JPH05270809A

JPH05270809A - 窒化アルミニウム粉末及びその製造方法

Info

Publication number: JPH05270809A
Application number: JP4096088A
Authority: JP
Inventors: Yukihiko Takahashi; 行彦高橋
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1992-03-24
Filing date: 1992-03-24
Publication date: 1993-10-19
Anticipated expiration: 2020-04-06
Also published as: JP3636370B2

Abstract

(57)【要約】【目的】反応と粒径を限定された条件下で制御するこ
とにより従来の方法では得られなかった低酸素で平均粒
子径が大きく、粒径の揃った分散性、耐湿性のよい窒化
アルミニウム及びその製造方法を提供すること。【構成】平均粒子径が２〜２０μｍで、酸素含有量が
０．６wt％以下の窒化アルミニウム粉末及び、この窒化
アルミニウム粉末の製造方法。この製造方法はアルミナ
粉末と、炭素粉末あるいは炭素含有物質の混合物を窒素
を含む非酸化性雰囲気中で焼成し還元窒化反応を完結さ
せないで反応率１００％未満の窒化アルミニウムをまず
得た後（第一段階）、続いて窒素を含まない非酸化性雰
囲気中で窒化反応を進行させる事なく焼成し（第二段
階）、更に窒素を含む非酸化性雰囲気中で焼成して反応
を完結させる（第三段階）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高熱伝導性の窒化アルミ
ニウム粉末及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】窒化アルミニウムは優れた熱伝導性のた
め、高熱伝導性基板、放熱部品、放熱用フィラーなどと
して注目されている。しかし、従来の窒化アルミニウム
粉末は平均粒径が約２μｍ未満程度の微粒で酸素量が１
wt％以上の粉末がほとんどであり、微粒になるほど大気
中の水分や酸素によって一部分解を生じやすく、また成
形時等のハンドリングがあまり良くないという問題があ
った。また充填性が悪いため成形嵩密度が小さくなり、
結果として焼結時の収縮率が大きく、寸法制御が困難で
焼結体の歩留りが悪くなるという欠点があった。こうし
た耐湿性やハンドリング、充填性の点から、窒化アルミ
ニウム粉末は平均粒子径が約２μｍ以上程度と比較的大
きい方が好ましい。特に、フィラー用途の場合はより単
一粒子径が大きい方が、充填性がよくなり、またハンド
リング中の吸湿分解が少ないので、より窒化アルミニウ
ムの高熱伝導性を発揮できることは言うまでもない。

【０００３】また、窒化アルミニウム原料粉末の製造方
法としては（Ｉ）アルミナ質化合物の炭素粉末による還
元窒化法、（II）アルミニウムの直接窒化法、（III ）
プラズマ等による気相合成法等がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
（Ｉ）の方法では通常、高純度で分散性の良い平均粒子
径２μｍ未満程度の微粒の窒化アルミニウム粉末を得る
ケースがほとんどである。この方法では余剰の炭素を除
去するための酸化雰囲気での脱炭工程が不可欠であるた
め、微粒になるほど酸素増加が顕著となり、通常０．７
wt％以上程度の比較的高い酸素量となってしまい熱伝導
率を低下させる。また、平均粒子径２μｍ以上の粗粒の
窒化アルミニウム粉末は合成温度を高くすることによっ
て得ることが可能であるが、粒径が不揃いになったり、
合成温度が１７００℃以上になると熱伝導率が低い酸窒
化アルミニウムスピネルＡｌＯＮ等の中間体を生じ、熱
伝導率を低下させてしまう。

【０００５】また、上記（II）の方法では、アルミニウ
ムの融点以上の反応温度が必要であり、粗粒のものが得
られるが粒径の揃ったものが得られない。また、（Ｉ）
の様な脱炭工程がなく、粉末表面が酸化しやすいため、
ハンドリング中に酵素量が１ｗｔ％以上程度に増加して
しまうという問題がある。（III ）の方法では、気相反
応であるため１μｍ以下程度の微粒は得られるが、２μ
ｍ以上程度の粗粒は得られない。

【０００６】本発明は、かかる現状に鑑み鋭意研究を行
った結果なされたものであり、反応制御することにより
従来の方法では得られなかった低酸素で平均粒子径が大
きく、粒径の揃った、分散性、耐湿性のよい窒化アルミ
ニウム及びその製造方法を提供することを目的とするも
のである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、平均粒子径が２μｍより大きく２０μｍ
以下で、かつ酸素含有量が０．６重量％以下であること
を特徴とする窒化アルミニウム粉末、及びこの窒化アル
ミニウム粉末の製造方法を提供し、この製造方法はアル
ミナ粉末と炭素粉末又は炭素含有物質の混合物を、最初
に、窒素を含む非酸化性雰囲気中でアルミナの反応率が
１００％未満となるように焼成し（第１段階）、次いで
窒素を含まない非酸化性雰囲気中で反応を進行させずに
焼成し（第２段階）、それから再び窒素を含む非酸化性
雰囲気中で焼成して反応を完結させる（第３段階）こと
を特徴とする。

【０００８】窒化アルミニウム粉末の平均粒径は、粉末
を超音波分散により凝集をほぐして得られる粒子につい
て、回折式粒度分析計で測定した重量平均径である。こ
の粒子は超音波分散によるので一次粒子近くまでほぐれ
ているが、ＳＥＭ観察による完全な一次粒子と比べると
分散（ほぐれ）が不十分であると思われるものである。

【０００９】本発明の窒化アルミニウム粉末の平均粒子
径は２μｍより大きく２０μｍ以下である。平均粒径が
２μｍ以下では脱炭、ハンドリング中の酵素増加によっ
て、最終的に酵素量が０．６ｗｔ％以下とならず、また
平均粒径が２０μｍを越えると反応時の未反応酵素が増
加し、最終的に酵素量が０．６ｗｔ％以下とならない。
好ましい平均粒径は３〜１０μｍの範囲内である

【００１０】また、本発明の窒化アルミニウム粉末は酵
素含有量が０．６ｗｔ％、好ましくは０．３〜０．６ｗ
ｔ％である。窒化アルミニウムの熱伝導率は不純物に大
きく依存しており、中でも特に酵素は影響が大きく、酵
素含有量を小さくすれば本来の窒素アルミニウムの熱伝
導性を発揮できる。酵素含有量が０．６ｗｔ％以下であ
ることによって焼結体やフイラーと充填したものは本来
の窒化アルミニウムの熱伝導性を引出し、高熱伝導率と
なることはいうまでもない。酵素以外の不純物も熱伝導
率への寄与は小さいものの影響を及ぼすため、酵素を除
いた純度９９．９ｗｔ％以上であることが望ましい。こ
れは原料であるアルミナ及び、炭素あるいは炭素含有物
質に純度９９．８ｗｔ％以上程度のものを用いることに
よって容易に達成される。

【００１１】この様に本発明の窒化アルミニウム粉末は
平均粒子経が大きく、酵素含有量が小さいため窒化アル
ミニウム本来の熱伝導率が発揮しやすい。また平均粒子
経が大きいため、表面積が小さく耐湿性に優れており、
従来不可能であった水系でのハンドリングも可能とな
る。更に平均粒子経が大きいことで充填性、成形性も向
上し、焼結時の収縮率低下による歩留まり向上にもつな
がる。

【００１２】次に、本発明の窒化アルミニウム粉末の製
造方法について説明する。使用するアルミナ粉末は純度
９９．８ｗｔ％以上が好ましく、さらに９９．９ｗｔ％
以下が好ましい。また、炭素粉末等と均一に混合するた
めに平均粒径が１０μｍ以下が好ましく、さらには５μ
ｍ以下がより好ましい。

【００１３】使用する炭素粉末としてはカーボンブラッ
ク、グラファイト、活性炭等の従来用いられている炭素
粉末でよいが、灰分０．０２ｗｔ％以下のものが好まし
く、アルミナ粉末と均一に混合し、反応性を大きくする
ために平均粒子径は１μｍ以下が好ましい。また、炭素
粉末のほかに炭素含有物質を用いてもよく、例えば炭化
水素、樹脂類、その他の有機物質等の粉末を利用でき
る。

【００１４】アルミナ粉末と炭素粉末又は炭素含有粉末
は均一に混合するが、好ましくは反応を均一かつ定常的
に進行させるために直径３〜２０mm程度のペレットにし
ておくことが望ましい。

【００１５】こうして得た混合粉末あるいはペレットを
ガスを流通できる容器に入れ、電気炉で第一段階として
窒素を含む非酸化性雰囲気（例えば窒素、アンモニアな
ど非酸化性のガス雰囲気）中、好ましくは１４００℃〜
１７００℃で焼成する。これは、焼成温度が１４００℃
未満だと窒化反応がおこらず、１７００℃より高温にな
ると一部が熱伝導率の低い酸窒化アルミニウムスピネル
ＡｌＯＮ等の中間体を生じてしまうからである。また、
還元窒化反応を完結させないために保持時間を、例えば
５時間未満とする事が好ましい。

【００１６】ここに、アルミナの反応率はアルミナが窒
化アルミニウムに転化したパーセント割合をいい、Ｘ線
回折のピーク強度比より次式で算出される。

【００１７】

【数１】

【００１８】第一段階の焼成ではアルミナの反応率は１
００％未満として、第二段階の焼成時にアルミナを残す
必要がある。第二段階の焼成時にアルミナが残ることに
よってＡｌＮの粒成長が可能になる。反応が完結した場
合は第二段階以降でＡｌＮの粒成長が生じず、単一粒子
の大きさが２μｍ超とならない。この機構ははっきりわ
からないが、未反応酸素がＡｌＮの粒成長を促進するも
のと思われる。好ましいアルミナの反応率は０〜９９
％、さらには５０〜９９％の範囲内である。反応率が９
９％を超えると粒成長が生じにくくなり、０〜５０％だ
と後の段階で未反応酵素を低減しにくくなる。

【００１９】続いて第二段階として、窒素を含まない非
酸化性雰囲気中（例えば真空中、アルゴン、ヘリウム等
の不活性ガス雰囲気）、１６００℃〜２０００℃でこの
混合粉末あるいはペレットを焼成する。このアルミナを
残存する窒化アルミニウム粉末の焼成により窒化アルミ
ニウム粉末の粒径が増大し、かつ窒化されるべきアルミ
ナは少量であるので、次の第三段階の焼成で完全に窒化
され酸素含有率の少ない窒化アルミニウム粉末が２μｍ
超の大きい粒径で得ることが可能になる。焼成温度が１
６００℃より低いと、窒化アルミニウムの粒径が２μｍ
以上とならず、また２０００℃より高いと、粒径が２０
μｍ以上となったり、窒化アルミニウムの揮発が一部生
じてしまう。焼成時間は、平均粒径が大略２μｍ以上に
なるまでとし、一般的には１〜１０時間程度である。

【００２０】更に第三段階として再び窒素を含む非酸化
性雰囲気中、１７００〜２０００℃でこの混合粉末ある
いはペレットを焼成する。この焼成により、粒径が略２
μｍ越にされた窒化アルミニウム粉末中に残存するアル
ミナを最終的に完全な窒化アルミニウムに転換される。
焼成温度が１７００℃より低いと未反応の酸素が０．６
wt％以上となり、また２０００℃より高いと、窒化アル
ミニウムの揮発が一部生じてしまう。

【００２１】

【作用】アルミナの炭素還元窒化の途中で、窒素を含ま
ない非酸化性雰囲気中で焼成して粒成長させることによ
り、酸素含有量の少ない粒径２μｍ〜２０μｍの窒化ア
ルミニウム粉末を得ることができる。

【００２２】本発明によって得られる窒化アルミニウム
は、粒子の平均径が２〜２０μｍと大きく、粒径が揃っ
ており、また酸素量が０．６wt％以下と少ないため、従
来の微粒の窒化アルミニウムと比べて放熱性、充填性、
耐湿性に優れたものである。次に実施例により、本発明
の内容をさらに詳しく説明する。

【００２３】

【実施例】

（実施例１）平均粒子径０．５μｍのアルミナ１００重
量部に平均粒子径０．３μｍのカーボンブラック６０重
量部を加えボールミルで混合した。この混合粉末を造粒
するため、ポリビニルアルコールの水溶液を加えパン型
造粒機で粒子径が５mmになる様に造粒した。造粒物を乾
燥した後、２リットルの黒鉛ルツボに５００ｇ充填し、
まず第一段階として窒素を流速２０リットル／min で導
入しながら１４５０℃にて１時間焼成した。この時点で
の反応率は４２％であった。続いて第二段階としてガス
を同じ流速のアルゴンに切り替え、１８００℃にて４時
間焼成した。次に第三段階として、ガスを同じ流速の窒
素に切り替え、１９００℃にて１０時間焼成した。この
時点で酸素量を測定（ＬＥＣＯ社製酸素窒素同時分析装
置ＴＣ−４３６を使用）したところＡｌＮ換算で０．１
８wt％であった。得られた粉末を６５０℃、４時間空気
中で焼成して残留炭素の除去（脱炭）を行った。こうし
て得られた粉末は、Ｘ線回折からＡｌＮ単相であり、平
均粒径はレーザー回折方式の粒度分析計で測定したとこ
ろ４．１μｍであった。（ＡｌＮ粉末０．０２ｇをエタ
ノール２００ccに投入し、超音波分散器で１５分間分散
させ凝集をほぐした後、Leeds & Northrup社製のレーザ
ー回折式の粒度分析計マイクロトラックにて、粒度を測
定した。）ＳＥＭによる観察（図１）から、単一粒子の
大きさが約２．５μｍで、粒径の揃った粉末であった。
酸素量は０．４１wt％であり、脱炭前と比べると０．３
wt％増加していた。

【００２４】また、得られた粉末を３０℃の水（イオン
交換水）中に分散し、スターラー攪拌しながらpHの経時
変化を調べた。結果を図３に示す。さらに、得られた粉
末を５００ kgf／cm²の圧力でプレス成形した時の成形
嵩密度は２．０１ｇ／cm³であった。

【００２５】（実施例２〜３）実施例１と同じ組成、方
法で作製したアルミナとカーボンブラックの混合ペレッ
トを、２リットルの黒鉛ルツボに充填し、表１に示す様
な条件で焼成した後、実施例１と同じ条件にて脱炭しＡ
ｌＮを得た。結果もあわせて表１及び図３に示す。

【００２６】（比較例１）実施例１と同じ組成、方法で
作製したアルミナとカーボンブラックの混合ペレット
を、２リットルの黒鉛ルツボに５００ｇ充填し、窒素を
流速２０リットル／min で導入しながら、１６００℃、
４時間で焼成した。この時点での反応率は１００％であ
った。続いて第二段階としてガスを同じ流速のアルゴン
に切り替え、１８００℃にて４時間焼成した。次に第三
段階として、ガスを同じ流速の窒素に切り替え、１９０
０℃にて１０時間焼成した。この時点で実施例１と同様
の方法で酸素量を測定したところＡｌＮ換算で０．１wt
％であった。得られた粉末を６５０℃、４時間空気中で
焼成して脱炭を行った。得られた粉末を実施例１と同様
の方法で測定したところ、平均粒子径は１．７μｍであ
った。ＳＥＭによる観察（図２）から、単一粒子の大き
さが約０．７μｍで、粒径の揃った粉末であった。酸素
量は１．０wt％であり、脱炭前と比較して０．９wt％増
加していた。また、実施例１と同様にして耐湿性試験し
た結果を図３に示す。また実施例１と同様にプレス成形
した時の成形嵩密度は１．７１ｇ／cm³であった。

【００２７】（比較例２〜３）比較例１と同じ混合ペレ
ットを、２リットル黒鉛ルツボに５００ｇ充填し、表１
に示す様な条件で焼成した後、実施例１と同じ条件にて
脱炭しＡｌＮを得た。結果もあわせて表１に示す。

【００２８】（比較例４〜５）従来のアルミナ還元法に
よる窒化アルミニウム粉末として徳山曹達（株）製Ｔyp
e Ｆ（平均粒径２．０μｍ、酸素含有量１．２wt％）、
また従来の直接窒化法粉末として東洋アルミ（株）製Ｕ
Ｆ（平均粒径２．２μｍ、酸素含有量１．１wt％）を選
び、これらの粒子について実施例１と同様に耐湿性試験
を行なった結果を図３に併せて示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【発明の効果】上述の実施例から明らかなように、本発
明により、単一粒子の平均径が２〜２０μｍ以上と大き
く、酸素量も０．６wt％以下と非常に低く、充填性、耐
湿性に優れた窒化アルミニウム粉末が得られるようにな
った。この窒化アルミニウム粉末は、高熱伝導焼結体原
料、放熱用フィラー等として放熱部品、ＩＣ基板等広い
分野ですぐれた原料として利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の製造方法によって得られた窒化アル
ミニウム粉末の粒子構造を示すＳＥＭ写真である。

【図２】比較例２によって得られた窒化アルミニウム粉
末の粒子構造を示すＳＥＭ写真である。

【図３】実施例及び比較例の窒化アルミニウム粉末の耐
湿性試験結果を示すグラフ図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平均粒子径が２μｍより大きく２０μｍ
以下で、かつ酸素含有量が０．６重量％以下であること
を特徴とする窒化アルミニウム粉末。
【請求項２】アルミナ粉末と炭素粉末又は炭素含有物
質の混合物を、最初に、窒素を含む非酸化性雰囲気中で
アルミナの反応率が１００％未満となるように焼成し
（第１段階）、次いで窒素を含まない非酸化性雰囲気中
で反応を進行させずに焼成し（第２段階）、それから再
び窒素を含む非酸化性雰囲気中で焼成して反応を完結さ
せる（第３段階）ことを特徴とする窒化アルミニウム粉
末の製造方法。
【請求項３】第１段階の焼成を１４００〜１７００
℃、第２段階の焼成を１６００〜２０００℃、第３段階
の焼成を１７００〜２０００℃の温度範囲内で行なう請
求項２記載の窒化アルミニウム粉末の製造方法。