碎設備1 (Jet mill)如第2圖所示，係至少包含一運作於真空環境的粉碎室11、一與該粉碎室11相連接的高壓噴流模組12、一與該粉碎室11相連接的高溫控制暨提供模組13、一與該高壓噴流模組12相連接的氣體供應模組14及一與該高壓噴流模組12相連接的鋁材料輸入模組15，其中該氣體供應模組14能夠提供的氣體為氮氣、些許氬氣或些許其他鈍氣氣體，而該鋁材料輸入模組15用以輸入粉狀或是顆粒狀的純鋁材料；
而該高壓噴流模組12能夠將氣體供應模組14所提供含有氮氣的氣體及純鋁材料(粉狀或是顆粒狀)透過一高壓空氣注入該粉碎室11中，並於該粉碎室11內部形成高速氣流，而該高溫控制暨提供模組13能夠控制該粉碎室11內的溫度處於660 ~ 2200°C之間，使該粉碎室11溫度高於鋁的熔點並低於氮化鋁的熔點(該純鋁材料一進入該粉碎室11內後，由於內部溫度會高於純鋁材料的熔點，故純鋁材料會熔化為液態)，而一般純鋁材料和氮氣由於會在500℃開始發生反應，並在500 ～ 600℃時，鋁顆粒的表面氧化膜通過反應，生成揮發性的低價氧化物而去除掉，而該粉碎室11內部的溫度越高則能夠使氮化鋁生成速度越快，故本申請案會設定660 ~ 2200°C之間的溫度來進行反應；
另外由於氮化鋁(Aluminum nitride)的標準生成熱(ΔHo 298 )為-318 kJ/mol，故該粉碎室11內的環境必須達到-318 kJ/mol，才能夠生成化合物(氮化鋁)，而本申請案的反應式為2Al (液體) ＋ N2 (氣體) → 2AlN (固體)，與一般傳統的鋁粉直接氮化法不同之處在於本申請案的粉碎室11能夠取代習用的球磨處理，由於一般傳統的鋁粉直接氮化法反應溫度是介於726.85℃ ~ 1226.85℃之間，但習用的鋁粉直接氮化法若是使用1550℃則能夠很快反應完成，但為了提高轉化率和防止粉末團聚(熔聚)發生，故僅能夠控制於較低的溫度(＜ 1227℃)下進行反應，但即使如此習用的鋁粉直接氮化法亦會發生熔聚，故需要進行多次球磨處理；
但本申請案的粉碎室11能夠取代習用的球磨處理，故本申請案不需要進行球磨處理，且即使粉碎室11的反應溫度控制於1227℃以上，也能夠因為能夠粉碎氮化鋁，液態的純鋁材料能夠繼續與該氮氣反應並於表面形成氮化鋁後再次粉碎，一直持續反應與粉碎到液態的純鋁材料被消耗完為止，故能夠使用高溫的反應溫度，而越高溫的反應溫度將使得生成氮化鋁速度越快(但粉碎室11的反應溫度不能高於定2200 °C，否則生成的氮化鋁粉末會被熔化)；
而本申請案的高溫噴流粉碎設備1與一般習用的氣流式粉碎機相同，僅是增加了高溫提供與控制的模組，但氣流式粉碎機的種類很多，故不額外贅述，只要能夠於內部形成高溫與高速氣流，並使同時進入的原料材料受到衝擊碎(使原料之間互相碰撞及摩擦)的設備皆屬於本申請案保護的範圍。
本發明所提供之氮化鋁製備方法，與其他習用技術相互比較時，其優點如下： 1. 本發明係能夠將高溫反應生成的氮化鋁粉碎，如此將能夠一邊反應，一邊粉碎氮化鋁層，而粉碎氮化鋁層後，將能夠避免氮氣無法向粉末內滲透、使得鋁粉難以氮化完全的問題發生。 2. 本發明能夠省去為了解決高溫融聚所產生的各種不必要的成本與繁複處理程序，因此本發明氮化鋁製備方法，確是一個與習用技術不同的製備方法。
本發明已透過上述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此一技術領域具有通常知識者，在瞭解本發明前述的技術特徵及實施例，並在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之請求項所界定者為準。
1‧‧‧高溫噴流粉碎設備
11‧‧‧粉碎室
12‧‧‧高壓噴流模組
13‧‧‧高溫控制暨提供模組
14‧‧‧氣體供應模組
15‧‧‧鋁材料輸入模組
[第1圖]係本發明氮化鋁製備方法之製備流程示意圖。 [第2圖]係本發明氮化鋁製備方法之高溫噴流粉碎設備之架構示意圖。

Claims (5)

  1. 一種氮化鋁製備方法，係包含： 將含有氮氣的氣體與純鋁材料注入一高溫噴流粉碎設備中； 而於該高溫噴流粉碎設備內，所注入的純鋁材料會於表面與該氮氣反應生成氮化鋁，而氮化鋁會於該高溫噴流粉碎設備中持續受到撞擊粉碎以形成氮化鋁粉末。
  2. 如請求項1所述之氮化鋁製備方法，其中注入的純鋁材料係為粉狀或是顆粒狀的鋁材料。
  3. 如請求項1所述之氮化鋁製備方法，其中能夠透過一高壓空氣將含有氮氣的氣體與純鋁材料注入該高溫噴流粉碎設備中，並於該高溫噴流粉碎設備內部形成高速氣流，而於該純鋁材料表面反應生成的氮化鋁，會因高速氣流於該高溫噴流粉碎設備中受到碰撞及摩擦，以達到粉碎效果來形成氮化鋁粉末。
  4. 如請求項1所述之氮化鋁製備方法，其中純鋁材料與該氮氣反應則會於該純鋁材料表面形成氮化鋁，而表面的氮化鋁受到撞擊粉碎後，則會留下未與氮氣反應的液態純鋁材料，而液態的純鋁材料能夠繼續與該氮氣反應並於表面形成氮化鋁後再次粉碎，一直持續反應與粉碎到液態的純鋁材料被消耗完為止。
  5. 如請求項1所述之氮化鋁製備方法，其中含有氮氣的氣體中更包含有些許氬氣或其他鈍氣氣體。
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