TWI788146B

TWI788146B - 氮化鋁微細粉體的製造方法

Info

Publication number: TWI788146B
Application number: TW110147299A
Authority: TW
Inventors: 詹鎮鋒; 高立誠; 蘇同新
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2022-12-21
Also published as: TW202325652A

Abstract

一種氮化鋁微細粉體的製造方法，包含一混合步驟，將鋁與碳粉混合，以得到鋁碳混合物；一加熱步驟，將該鋁碳混合物置於含氮氣氛中進行加熱，以得到氮化鋁與碳粉混合物；以及一碳除去步驟，透過在含氧氣氛中對該氮化鋁與碳粉混合物進行加熱及/或透過物理方法來分離該氮化鋁與碳粉混合物中的氮化鋁與碳，而得到氮化鋁微細粉體。

Description

氮化鋁微細粉體的製造方法

本發明係關於一種微細粉體的製造方法，特別係關於一種氮化鋁微細粉體的製造方法。

近年來隨著大規模集成電路與電子設備朝向小型化、高功率、多功能、高速化等方向發展，對高性能及高密度電路的需求日益增加。然而，電路密度及功能的不斷提高，導致電路工作溫度不斷上升。為了防止元件因熱聚集及熱衝擊作用而損壞，因此對基板及電子元件封裝材料的高熱傳導率、低熱膨脹係數等方面的要求越來越嚴格，其中，氮化鋁（AlN）正是符合這些嚴格需求的新世代材料，其最顯著的特色在於具有如金屬般的高熱傳導率，並兼具絕緣性，以及還具有低介電常數及介電損失等優點。此外，氮化鋁的能隙寬達6.2eV，因而成為寬能隙半導體材料的熱門選項之一。

目前習知量產氮化鋁粉製程技術主要包括二種：（1）碳熱還原氮化法：以氧化鋁粉及碳爲主原料，兩者均勻混合後在高溫氮氣氛中反應而成（反應式: Al ₂O ₃(s) + 3C (s) + N ₂(g) →2AlN (s) + 3CO (g)），此方法雖然可得到較高純度的氮化鋁粉體，但反應溫度高達1600℃至1800℃，並且需要高溫石墨爐，因此有高耗能、製程設備複雜、排放溫室氣體（CO及CO ₂）、需後製程燒除多餘的碳等缺點。（2）直接氮化法（金屬鋁燃燒氮化法）：以金屬鋁為原料，在氮氣中點燃金屬鋁，進行氮化反應，放熱溫度大於1800℃（反應式: 2Al (s/l) + N ₂(g)→2AlN (s), ΔH = -318 kJ/mol），即，為一個劇烈放熱反應，導致氮化鋁粉因高溫而結團，因而需要進一步粉碎及研磨細化，不但耗能且導致雜質引入。

綜上所述，習知氮化鋁粉製程技術有其改良之必要。

本發明之主要目的在於提供一種氮化鋁微細粉體的製造方法，能得到純度較高的氮化鋁粉且兼具節能環保。

為達上述之目的，在本發明之一實施例中，提供一種氮化鋁微細粉體的製造方法，包含：一混合步驟，將鋁與碳粉混合，以得到鋁碳混合物；一加熱步驟，將該鋁碳混合物置於含氮氣氛中進行加熱，以得到氮化鋁微粉與碳粉混合物；以及一碳除去步驟，透過在含氧氣氛中對該氮化鋁微粉與碳粉混合物進行加熱及/或透過物理方法來分離該氮化鋁微粉與碳粉混合物中的氮化鋁微粉與碳粉，而得到氮化鋁微細粉體。

在本發明之一實施例中，在該混合步驟中，該鋁與該碳粉的重量比為1：0.05至1：3。

在本發明之一實施例中，在該加熱步驟中，加熱的溫度大於800℃。

在本發明之一實施例中，在該加熱步驟中，加熱的時間至少為5分鐘。

在本發明之一實施例中，在該碳除去步驟中，加熱的溫度大於500℃。

在本發明之一實施例中，在該碳除去步驟中，該物理方法包括重力浮選、超重力分選及電泳分選。

在本發明之一實施例中，在該混合步驟中，該鋁的型態係選自於由粉狀、片狀及粒狀所組成的一群組。

在本發明之一實施例中，在該混合步驟中，該碳粉係選自於由碳黑、石墨及石墨烯所組成的一群組。

在本發明之一實施例中，在該混合步驟中，該碳粉係選自於碳黑或石墨，且該碳黑或該石墨的比表面積大於5平方公尺/克。

在本發明之一實施例中，在該混合步驟中，該鋁的粒徑不大於200微米。

本發明的有益效果在於：本發明的氮化鋁微細粉體的製造方法透過混合步驟及以及加熱步驟加入碳粉，以透過碳粉的不潤濕（non-wetting）效果及隔離作用，使得金屬鋁不會燒熔成塊而導致反應不完全，並且所生成之氮化鋁微粉亦因碳粉的隔離作用，不會因劇烈放熱的高溫而燒結在一起，因而可製得高品質且分散性良好的氮化鋁微細粉體。

與習知的氮化鋁粉體的製造方法相較，本發明的氮化鋁微細粉體的製造方法採用能源消耗較低且無溫室氣體排放問題之直接氮化法，不僅改善習知直接氮化法中需粉碎及研磨的缺點，還兼具習知碳熱還原氮化法中無需粉碎及研磨的優點，以及改善習知碳熱還原氮化法中需高溫反應的缺點。簡言之，本發明的氮化鋁微細粉體的製造方法能以相對低溫來直接合成氮化鋁微細粉體，無需粉碎及研磨細化製程，達到節能環保|、低成本且易於量產的技術效果，進而有效地提升氮化鋁粉體的應用性以及經濟價值。

下面將結合本發明之實施例中的附圖，對本發明之實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。另外，爲了更好地說明本發明，在下文的具體實施方式中給出了衆多的具體細節。本領域技術人員應當理解，沒有某些具體細節，本發明同樣可以實施。

參照第1圖，根據本發明的一實施例的一種氮化鋁微細粉體的製造方法，包含：一混合步驟S1，將鋁與碳粉混合，以得到鋁碳混合物；一加熱步驟S2，將該鋁碳混合物置於含氮氣氛中進行加熱，以得到氮化鋁微粉與碳粉混合物；以及一碳除去步驟S3，透過在含氧氣氛中對該氮化鋁微粉與碳粉混合物進行加熱及/或透過物理方法來分離該氮化鋁微粉與碳粉混合物中的氮化鋁微粉與碳粉，而得到氮化鋁微細粉體。

在該混合步驟S1中，該鋁的型態可為粉狀、片狀或粒狀，或是前述的任一組合，例如，選用粉狀鋁與片狀鋁的組合，只要所選用的鋁的粒徑不大於200微米即可。該碳粉可選自碳黑、石墨及石墨烯或是其他含碳物質，或是前述的任一組合，例如選用碳黑與石墨。選擇性地，該碳粉係選自碳黑，且該碳黑的比表面積大於20平方公尺/克。較佳地，該碳黑的比表面積大於5平方公尺/克。該鋁與該碳粉的重量比為1：0.05至1：3，例如，1：0.05、1：1、1：2、1：3。較佳地，該鋁與該碳粉的重量比為1：0.1至1：1，例如1：0.1、1：0.2、1：0.3、1：0.4、1：0.5、1：1。在這樣的重量比下，碳粉1足以充分隔離鋁2（如第2圖所示），又不至於影響氮化鋁微粉的産出量。

在該加熱步驟S2中，該含氮氣氛例如可爲純氮氣、氨氣，或前述之任一組合。該含氮氣氛的壓力可為常壓或大於1大氣壓，加熱的溫度為大於800℃，較佳地，大於1000℃。持溫的時間大於5分鐘就能完成反應，而得到氮化鋁微粉與碳粉混合物。較佳地，持溫的時間為1小時。

在該碳除去步驟S3中，可採用化學方法或是物理方法來將該氮化鋁微粉與碳粉混合物中的氮化鋁微粉與碳粉分離。詳細而言，化學方法為將該氮化鋁微粉與碳粉混合物置於含氧氣氛中進行碳燒除，其中碳燒除溫度大於500℃，較佳地，介於600至650℃，以兼顧提升燒除效率及降低氮化鋁氧化現象。物理方法則可包括（1）藉由氮化鋁微粉與碳粉比重差異之重力浮選、（2）藉由離心力之超重力分選及（3）藉由氮化鋁微粉與碳粉導電度差異之電泳分選。選擇性地，也可以同時採取化學方法及物理方法來將氮化鋁微粉與碳粉分離，例如，依序採用重力浮選及碳燒除方式來分離氮化鋁微粉與碳粉。

在本發明的氮化鋁微細粉體的製造方法中，透過碳粉所具有的隔離作用，且因熔融金屬鋁與碳粉之間的不潤濕（non-wetting）效應，可以一直保持金屬鋁液滴之個別獨立狀態，有利於氮化反應之持續進行，金屬鋁不會因升溫超過熔點（約660℃）而燒熔成塊導致反應不完全。生成之氮化鋁微粉亦透過碳粉之隔離作用，不會因劇烈放熱之高溫而燒結在一起。再者，由於碳粉的隔離作用，可以保持混合物之透氣性，促使氮氣源源不絕地供應至混合物內部，進而讓氮化反應得以持續進行至完全氮化。

由於金屬鋁直接氮化為劇烈放熱反應（2Al (s/l) + N ₂(g)→2AlN (s) + 熱），隨著氮化反應的進行，無需太多的外來熱源。再者，由於氮化鋁與金屬鋁的熱膨脹係數相差很大，當直接氮化放熱反應發生時，界面溫度會遽升而産生熱應力，且氮化鋁顆粒與金屬鋁液滴之間的不潤濕（non-wetting）效應，進而使得氮化鋁顆粒從金屬鋁液滴表面剝離，從而獲得氮化鋁微細粉體，並不斷露出金屬鋁以加速反應，如此周而復始地不斷反應，直至金屬鋁完全反應成氮化鋁為止，而無需粉碎及研磨細化之後製程，一步到位製造出氮化鋁微細粉體。

爲了使本發明的氮化鋁微細粉體的製造方法的手段及效果更為清楚，以下透過實施例及比較例進行說明。

實施例：

首先，將金屬鋁粉（粒徑：d ₁₀約10微米、d ₅₀約30微米、d ₉₀約80微米）與碳黑（比表面積約60 m ²/g）以1：0.5的重量比置於一混合裝置中攪拌10分鐘，充分混合以形成均勻的鋁碳混合物，呈現如第2圖的狀態，該金屬鋁粉被該碳黑充分隔離。

接著，將該鋁碳混合物置於常壓下以及氮氣氣氛中進行1300℃持溫3小時之氮化反應，而得到氮化鋁微粉與碳粉混合物。

最後，將該氮化鋁微粉與碳粉混合物置於含氧氣氛中進行600℃持溫2小時的除碳，以獲得氮化鋁微細粉體。

使用X光粉末繞射儀對該氮化鋁微細粉體進行分析，分析結果如第3圖所示，呈現單一結晶相氮化鋁，表示透過本發明的氮化鋁微細粉體的製造方法確實可得到高純度的氮化鋁粉體。

進一步地，使用掃描式電子顯微鏡對該氮化鋁微細粉體進行鑑定，結果如第4圖及第5圖所示，證實該氮化鋁微細粉體的分散性良好，且粒徑分佈平均，多為小於1微米大小，無需進一步粉碎及研磨，而可避免因研磨導致雜質含量增加的問題。

比較例：

直接將金屬鋁粉於常壓下以及氮氣氣氛中進行1100℃持溫3小時之氮化反應，所得產物燒結成一塊狀產物，該塊狀產物之掃描式電子顯微鏡分析的形貌如第6圖及第7圖所示，其顯示了結晶顆粒明顯燒結在一起，表示若欲得到微細粉體，需進一步破碎及研磨。

綜上所述，本發明的氮化鋁微細粉體的製造方法透過混合步驟及以及加熱步驟導入碳粉，以藉由碳粉的不潤濕（non-wetting）效應及隔離作用，使得金屬鋁不會燒熔成塊而導致反應不完全，並且所生成之氮化鋁粉亦因碳粉的隔離作用，不會因劇烈放熱之高溫而燒結在一起，因此可製得高品質且分散性良好的氮化鋁微細粉體。

與習知的氮化鋁粉體製備方法相較，本發明的氮化鋁微細粉體的製造方法採用較省能源且無溫室氣體排放問題之直接氮化法，不僅改善習知直接氮化法需粉碎及研磨的缺點，還兼具碳熱還原氮化法中無需粉碎及研磨之優點，以及改善習知碳熱還原氮化法需高溫反應的缺點。簡言之，本發明的氮化鋁微細粉體的製造方法以相對低溫直接合成氮化鋁微細粉體，無需粉碎及研磨細化製程，進而達成低成本且易於量産的目的，進而有效地提升氮化鋁粉體的應用性與經濟價值。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其幷非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1:碳粉 2:鋁 S1:混合步驟 S2:加熱步驟 S3:碳除去步驟

第1圖為根據本發明之一實施例的一種氮化鋁微細粉體的製造方法的流程圖；第2圖為示意圖，顯示根據本發明之一實施例的一種氮化鋁微細粉體的製造方法中，鋁碳混合物的均勻混合狀態，其中碳粉為連續相，鋁為非連續相，鋁被碳粉充份隔離；第3圖為X光粉末繞射圖，顯示根據本發明之實施例的氮化鋁微細粉體的製造方法所製造出的氮化鋁微細粉體的分析結果，該分析結果呈現了單一結晶相氮化鋁；第4圖為掃描式電子顯微鏡照片，顯示根據本發明之實施例的氮化鋁微細粉體的製造方法所製造出的氮化鋁微細粉體的形貌及粒徑；第5圖為另一掃描式電子顯微鏡照片，顯示根據本發明之實施例的氮化鋁微細粉體的製造方法所製造出的氮化鋁微細粉體的形貌及粒徑；第6圖為掃描式電子顯微鏡照片，顯示透過一比較例的氮化鋁的製造方法所製造出的氮化鋁的燒結團聚現象；以及第7圖為另一掃描式電子顯微鏡照片，顯示透過比較例的氮化鋁的製造方法所製造出的氮化鋁的燒結團聚現象。

Claims

一種氮化鋁微細粉體的製造方法，包含：一混合步驟，將鋁與碳粉混合，以得到鋁碳混合物；一加熱步驟，將該鋁碳混合物置於含氮氣氛中進行加熱，以得到氮化鋁微粉與碳粉混合物；以及一碳除去步驟，透過在含氧氣氛中對該氮化鋁微粉與碳粉混合物進行加熱及/或透過物理方法來分離該氮化鋁微粉與碳粉混合物中的氮化鋁微粉與碳粉，而得到氮化鋁微細粉體，其中在該混合步驟中，該鋁的粒徑不大於200微米，該碳粉的比表面積大於5平方公尺/克，且該鋁與該碳粉的重量比為1：0.3至1：3，以使該碳粉充分隔離該鋁。
如請求項1所述之氮化鋁微細粉體的製造方法，其中在該加熱步驟中，加熱的溫度大於800℃。
如請求項1所述之氮化鋁微細粉體的製造方法，其中在該加熱步驟中，加熱的時間至少為5分鐘。
如請求項1所述之氮化鋁微細粉體的製造方法，其中在該碳除去步驟中，加熱的溫度大於500℃。
如請求項1所述之氮化鋁微細粉體的製造方法，其中在該碳除去步驟中，該物理方法包括重力浮選、超重力分選及電泳分選。
如請求項1所述之氮化鋁微細粉體的製造方法，其中在該混合步驟中，該鋁的型態係選自於由粉狀、片狀及粒狀所組成的一群組。
如請求項1所述之氮化鋁微細粉體的製造方法，其中在該混合步驟中，該碳粉係選自於由碳黑、石墨及石墨烯所組成的一群組。