JPH0450106A - 易焼結性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、易焼結性窒化アルミニウム粉末の製造方法に
関するもので、詳しくは従来より高熱伝導度を有する焼
結体が得られて、凝集粒が少なく、粒度分布のシャープ
な窒化アルミニウム粉末を得る方法に関するものである
。

〔従来の技術〕

高信頼性のＩＣ基板あるいはパッケージ材料には従来よ
りアルミナが多用されている。ＬＳＩなどの高集積化、
高速化および高出力化に伴い、半導体チップからの発熱
量が増加し、効率良く熱を系外へ散逸させる必要性が高
まり、アルミナよりも熱伝導性が良（、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熱伝導性を有すると共に絶縁抵抗
、絶縁耐圧、誘電率などの電気的特性および強度などの
機械的特性に優れており、放熱性に優れたＩＣ基板、パ
ッケージ材料として注目されている。

窒化アルミニウム粉末の製造方法としては、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、アルミナあるい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して窒化する還
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被膜が存在し
、窒化反応後に酸素不純物として窒化アルミニウム中に
含まれる。また、発熱反応のためアルミニウムの溶着に
よる塊状の生成物が出来易く、窒化反応後に粉砕して粒
度を調整する必要がある。

このため不純物が混入し易く、高純度の窒化アルミニウ
ム粉末が得られにくい。従って、高熱伝導性を得るため
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望視されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

この還元窒化法は、原料として高純度の微粉末のアルミ
ナを用いることにより原料の特性を保持した高純度窒化
アルミニウム粉末が得られることは既に知られている。

しかし、窒化反応過程においてアルミナ同士の焼結が起
こり、そのため原料のアルミナ粉末に比較して粗粒ある
いは凝集粒の多い粒度分布のブロードな窒化アルミニウ
ム粉末しか得られていないのが現状である。

粗粒あるいは凝集粒の多い粒度分布のブロードな粉末を
用いて焼結した場合、一般に焼結性か悪く、また、気孔
を多く含有した焼結体が得られ易い。窒化アルミニウム
の場合は、特に気孔か熱伝導度を低下させる原因となる
ため、粗粒あるいは凝集粒が少なく、粒度分布のシャー
プな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、原料であるアルミナ粉末とカーボン粉末と
を十分に混合、分散させることが必要である。本来、ア
ルミナ粉末は親水性表面を有し、一方、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混合、分散させることは
非常に難しい。

一般に、水分散媒中ではアルミナ粉末は酸性領域で高分
散し、一方、カーボン粉末はアルカリ性領域で高分散状
態を示すので、通常はアルミナ粉末の分散性を優先させ
て酸性領域で製造している。

そのため、この方法で得られた窒化アルミニウム粉末に
は多量の粗粒あるいは凝集粒が存在するという問題があ
った。この点を改良するために特開昭６０−６０９１０
号公報で開示されているような有機溶媒を分散媒とする
方法も提案されているが、必ずしも満足できるものでは
なかった。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる事情に鑑み、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果
、水分散媒が酸性の場合にノニオン系界面活性剤を用い
ることにより、窒化反応過程におけるアルミナ同士の焼
結を防止し、粗粒あるいは凝集粒が少なく粒度分布のシ
ャープな易焼結性窒化アルミニウム粉末を製造する方法
を見出し、本発明を完成させるに至ったものである。

すなわち、本発明はアルミナ粉末とカーボン粉末とを水
分散媒中で混合し、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、ノニ
オン系界面活性剤をカーボン粉末１００重量部に対して
５〜２０重量部添加し、水分散媒のｐＨを２．６〜６．
０の範囲にすることを特徴とする易焼結性窒化アルミニ
ウム粉末を製造する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できる。

しかし、中心粒径が１０μｍ以上の大きいアルミナ粉末
を原料として用いる場合は、窒化反応を十分進行させる
ために高温で長時間の加熱が必要である。また、粗粒あ
るいは凝集粒を含有するアルミナ粉末を原料として用い
る場合は、原料の混合や分散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や凝集粒が混在すること
は避けられない。

また、鉄、マグネシウム、シリコン、チタンなどの金属
不純物は、焼結体の熱伝導度に悪影響を及ぼすことが知
られているので、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粒径が１０μｍ以下、好ましくは５
μｍ以下で、鉄、マグネシウム、シリコン、チタンなど
の金属不純物が１１００ｐｐ以下のアルミナ粉末を原料
として選択することか好ましい。

このようなアルミナ粉末としては、低ソーダアルミナ、
高純度アルミナ、易焼結性アルミナとして一般に市販さ
れているものを用いることができる。また、カーボン粉
末としては、高純度で微粉のグレードのものを用いるこ
とができる。−次粒子径が１μｍ以下で灰分が０．３重
量％以下の粉末が好ましい。このようなカーボン粉末と
しては、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チ
ャネルブラック、サーマルブラックなどが知られており
、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。また、取り扱いの簡便性から分散が容易で
あれば０．３〜Ｌ、　５ｍｍに造粒した粒状品あるいは
プレス圧縮した粉状界を用いるのが有利である。

ノニオン系界面活性剤としては、ポリエチレングリコー
ル型のものが用いられ、ポリオキシエチレンノニルフェ
ニルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエ
ーテル、ポリオキシエチレンドデシルフェニルエーテル
、ポリオキシエチレンオレインエーテル、ポリオキシエ
チレンラウリルエーテル等のポリオキシエチレンアルキ
ルフェニルエーテルあるいはポリオキシエチレンアルキ
ルエーテルが知られている。

その添加量は、カーボン粉末１００重量部に対して５〜
２０重量部の範囲が適当である。５重量部以下ではカー
ボン粉末の分散性が不十分であり、凝集粒の多い窒化ア
ルミニウム粉末しか得られない。

一方、２０重量部以上ではカーボン粉末の分散性が飽和
状態となり、またコスト面でも高くなり好ましくない。

上記のノニオン系界面活性剤は、アルミナ粉末とカーボ
ン粉末とを水分散媒中で混合して分散するときに添加す
る。添加水量はアルミナ粉末とカーボン粉末の固形成分
に対して０．５〜６重量比で、好ましくは１〜５重量比
である。

また、水分散媒のｐＨは２．０〜６．０の範囲に調製す
る必要があり、硝酸や硝酸アルミニウム水溶液等を適宜
使用してｐＨを調製する。水分散媒のｐＨが２．０以下
あるいは６．０以上では、ノニオン系界面活性剤が十分
に作用せずカーボン粉末の分散性が不十分となり好まし
くない。

水分散媒のｐＨを２．０〜６．０の範囲に調製すること
により、アルミナ粉末は高分散し、また、カーボン粉末
はノニオン系界面活性剤の作用により同様に高分散し、
その結果アルミナ粉末とカーボン粉末の均一な混合、分
散状態が得られ、以後の窒化反応工程においてアルミナ
粉末同士の焼結が抑制され、凝集粒あるいは粗粒を含ま
ない窒化アルミニウム粉末が得られる。

アルミナ粉末とカーボン粉末との混合比率は、カーボン
／アルミナのモル比で３〜１０の範囲が好ましい。モル
比が３より小さいと未反応のアルミナが残存し、一方、
１０を越えると未反応カーボンの残存量が多（なり、そ
の除去が困難でコストも高くなるので好ましくない。

混合や分散の方法としては、ボールミル、超音波分散機
などの一般的な方法やパーティカルグラニユレータ−、
ウニルナ−ミキサーなどの各種の混合機を用いることが
可能であるが、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成っている装置を使用することが望
ましい。

そのような混合機として、ポリエチレン、ナイロン、ウ
レタンなどの合成樹脂、天然ゴムあるいは合成ゴム、ア
ルミナや窒化アルミニウム製のもの、あるいはこれらの
材料で内張りまた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、通常の工業的方法が適用で
きるが、混合時のスラリー粘度が低くて乾燥時にアルミ
ナ粉末とカーボン粉末との分離が生じる恐れのあるとき
は、スプレードライ法、凍結乾燥法、ロータリーエバポ
レーター法など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２０μｍ〜３ｍｍ
程度の大きさの粒子に造粒することもできるので、造粒
することにより以後の取り扱いが容易になるという利点
がある。

このようにして得られた粉末あるいは造粒状の混合物を
、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窒素、アンモニア
、窒素−アンモニア混合ガス、窒素−水素混合ガス、窒
素−アルゴン混合ガスなどを使用することができる。

加熱処理温度は通常は１４５０〜１７００℃の範囲で、
好ましくは１ｆｆ００〜１６００℃の範囲である。１４
５０℃未満では還元窒化反応を十分に進行させるために
長時間を必要とし、１７００℃以上では粗粒の生成が多
くなるので好ましくない。経済的な範囲としては１５０
０〜１６００℃で２〜６時間保持するのが最も適当であ
る。

更に、還元窒化反応後残存している余剰のカーボンの除
去を目的として、酸化性雰囲気中で加熱処理を行うが、
その処理温度は６００〜７５０℃で１〜４時間が適当で
ある。

加熱処理にはオーブン型式の箱型類やロータリーキルン
型式の回転炉など通常用いられる装置が使用できる。

〔発明の効果〕

本発明で得られた窒化アルミニウム粉末は、粗粒あるい
は凝集粒が少なく、粒度分布かソヤープな易焼結性の窒
化アルミニウム粉末であり、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粉末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
明はこれらに限定されるものではない。

なお、実施例中に記載された粒度分布は（掬島津製作所
製のセディグラフ５０００ＥＴにより測定し、焼結密度
は■島津製作所製のアルキメデス法による固体比重測定
装置により測定し、また、焼結体の熱伝導度は真空理工
（即製のレーサーフラッシュ法による熱伝導度測定装置
ＴＣ−７０００により測定した。

実施例１ 純度９９．９％、中心粒径が０．７μｍで１μｍ以下が
８０％の低ソーダアルミナ粉末２５５ｇに灰分０．００
５％のアセチレンブラック（電気化学工業（即製１００
％プレス品）　１２０ｇ、粘度調整剤としてポリエチレ
ングリコール（和光純薬工業■製＃　１０００）を３．
８ｇ、ノニオン系界面活性剤としてポリオキシエチレン
アルキルフェニルエーテルを１４．４ｇ（１２重量部）
および分散媒としてイオン交換水を１１００ｇ加え、径
２ｓｍｔｎのウレタンボール２００個と共に５１のポリ
エチレン製ポットに入れ、硝酸アルミニウム１．９ｇと
ＩＮ硝酸２８ｇとを添加して水分散媒のｐＨを３．５に
調製して、４０ｒｐｍの回転速度でｌθ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機中で乾燥
させた後、そのうち３００ｇをグラファイト製トレイに
充填し、電気炉を用いて２０１　／ｍｉｎの窒素ガスを
流しながら１５５０℃で８時間加熱し、還元窒化反応を
行った。次に、この反応生成物を乾燥空気中にて７００
℃で３時間加熱して、１３５ｇ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セディグラフによる粒度分
布曲線を第１図（１）に示す。

中心粒径は１．５μｍ１９３％が３μｍ以下の粒子で、
粗粒あるいは凝集粒の殆どない粒度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Ｙ２Ｏ３（日本イツトリウム
（掬製）を３重量％添加し、１５００ｋｇ／ｃｍ”でプ
レス成形して得たグリーン成形体を窒化アルミニウムと
窒化ホウ素との混合粉末に埋め、窒素雰囲気中で１８０
０℃および１８５０℃で５時間常圧で焼結した。

得られた焼結体の焼結密度と熱伝導度を表１に示す。

表−１ 焼結温度　　　焼結密度　　　熱伝導度１８００°Ｃ３
，１５ｇ／ａｍ２１８６Ｗ／ｍＫ１８５０°Ｃ３，２６
ｇ／ａｍ２２０７Ｗ／ｍＫ比較例１ ノニオン系界面活性剤としてポリオキシエチレンアルキ
ルフェニルエーテルを３．６ｇ（３重量部）用いた以外
は実施例１と同様の方法で窒化アルミニウム粉末を得た
。

得られた粉末のセディグラフによる粒度分布曲線を第１
図（２）に示す。

中心粒径は１．９μｍ、８０％が３μｍ以下の粒子で、
凝集粒の多い粉末であった。

この粉末を実施例１と同様の方法で焼結し、得られた焼
結体の焼結密度と熱伝導度を表２に示す。

表−２ 焼結温度　　　焼結密度　　　熱伝導度１８００°Ｃ３
，０６ｇ／ｃｍ’　　　１６４Ｗ／ｍＫ１８５０°Ｃ３
，２３ｇ／ｃｍ’　　　１９３Ｗ／ｍＫ比較例２ 硝酸アルミニウムと硝酸を用いるかわりに濃アンモニア
水０．５ｇを水分散媒中へ添加し、水分散媒のｐＨを１
０．８に調製した以外は実施例１と同様の方法で窒化ア
ルミニウム粉末を得た。

得られた粉末のセディグラフによる粒度分布曲線を第１
図（３）に示す。

中心粒径は２．２μｍ１６９％が３μｍ以下の粒子で、
凝集粒の多い粉末であった。

この粉末を実施例１と同様の方法で焼結し、得られた焼
結体の焼結密度と熱伝導度を表３に示す。

表−３ 焼結温度　　　焼結密度　　　熱伝導度１８００°Ｃ２
，９５ｇ／ｃｍ’　　　１４９Ｗ／ｍＫ１８５０°Ｃ３
，２４ｇ／ｃｍ’　　　１９５Ｗ／ｍＫ

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例および比較例で得られた窒化アルミニウ
ム粉末をセディグラフにより測定した粒度分布曲線を示
す図で、累積重量と粒子径の関係を示すものである。 代理人　弁理士　諸石　光烈（ほか１名）累積型Ｈ１（
％） 手続補正書（自発）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アルミナ粉末とカーボン粉末とを水分散媒中で混合し、
   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、ノニオン系界面活性剤を
   カーボン粉末１００重量部にに対して５〜２０重量部添
   加し、水分散媒のｐＨを２．０〜６．０の範囲にするこ
   とを特徴とする易焼結性窒化アルミニウム粉末の製造方
   法。