JPH02296707A - 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、水を反応系の分散媒として用いた時に、原料
アルミナ粉末とカーボン粉末の分散、混合を良くするこ
とにより、原料として用いたアルミナ粉末と殆ど同等に
粒径分布がシャープで粗粒及び凝集粒の少ない窒化アル
ミニウム粉末を製造する方法に関する。

〔従来の技術〕

ＩＣパッケージ及び半導体基板の材料として従来用いら
れてきたアルミナは、熱伝導率が低く、近年の半導体の
高集積化、高速化に伴うチップの放熱量の増加に対応し
きれなくなっており、市場はアルミナよりも熱伝導率が
よ（放熱性に優れた材料を要求している。

窒化アルミニウムはアルミナに比べ一桁高い熱伝導率と
シリコンに近い熱膨張係数を有し、また絶縁抵抗、絶縁
耐圧、誘電率等の電気特性に加え、機械的特性にも優れ
ており、アルミナに代わるＩＣ基板材料として期待され
ている。

窒化アルミニウムの主な製造方法には、■全屈アルミニ
ウムを窒素雰囲気中で加熱して窒化する直接窒化法、■
アルミニウムのハロゲン化物または水素化物を気体状で
ＮＨ，と反応させる気相反応法、■アルミナとカーボン
の混合物を窒素雰囲気中で加熱してアルミナを還元窒化
法の三種類がある。■は工程が簡単であるが、原料金属
アルミニウム内部の窒化が難しく、粉末の粒度調節にお
いて焼成後の粉砕工程を伴うため不純物の混入がさけら
れず高純度化が困難である。■で得られる粉末は非晶質
で、このままではセラミックスの焼結用原料としては通
さないため結晶化の工程が必要となる。一方■の還元窒
化法は、原料アルミナとカーボンの純度にある程度依存
するが、原料として高純度品が手に入りやすい現状に於
いては、直接窒化法に比して高純度品を作り易い状況に
あり、高熱伝導性基板の原料となる高純度窒化アルミニ
ウム粉末を得る方法としては、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〕

前記■の還元窒化法により窒化アルミニウム粉末を製造
する場合、得られた窒化アルミニウム粉末の粒度分布及
び凝集性は、原料アルミナの選定によっである程度改善
することができるが、窒化反応の生じる１４００℃以下
の温度でアルミナ粉末同志が初期焼結を起しネックを形
成するため、原料粉末に比較すると凝集粒子（二次粒子
）が多くなり、広い粒度分布をもつものしか得られない
。このような粉末を原料として焼結させた場合には、気
孔の多い低密度の焼結体しか得られず、熱伝導率の向上
は望めない。従って高熱伝導性窒化アルミニウム粉末を
得るには、凝集粒子が少なく、シャープな粒度分布をも
つ粉末が必要となってくる。

原料のアルミナ粉末とカーボン粉末を湿式で混合する場
合には、均一に分散、混合が行われる必要がある。本来
アルミナ粉末は親水性表面を有し、逆にカーボン粉末は
疎水性表面を有し、このような相反する表面特性の二つ
の粉末を同一の分散媒中に均一に分散、混合させること
は、非常に難しい。

混合、分散状態が悪いと焼成した窒化アルミニウム粉末
の特性も凝集粒子の多い広い粒度分布をもつものになっ
てしまう。

分散媒として、アセトン等の有機溶媒を用いた方が分散
性は向上するが、乾燥、造粒等の後工程の簡便性、経済
性を考慮すると、木を使用するのが好ましい。しかし、
水を分散媒として用いた場合には、均一分散が難しく、
適当な分散剤及び湿潤剤を検討する必要がある。

従来の湿式混合法では、相反する表面特性を有する粉末
同士を一度の操作で分散、混合させようとするため、ど
うしても各粉末の分散が不十分となり、焼成後の粗粒子
及び凝集粒子の生成を制御することができなかった。ま
た微細で均一粒径の窒化アルミニウム粉末を得る手段と
して、アルミニウムアルコキシドと炭素粉末の混合液に
水を加えて加水分解を行わせたり、水溶性アルミニウム
塩と炭素粉末の混合液にアルカリを加えて中和沈澱を行
わせる方法も提案されている。しかし、加水分解又は中
和沈澱のために水またはアルカリを滴下すると局所的な
沈澱を生成し、すぐに凝集し。

てしまうという問題点があり、得られる粉末の凝集性の
改善は難しい。

そのため、本発明者等は、原料粉末の混合法を吟味し直
し、水を分散媒として用い、さらにこれにアルミナゾル
を添加すると分散性を改良できることがわかった。従っ
て、本発明の目的は、水を分散媒として用いた時、原料
アルミナ粉末とカーボン粉末の分散、混合を良くするこ
とにより、原料の高純度アルミナ粉末と同程度に粗粒子
及び凝集粒子が少なく、粒度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である。

〔問題点を解決するための手段〕

前述のごとく、窒化還元法で得られる窒化アルミニウム
粉末の純度、粒径及び粒度分布はある程度原料アルミナ
粉末のそれに依存する。従って、高純度窒化アルミニウ
ム粉末を得るための必要条件として高純度アルミナを原
料とすることが好ましく、その選定条件としては、中心
粒径１．０μｍ以下で、シャープな粒度分布を有し、Ｆ
ｅ、Ｓｉ、Ｃａ等の金属不純物量の少ないものがあげら
れる。原料カーボンも高純度で微粉（平均粒径０．５μ
ｍ以下、灰分０．３重量％以下）のものを用いた方がよ
く、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャン
ネルブラック、カーボンブラック等が知られているが高
純度という点ではカーボンブランクが好ましい。

問題は、これら二つの粉末を水中に均一に分散させかつ
充分に混合させることが重要であるが、水に対しての分
散性に相反するものがあり均一分散が難しい。

通常、水を分散媒としてアルミナ粉末とカーボン粉末を
混合する場合、水溶性の高分子界面活性剤を添加するが
、本発明においてはその代わりに、原料アルミナの一部
として金属不純物量の少ないアルミナゾルを用いること
により、このゾル中にアルミナ粉末とカーボン粉末を入
れて混合スラリーを作り適度の水を加えて粘度を調整し
、ボールミルにて混入した。これにより原料アルミナの
一次粒径と殆ど変わらない一次粒径の窒化アルミニウム
粉末が得られる。

アルミナゾルとしては例えば８産化学工業社製の商品名
「アルミナゾル−１００Ｊ、ｒアルミナゾル２００Ｊ、
「アルミナゾル〜５２０」等を挙げることができる。

こうして得られたスラリーをスプレードライヤ、または
ロータリーエバポレーター等を用いて乾燥し、場合によ
っては造粒過程を加えることができる。

得られた混合物（粉末、造粒物）を窒素、アンモニアま
たはこれらの混合物等の窒素を含む雰囲気中において１
４５０〜１７００℃で２〜６時間加熱処理することによ
り、還元窒化反応を起こさせる。１７００℃を超えると
粒成長が進みすぎて粗粒子が多くなり、１４５０℃未満
だと窒化に長時間を要するので好ましくない。さらに、
窒化反応後残っているカーボンを除去するための酸化雰
囲気中で６００〜７００℃、１〜３時間加熱処理を行い
窒化アルミニウム粉末を得る。

以下、本発明を実施例、従来例によって更に詳細に説明
する。

第１表に示す原料混合割合で純度９９．９９％、ＢＢＴ
比表面積９．７ｄ、平均粒径１．５μＩ１１．１μｍ以
下９０％、金属不純物（Ｆｅ＋Ｃａ、Ｓｉ）総量１１０
０ｐｐ以下の高純度アルミナ粉末と、灰分０．０５％の
カーボンブランクと、金属不純物（Ｆｅ、　Ｃａ、　Ｓ
ｔ）総ｆｆｉ４８０ｐｐｍ、アルミナ分含有率１０．２
８％のアルミナゾル（８産化学工業社製、「アルミナゾ
ル−１００Ｊ　）とをイオン交換水に分散させ、径Ｌｏ
ｉｍおよび径１５ｍｍの高純度アルミナボール各４００
　ｇと共に２１のポリエチレン容器に入れ、４０ｒｐｍ
の回転速度で２０時時間式混合を行ない、得られたスラ
リーをスプレードライヤーを用いて乾燥、造粒し、次い
で得られた粉末を１個当り約５ｇのベレツトに成形し、
電気炉中で３ｒｙ？／ｈの窒素を流しながら、１６６０
℃、４時間加熱し還元窒化反応を行った。反応生成物を
空気中で７００℃、１時間加熱して残留カーボンの除去
を行い窒化アルミニウム粉末を得た。

なお、アルミナゾルを用いない従来例ではフミン酸１．
５ｇ５ＰＶＡ系バインダー４．０ｇを使ってアルミナと
カーボンブランクをイオン交換水に分散させて試料を作
った。

第１表に得られた窒化アルミニウム粉末のＢＥＴ比表面
積、平均粒径ならびに元素分析値を示す。

また、得られた窒化アルミニウム粉末のマイクロトラッ
クによる粒度分布曲線を第１図に示しく但し、実施例７
〜９は実施例６及び実施例１０の曲線と重なる部分が多
く、図が見づら（なるので図示するのを省略した。）、
第２図にアルミナゾル混合割合と得られた窒化アルミニ
ウム粉末の平均粒径り、。との関係を示す。

第１表の結果および第１図ならびに第２図かられかるよ
うに、アルミナにアルミナゾルを添加すると、アルミナ
のみを用いた従来例よりも、生成した窒化アルミニウム
粉末の比表面積は大きくなり、平均粒径は小さくなる。

また、アルミナゾルのみを用いた実施例１０では窒化ア
ルミニウム粉末の比表面積は太き（、平均粒径は小さい
。一般にアルミナゾル中のアルミナ分の含有率は製品に
よっても異なるが大体１０％位のものであるから、実施
例１０のようにアルミナゾルのみを用いて窒化アルミニ
ウム粉末の製造する場合に、アルミナ分はアルミナゾル
全量のうち約ｌ／１０を占めるに過ぎないことになる。

従ってアルミナのみから窒化アルミニウム粉末を製造す
る場合と同量の窒化アルミニウム粉末を得たい場合には
、アルミナゾルの外に使用する水の量を考慮すると、後
者の場合の原料スラリーの量は前者の場合の６倍以上に
なり、乾燥・造粒に要する時間は著しく長くなる。しか
もアルミナゾル中のアルミナ分の粒径は０．０１〜０．
０５μｍと極めて小さいから乾燥・造粒工程が容易でな
い。

一方、アルミナとアルミナゾルとの混合割合が式 アルミナゾル中のアルミナ分／（アルミナゾル中のアル
ミナ分子アルミナ）　　Ｘ１００（重量％）により計算
して４０重量％以上であれば、アルミナゾルのみを用い
たときの窒化アルミニウム粉末と略同様なりＥＴ比表面
積および平均粒径を有する窒化アルミニウム粉末が得ら
れるが、アルミナゾルの混合割合が４０〜６０重量％で
あれば原料スラリーの量もそれ程多くならず、また、乾
燥・造粒も実施し易くなるので、４０〜６０重量％とす
るのが好ましい。

なお、本発明者は各実施例によって得られた窒化アルミ
ニウムについて、何れもＸ線回折により窒化アルミニウ
ムの回折ビークのみを確認した。

また、走査型電子顕微鏡による観察によれば、粗粒子、
凝集粒子（二次粒子）の存在は少なく、実施例で得られ
た窒化アルミニウム粉末は粒径の成程度揃った一次粒子
の集まりであることがねかった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、アルミナゾルを原料アルミナ粉末に添
加することによって、得られる窒化アルミニウム粉末の
平均粒径を小さ（し、凝集粒も減少することができる。

又原料すべてを高価なアルミナゾルにしなくても、原料
アルミナ粉末と同程度の粒度分布をもつ窒化アルミニウ
ム粉末を得られる。また、本発明で得られた窒化アルミ
ニウム粉末は原料アルミナ粉末の凝集性及び粒度分布に
匹敵し、粗粒子、凝集粒子が少な（、粒度分布がシャー
プであり、この粉末を用いて適当な焼結条件のもとで焼
結させることにより、気孔の少ない高熱伝導性の焼結体
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例、実施例１〜６および実施例１０で得ら
れた窒化アルミニウム粉末のマイクロトラックによる粒
度分布曲線を示し、第２図は従来例および各実施例にお
けるアルミナゾル添加量と得られた窒化アルミニウム粉
末の平均粒径り、。との関係を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）アルミナ粉末とカーボン粉末の混合物を窒素を含
   む雰囲気中で加熱反応させてアルミナを還元する還元窒
   化法により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、カーボン粉末及びアルミナゾルの混
   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。
2. （２）アルミナとアルミナゾルとの混合割合が式アルミ
   ナゾル中のアルミナ分／（アルミナゾル中のアルミナ分
   子アルミナ）×１００（重量％）により計算して４０重
   量％以上である請求項１に記載の窒化アルミニウム粉末
   の製造方法。
3. （３）アルミナとアルミナゾルとの混合物のアルミナゾ
   ル中のアルミナの割合が式 アルミナゾル中のアルミナ分／（アルミナゾル中のアル
   ミナ分＋アルミナ）×１００（重量％）により計算して
   ４０〜６０重量％である請求項１に記載の窒化アルミニ
   ウム粉末の製造方法。
4. （４）窒素を含む雰囲気が窒素、アンモニアまたはこれ
   らの混合物である請求項１ないし３の何れかに記載の窒
   化アルミニウム粉末の製造方法。