JPH0459610A - 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基板あるいはパラケーン材料には従来よ
りアルミナか多用されている。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
量か増加し、効率良く熱を系外へ散逸させる必要性か高
まり、アルミナよりも熱伝導性か良く、放熱性に優れた
材料か要望されている。

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、誘電率なと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
ラケーン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
元窒化法の二つか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
として用いるか、これらの表面には酸化物被膜か存在し
、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
よる塊状の生成物か出来易く、窒化反応後に粉砕して粒
度を調整する必要かある。

このため不純物か混入し易く、高純度の窒化アルミニウ
ム粉末か得られにくい。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か起
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か現状である。

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か得られ易い。窒化アルミニウム
の場合は特に気孔が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
な原料粉末か要望されている。

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、分散させることか必要である。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か存在するという問題かあ
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か、必ずしも満足できるものでは
なかった。

また、焼結性を向上させるために、焼結助剤を窒化アル
ミニウム粉末に予めコーティングする手法か知られてお
り、この場合アルカリ性領域においてＣａ（ＮＯ３）２
やＹ（ＮＯ３）１などを添加してＣａ（ＯＨ）＋やＹ（
ＯＨ）３として析出させる方法を取るので、Ｃａ（ＯＨ
）。

やＹ（０旧。が安定して存在するアルカリ性領域での製
造か要望されている。

〔課題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
、水を分散媒とした場合アルミナ粉末とカーボン粉末と
の混合、分散状態をアルカリ性領域において向上させる
ために、ノニオン系界面活性剤とアニオン系界面活性剤
の両者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か少なく
粒度分布のノヤ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
分散媒中て混合し、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、アニオン系界面活性剤をアルミ
ナ粉末１００重量部に対して１〜１０重量部添加し、水
分散媒のｐＨを９．０〜１３．０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ひ粒子径を選択することかできる。

しかし、中心粒径か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、中心粒径か１０μｍ以下、好ましくは
５μｍ以下で、鉄、マグネシウム、シリコン、チタンな
どの金属不純物か１１００ｐｐ以下のアルミナ粉末を原
料として選択することが好ましい。

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販売さ
れているグレードの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トのものを
用い、−次粒子径が１μｍ以下で灰分が０．３重量％以
下のものが好ましい。

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０．３〜１．５ｍｍに
造粒した粒状品あるいはプレス圧縮した粒状品を用いる
のが有利である。

ノニオン系界面活性剤としては、ポリエチレンクリコー
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
など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などの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重量部の範囲か適当である。５重量部以下ではカー
ボン粉末の分散性か不十分であり、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。

アニオン系界面活性剤としては、カルボン酸塩型のもの
が用いられ、高級脂肪酸ナトリウム塩、ポリカルボン酸
アンモニウム塩などが知られている。

その添加量は、アルミナ粉末１００重量部に対して１〜
１０重量部の範囲が適当である。１重量部以下ではアル
ミナ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、１０重量部以上ではアルミナ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およびアニオン系界面活性
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９．０〜１３．０の範囲に調製
する必要かあり、水酸化ナトリウムやアンモニア水など
を適宜使用してｐＨを調製する。水分散媒のｐＨか９．
０以下あるいは１３，０以上では、アニオン系界面活性
剤か十分に作用せずアルミナ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９．０〜１３．０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すが残存し、一方、
ｌＯを越えると未反応カーボンの残存量が多くなり、そ
の除去が困難でコストも高（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か容易になるという利点
かある。

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
化反応を行うか、その雰囲気としては窒素、アンモニア
、窒素−アンモニア混合カス、窒素−水素混合カス、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１５００〜１６００℃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、ｌ　７００　’Ｃを越えると粗粒の
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１５００〜１６００°Ｃ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６００〜７５００Ｃ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炉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
は凝集粒か少なく、粒度分布がシャ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（ｍ農法製作所
製のセディグラフ５０００ＥＴにより測定し、焼結密度
は■農法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
■製のレーザーフラッシュ法による熱伝導度測定装置Ｔ
Ｃ−７０００により測定した。

実施例１ 純度９９．９％、中心粒径か０．７μｍで１μｍ以下か
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（即製＃　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（第一工業薬品（即製ノイ
ゲンＥＡ−１３７）を１４．４ｇ　（１２重量部）、ア
ニオン系界面活性剤としてポリカルボン酸アンモニウム
（サンノプコ（掬製ＳＮデイスパーサンｈ　５０２０、
固形分：４０重量％）を固形分に換算して７．６５ｇ　
　（３重量部）および分散媒としてイオン交換水を１１
００ｇ加え、径２５ｍｍ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、濃アンモニア水
を０．５ｇ添加して水分散媒のＩ）Ｈを１０．５に調製
して、４０ｒｐｍの回転速度で１０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／ｍｌｎの窒素ガスを流
しなから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７００８
Ｃで３時間加熱して、１３０ｇ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１．４μｍ、９２％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
（即製）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°Ｃ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
，１６ｇ／ｃｍ’　　　１８９Ｗ／ｍＫ１８５０°Ｃ３
，２６ｇ／ａｍ’　　　２０５Ｗ／ｍＫ比較例Ｉ アニオン系界面活性剤としてポリカルボン酸アンモニウ
ムを固形分に換算して０．７６５ｇ　（０，３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２．４μｍ、６６％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 焼結密度　　　熱伝導度 ２、８６ｇ／ａｍ”　　　１３５Ｗ／ｍＫ３．１９ｇ／
ｃｍ’　　　１８９Ｗ／ｍＫ焼結温度 １８００°Ｃ １８５０’Ｃ 比較例２ アニオン系界面活性剤を用いない以外は実施例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２．２μｍ、６９％か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’ｃ　
　　　　２．９５ｇ／ｃｍ’　　　１４９Ｗ／ｍＫ１８
５０°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。 累積ｍｆｆ１（％） 代理人　弁理士　諸石　光黒（ほか１名）手 続 補 正 書 （自 発） 平成３年４月３０日 １、事件の表示 平成２年特許願第１７３１４１号 ２゜ 発明の名称 易焼結性窒化アルミニウム粉末の製造方法事件との関係
　　特許出願人 住　所　大阪市中央区北浜四丁目５番３３号住 所 大阪市中央区北浜四丁目５番３３装 置 ５、補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄。 ６、補正の内容 （１）明細書の第７頁第１５行のｒ　１１００ｐｐ」を
「各々１０１００ｐｐに訂正する。 （２）明細書の第１Ｏ頁第４行の「調製コを「調整Ｊに
訂正する。 （３）明細書の第１Ｏ頁第６行の「調製」を「調整」に
訂正する。 （４）明細書の第１０頁第１０行の「調製」を「調整」
に訂正する。 （５）明細書の第１４頁第９行の「１２重量部」を「カ
ーボン粉末１００重量部に対して１２重量部Ｊに訂正す
る。 （６）明細書の第１４頁第１２行の「３重量部ｊを「ア
ルミナ粉末１００重量部に対して３重量部Ｊに訂正する
。 （７）明細書の第１４頁第１６行の「調製」を「調整」
に訂正する。 （８）明細書の第１５頁第１行の「８時間」を「５時間
」に訂正する。 （９）明細書の第１６頁第３行の「０．３重量部」を「
カーボン粉末１００重量部に対して０．３重量部」に訂
正する。 以上

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重量部に対して５〜２０重量部添
   加し、アニオン系界面活性剤をアルミナ粉末１００重量
   部に対して１〜１０重量部添加し、水分散媒のｐＨを９
   ．０〜１３．０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。