JPH0465003B2

JPH0465003B2 -

Info

Publication number: JPH0465003B2
Application number: JP3663387A
Authority: JP
Inventors: Masato Kumagai; Yutaka Yoshii; Ryoji Uchimura
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1987-02-19
Filing date: 1987-02-19
Publication date: 1992-10-16
Also published as: JPS63206306A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は、高純度、微細で易焼結性の窒化アル
ミニウム粉末の製造方法に関するものである。〔従来の技術〕窒化アルミニウム（以下AlNと記す）は、そ
の優れた機械的特性、化学的耐用性の故に耐熱材
料として用いられるだけでなく、その高熱伝導
性、高電気絶縁性、低誘電率等の故に半導体関係
の放熱材料としても期待されている。AlNは一
部薄膜の形態で利用される場合もあるが、多くの
場合焼結体で用いられている。このようなAlN焼結体の焼結性および特性は、
出発原料であるAlN粉末の特性および焼結助剤
に強く影響されることが知られている。すなわ
ち、AlN粉末としては、高純度で、粒径が均一
かつ微細であり、適当な焼結助剤がAlN粉中に
均一に分散していることが望ましい。 AlN粉末は、従来、金属アルミニウムの直接
窒化法またはアルミナの還元窒化法で製造されて
いる。直接窒化法では微細で均一粒径の高純度ア
ルミナを出発原料とすることにより直接窒化法に
より若干優れたAlN粉末が得られやすいが、所
望の粉末とは言い難い。上記方法を改良し、高純度で、微細、均一粒径
のAlN粉末を得る方法として、アルミニウムア
ルコキシドと炭素の分散液に水を加え、アルコキ
シドの加水分解を行わせ、水酸化アルミニウムと
炭素の混合物を得る方法、および水溶性アルミニ
ウム塩と炭素を含む水溶液にアルカリを加え、中
和沈殿法により水酸化アルミニウムと炭素の混合
物を得る方法が提案されている（特開昭61−
6105、特公昭61−26485）。これらの方法によつて得た混合物は、前記した
アルミナと炭素の混合物に比べ均一に混合されて
いるため、これを窒素を含む非酸化性雰囲気中で
焼成することにより、従来より均一で、微細な
AlN粉を得ることができるようになつた。しかし、上記の改良法においても加水分解また
は中和沈殿のために水またはアルカリを滴下する
と、局所的に沈殿が生成し、直ちに凝集してしま
う。このため、炭素微粉を含まない水酸化アルミ
ニウムの1μm以上の凝集塊が多数生成し、得られ
る水酸化アルミニウムと炭素の混合物は均一性が
不十分なものである。このような不均一な混合物
を窒素を含む非酸化性雰囲気中で焼成して得られ
るAlN粉の粒径も不揃いなものになり易く、焼
成後もアルミナが窒化されずに残つたり１〜5μm
の粗粒のAlNとなりがちであつた。以上の問題点を解決するために、本発明者らは
特願昭61−05863において分散性、分散液の安定
性に優れるベーマイト（AlOOH）または凝ベー
マイト粉を用い、炭素源物質との均一な分散液を
作製し、この均一分散状態を保つたまま固化さ
せ、これを乾燥、焼成することによつて微細で粒
度分布範囲の狭いAlN粉を得る方法を開示した。上記開示において、固体炭素を炭素源として用
いる場合には、その粒径および分散状態によつ
て、得られるAlN粉末の粒径分布が変動し易く、
例えば粒径が1μmを超える大きさとなつたり、ま
た分散が不十分な場合には1μm以上の凝結した
AlN粒が多数認められたり、極端な場合には窒
化が不十分でアルミナが残存する場合もあつた。〔発明が解決しようとする問題点〕本発明は高純度で微細な、焼結性にすぐれた
AlN粉末の製造法に関する上記開示をさらに発
展させ、優れたAlN粉末の品質をさらに向上さ
せ、粒度分布範囲が狭く、微細AlN粉を安定的
に再現性よく製造する方法を提供することを目的
とするものである。〔問題点を解決するための手段〕高純度で微細な、優れた焼結体を有するAlN
粉末を安定に、再現性よく製造する方法として、
本発明は次の技術手段から成る。 (1) 水中で極めて分散性に優れるベーマイトまた
は凝ベーマイト粉を水に加え、PHを1.2〜4.5の
範囲に調整することにより、ベーマイトが安定
に分散したベーマイトゾルをあらかじめ作製す
る。ベーマイトゾル中のベーマイト粒子径は
500Å以下である。凝ベーマイトは、ベーマイ
ト結晶と同位置にＸ線回折ピークがあらわれる
が、ベーマイト結晶に比べ、ピーク幅が広く、
結晶の不十分なベーマイトであるが、水中の分
散性の点でベーマイト結晶と大差はない。 (2) 上記ベーマイトゾルに加える炭素源物質とし
て、水溶性の有機炭素源物質から得られる炭素
と固体炭素粉とをその重量比が0.05〜0.5の範
囲になるように有機炭素源物質と固体炭素を配
合した炭素源物質を用いる。この固体炭素粉は
粒径0.5μm以下が好ましい。この炭素源物質中の全炭素量とベーマイトと
を重量比で0.4〜3.0の割合で均一に混合したの
ち、この均一混合状態を保持したまま固化さ
せ、乾燥したのち、窒素を含む非酸化性雰囲気
中で焼成する。 (3) 上記(2)の工程において、ベーマイトゾルと炭
素源物質の分散体の均一混合状態をそのまま保
持し固化させるために、蒸発等によつて水を除
き、ベーマイトゾルを炭素と共存させたままゲ
ル化させ、次いで乾燥した後、窒素を含む非酸
化性雰囲気中で焼成することが好ましい。ここで、水溶性の有機炭素源物質としては、水
溶性のレジン、リグニンスルホン酸など、ベーマ
イトゾルの分散性に影響を与えず、かつ高温での
炭素残留率の高いものが望ましい。〔作用〕本発明を作用と共に具体的に説明する。まず、ベーマイト粉または凝ベーマイト粉を水
に加え、ベーマイトゾルの分散状態が最適となる
ようにPH＝1.2〜4.5の範囲に調整する。次に、水溶性の有機炭素源物質から得られる炭
素と固体炭素微粉とをその重量比が0.05〜0.5の
範囲になるように配合して炭素源物質を調整し、
この炭素源物質中の全炭素量とベーマイト粉とが
重量比で、0.4〜3.0の割合となるように、前記ベ
ーマイトゾルと炭素源物質とを均一に混合する。
この混合物を均一混合状態を保持したまま固化さ
せ、乾燥させた後、窒素を含む非酸化性雰囲気中
で1350〜1700℃で焼成してAlN粉を得る。上記混合物を固化させる手段としては、次の３
通りが代表的である。イ）長時間混練を続ける。混練中にベーマイト
ゾルのゲル化が々に進行するため、混合物の粘
度が時間とともに徐々に上昇し固化する。ロ）混練しながら加熱等によつて水を強制的に
揮散させ、ゲル状態にする。ハ）酸、アルカリ、種々のイオン、高分子凝集
剤などの添加によつてゲル化を促進させる。ベーマイトゾルの作製において、PHを1.2〜4.5
の範囲に限定したのは、以下の理由による。PHが
1.2未満ではベーマイトゾルのゲル化が急速に進
むことにより、炭素源物質との混合操作を実質上
行うことができない。PHが4.5を超えるとベーマ
イト粉は水中に分散されず、1μm以上の凝集塊の
まま存在するため、炭素源物質との均一混合が難
しい。炭素源物質として、水溶性の有機炭素源物質か
ら得られる炭素と固体炭素微粉とを、その重量比
が0.05〜0.5の範囲になるように配合するのは以
下の理由による。本発明の効果は、炭素源物質とベーマイトゾル
を極限まで均一に混合することによつて最大限達
成される。これらの均一混合のためには、まずベ
ーマイトと炭素が均一に分散された状態を作り出
す必要がある。ベーマイトは上記のように水のPHを調整するこ
とにより、良分散体が得られる。一方、炭素源物
質の良分散体を得る方法としては、微粉の固体炭
素を溶媒中に解膠、分散させる方法、または溶媒
（本発明の場合の溶媒は水）に溶解する有機炭素
源物質を用いる方法がある。炭素源物質として固
体炭素粉のみを用いた場合には、たとえ微粉の固
体炭素のみを使用しても通常の場合粒径は200Å
以上であり、かつこの微粉炭素を極限まで解膠、
分散させることは難しい。このため、ベーマイト
粒の周囲を固体炭素で覆うためには極めて多量の
固体炭素が必要であり、AlN粉末の生産効率は
極めて低いものとなつてしまう。また、固体炭素
の解膠、分散が少しでも不十分な場合にはベーマ
イトが還元窒化されずにアルミナとして残つた
り、得られるAlN粉末の粒径が不揃いになり易
く、品質の安定性、再現性の面からも好ましくな
い。この問題を解決するためには、炭素の均一分散
が容易な水溶性有機炭素源物質を用いることが有
効である。ただ、有機炭素源物質を多量に使用す
ると、AlN粉合成時の高温過程で炭素と炭素と
の間の結合が強固に形成され、ベーマイトの環元
窒化反応後AlNと炭素の結合した極めて硬い塊
状物となつてしまう。すなわちAlNと炭素との混合物を酸化性雰囲
気中で処理し、AlN粉の酸化を抑えながら脱炭
するためには上記塊状物を予めできるだけ細かく
粉砕しておくことが重要である。塊状物が必要以
上に硬い場合には粉砕に長時間を要するだけでな
く、粉砕時に不純物の混入が避けられないほか、
残留炭素分も多くなる。以上の理由から、有機炭素源物質から得られる
炭素と固体炭素粉との比が0.05未満の場合には添
加の効果が実質的に認められない程小さく、また
この比が0.5を超えると還元化反応後のAlNと炭
素との塊状物が極めて硬くなつてしまうので、
0.05〜0.5に規制される。炭素源物質中の全炭素量とベーマイト粉との混
合重量比を0.4〜3.0の範囲に限定したのは以下の
理由による。重量比が0.4未満の場合には還元窒化後でもア
ルミナが残存するほか、粒径も大きくなる。重量
比が3.0を超えるとAIN粉末の生産効率が極めて
低くなり、実際的でない。本発明によれば、微細で（1μm以下）、粒径分
布の極めて狭いAlN粉を安定に、再現性よく製
造することができる。本発明は以下の２点において、先行技術をさら
に改良したものである。 (a) 水溶性有機炭素源物質を適量配合したため、
平均粒径がより小さく、粒径分布もより狭くな
つて成形性、焼結性がより向上した。 (b) 先行出願で炭素の分散状態が得られるAlN
粉の性状に極めて敏感に大きく影響する。これ
に対して本発明では製造ばらつきが小さい。本発明のAlN粉は、原料ベーマイトとして高
純度のものを用いることにより容易に高純度化す
ることができ、例えば金属イオン総不純物量が
200ppm以下の純度のものを容易に得ることがで
きる。さらに、本発明では微細なベーマイト粉と炭素
粉を均一に混合しているため、還元窒化時に
F₂O₃，SiO₂などの不純物が容易に還元、揮散さ
れ、その結果さらに高純度のAlN粉を得ること
ができる。また、本発明のAlN粉を用いること
により、高純度で緻密（密度99％以上）な焼結体
を容易に得ることができる。〔実施例〕第１表に示した〜の配合でAlN製造用の
混合物を作製し、窒素雰囲気中で1450℃、５時間
焼成したのち、650℃で３時間脱炭処理し、AlN
粉を得た。第１表中、、、は本発明の製造条件に
適合する実施例であり、、、、、は比
較例である。これらの全てについて以下の手順で
混合物を作成した。 PH＝3.0で分散させた20重量％ベーマイトゾル
と、固体炭素に分散剤と水を加えポツトミルで10
時間混練して得た炭素15重量％分散体とを予め作
成する。両者を混合したのち、水溶性有機炭素源
物質を所定量添加する。添加後のこの混合物を撹
拌しながら、加熱によつて水を除去し、ゲル化さ
せた後、乾燥する。上記〜の９種類のAlN粉の粒度分布を第
１図に、窒化反応後および脱炭後のAl₂O₃および
炭素含量を第２表に示す。第１図中および第２表
中の〜は第１表中の〜とそれぞれ対応す
る。第１図、第２表から以下のことを確認すること
ができた。比較例、は粒径が粗く、AlN中のAlBO₃
残量も実施例、、、に比べて多い。ま
た、得られたAlN粉の粒径分布、Al₂O₃含量とも
製造ロツト間でばらつき易い。実施例、、、は比較例、に比べ、
粒径が細かく、粒度分布が狭く、かつロツト間の
ばらつきも小さい。脱炭後のAl₂O₃残量、炭素残
量も少ない。比較例、では窒化反応後の塊状物が硬すぎ
るため、粉砕時に不純物が混入し易い。アルミナ
磁器を用いた場合でも粉砕によりAl₂O₃含量が増
加している（第２表）。また、比較例、は脱炭後の炭素残量も多
い。比較例では窒化反応後にAl₂O₃が多量に残る
ほか、AlN粉の粒径も粗い。

【表】

【表】＊＊アルミナ製粉砕機で粉砕後脱炭したもの。
〔発明の効果〕本発明によつて高純度で、微細な、均一粒径の
AlN粉を極めて安定的に、再現性よく製造する
ことが可能になつた。このAlN粉を用いることにより、高密度で、
高熱伝導性、高強度のAlN焼結体を製造するこ
とが容易となり、高温構造材料、IC基板等への
利用に貢献するところが大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は種々の方法で合成したAlN粉末の粒
度分布を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

１水を含む液中にベーマイト粉を加え、PHを
1.2〜4.5に調整して該ベーマイト粉を分散させた
ベーマイトゾルを作製し、該ベーマイトゾルと炭
素源物質とを混合し、乾燥した後、窒素を含む非
酸化性雰囲気中で焼成する窒化アルミニウム粉末
の製造方法において、有機炭素源物質から得られ
る炭素と固体炭素粉とを重量比で0.05〜0.5の範
囲に配合した炭素源物質を用い、かつ該炭素源物
質中の全炭素量と該ベーマイト粉とを重量比で
0.4〜3.0の割合で混合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。