(57)【要約】【課題】高い流動性と高充填率を持ち、しかも、不純物を低減させて高熱伝導性を付与した高熱伝導性球状窒化アルミニウムフィラー及びその製造方法を提供する。【解決手段】窒化アルミニウム粉末をフラックス処理して球状窒化アルミニウムフィラーを製造する方法であって、窒化アルミニウム粉末を、フラックス中で球状化処理するにあたり、窒化ホウ素質、窒化アルミニウム質又は窒化ケイ素質の処理容器を用いて不活性ガス中１６５０〜１９００℃で処理することを特徴とする球状窒化アルミニウムフィラーの製造方法、該方法で製造された、酸素量が１．８重量％以下、炭素量が１．０重量％以下であることを特徴とする球状窒化アルミニウムフィラー、及び上記球状窒化アルミニウムフィラーを高分子材料中に配合して複合化したことを特徴とする高熱伝導性高分子部材。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム粉末をフラックス処理して球状窒化アルミニウムフィラーを製造する方法であって、窒化アルミニウム粉末を、フラックス中で球状化処理するにあたり、窒化ホウ素質、窒化アルミニウム質又は窒化ケイ素質の処理容器を用いて不活性ガス中１６５０〜１９００℃で処理することを特徴とする球状窒化アルミニウムフィラーの製造方法。
【請求項２】
球状窒化アルミニウムフィラーからフラックスを分離するにあたり、高純度アルミナ質（Ａｌ２  Ｏ３  含有量９９％以上）、窒化ケイ素質又は窒化アルミニウム質ボールを解砕メディアとして、酸性溶液中で撹拌しながらフラックスを溶解することを特徴とする、請求項１記載の球状窒化アルミニウムフィラーの製造方法。
【請求項３】
フラックスと分離した球状窒化アルミニウムフィラーを、酸化性雰囲気下６００〜８００℃で加熱して脱炭処理することを特徴とする、請求項１記載の球状窒化アルミニウムフィラーの製造方法。
【請求項４】
上記請求項１から３いずれかに記載の方法で製造された、酸素量が１．８重量％以下、炭素量が１．０重量％以下であることを特徴とする球状窒化アルミニウムフィラー。
【請求項５】
請求項４記載の球状窒化アルミニウムフィラーの少なくとも一部を高分子材料中に配合して複合化したことを特徴とする高熱伝導性高分子部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、球状窒化アルミニウムフィラーの製造方法に関するものであり、更に詳しくは、高熱伝導性フィラーとして、樹脂やプラスチックなどの高分子材料に配合する際の流動性や充填性を高める目的で球状化すると共に、球状化処理による窒化アルミニウム粉末への不純物混入を抑制した高熱伝導性窒化アルミニウムフィラー、その製造方法及び該高熱伝導性窒化アルミニウムフィラーで複合化した封止材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体デバイス、ＩＣなどの高集積化が進むに従って、電子部品の多くは使用時の発熱量が増大しており、当該技術分野では、放熱又は熱除去をいかに効率良く行なうかが重要な技術的課題となっている。これらの半導体デバイス、ＩＣなどは、普通、樹脂やプラスチックなどの高分子材料による封止で保護されている。しかしながら、この様な高分子材料は、それ自体の熱伝導率が極めて低いため、熱伝導性を改善するには、高熱伝導性のフィラーと複合化する必要がある。
【０００３】
窒化アルミニウムは、高い熱伝導性と電気絶縁性とを備えているので、半導体の基板材料として既に実用化されており、また、放熱部品材料、放熱用フィラーなどとして利用することも期待されている。従来、封止材用窒化アルミニウムフィラーは、主に、直接窒化法により合成した窒化アルミニウムを粉砕、分級することにより作製されてきた。しかし、このような方法で作製された破砕状フィラーは、流動性に欠け、高分子材料中に高充填率で配合することができず、この様な破砕状フィラーで複合化した高分子材料では、高熱伝導性が得られなかった。
【０００４】
ところで、先行技術文献には、不定形の窒化アルミニウム粉末を球状化処理することが報告されており、例えば、不定形の窒化アルミニウム粉末を、アルカリ土類元素、希土類元素、アルミニウム、リチウムの化合物よりなるフラックス中で熟成（熱処理）することにより球状化させた後、フラックスを溶解して単離した結晶質窒化アルミニウム粉体が開示されている（特許文献１参照）。この種の方法では、高い流動性と高充填率が得られるが、良質な窒化アルミニウムフィラーを得るために、球状化処理の際に窒化アルミニウム粉末中に不純物が混入しないようにすることが必要とされる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１７９４１３号公報
【０００６】
一般に、窒化アルミニウム中に含まれる不純物が、熱伝導率を低下させることは知られているが、上述のような球状化処理により球状窒化アルミニウムを製造する方法の場合には、窒化アルミニウム粉末をフラックス中で処理する際に一般に使用されているカーボン容器は、フラックスがカーボンと反応することにより容器が破損しやすいこと、カーボン成分が不純物として球状窒化アルミニウムフィラー中に混入する恐れがあること、酸性溶液で球状窒化アルミニウムフィラーからフラックスを分離する際、一般に使用されているアルミナ質の解砕メディア（Ａｌ２  Ｏ３  含有量９９％以下）は、酸性溶液中に徐々に溶出し、球状窒化アルミニウムフィラーを汚染する恐れがあること、及びフラックス原料や炉内雰囲気に含まれるカーボン成分が、球状窒化アルミニウムフィラー中に混入する可能性があること、等の問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術における以上の諸問題を抜本的に解決すべく鋭意研究を重ねた結果、樹脂に配合する際の流動性や充填性に優れた球状窒化アルミニウムフィラーを、不純物の混入を排除して製造することを可能とする新しい球状アルミニウムフィラーの製造方法を開発することに成功し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、平滑な表面と球状の形態により高い流動性と高充填率を持ち、しかも、不純物を低減させて高熱伝導性を付与した高熱伝導性球状窒化アルミニウムフィラー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。また、本発明は、上記高熱伝導性球状窒化アルミニウムフィラーを高分子材料に配合した高熱伝導性封止材等の高熱伝導性高分子部材を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）窒化アルミニウム粉末をフラックス処理して球状窒化アルミニウムフィラーを製造する方法であって、窒化アルミニウム粉末を、フラックス中で球状化処理するにあたり、窒化ホウ素質、窒化アルミニウム質又は窒化ケイ素質の処理容器を用いて不活性ガス中１６５０〜１９００℃で処理することを特徴とする球状窒化アルミニウムフィラーの製造方法。
（２）球状窒化アルミニウムフィラーからフラックスを分離するにあたり、高純度アルミナ質（Ａｌ２  Ｏ３  含有量９９％以上）、窒化ケイ素質又は窒化アルミニウム質ボールを解砕メディアとして、酸性溶液中で撹拌しながらフラックスを溶解することを特徴とする、前記（１）記載の球状窒化アルミニウムフィラーの製造方法。
（３）フラックスと分離した球状窒化アルミニウムフィラーを、酸化性雰囲気下６００〜８００℃で加熱して脱炭処理することを特徴とする、前記（１）記載の球状窒化アルミニウムフィラーの製造方法。
（４）前記（１）から（３）いずれかに記載の方法で製造された、酸素量が１．８重量％以下、炭素量が１．０重量％以下であることを特徴とする球状窒化アルミニウムフィラー。
（５）前記（４）記載の球状窒化アルミニウムフィラーの少なくとも一部を高分子材料中に配合して複合化したことを特徴とする高熱伝導性高分子部材。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明では、窒化アルミニウム粉末をフラックス中で熱処理することにより、粒子を球状化する。処理される窒化アルミニウム粉末の製造方法は、特に限定されず、その平均粒子径は、通常、０．５〜５０μｍであれば良い。フラックス原料としては、例えば、アルカリ土類金属化合物や希土類金属化合物が好適に用いられ、具体的には、カルシウム、マグネシウム、イットリウム及びリチウムの酸化物、乃至は加熱中の分解により上記のものを生じる前駆体、例えば、それらの炭酸塩、シュウ酸塩、水酸化物、ハロゲン化物及びアルコキシド等が例示される。しかし、これらに制限されるものではなく、アルミニウムの酸化物や窒化物と反応して反応温度において溶融する複合化合物を形成するものであれば適宜のものを用いることができる。混合及び反応性を向上させるために、フラックス原料の平均粒子径は１０μｍ以下が好適である。フラックス原料の添加量は、窒化アルミニウム粉末の粒子径にもよるが、通常、窒化アルミニウム粉末が１重量部に対して、フラックス原料が金属総量換算で０．０５〜１重量部が好適である。フラックス原料の添加量が０．０５重量部より少ないと窒化アルミニウムの球状化が十分に進行しない。また、フラックス原料の添加量が１重量部を超えると、フラックスの除去に時間が掛かり、球状窒化アルミニウムフィラーの収率が落ちるので好ましくない。
【００１０】
窒化アルミニウム粉末とフラックス原料の混合は、乾式あるいは湿式のいずれでも良いが、生産性を向上するためには乾式混合が好ましい。この場合、ボールミル、振動ミル又はアトライターなどの公知の設備を使用することが可能である。混合後、グラファイト炉にて不活性ガス雰囲気下１６５０〜１９００℃の温度で３〜１０時間熱処理することにより、窒化アルミニウム粉末を球状化させる。熱処理温度が１６５０℃未満では、球状化が不充分となる。また、１９００℃を超えるとフラックス成分の蒸発が激しくなり、熱処理炉を汚染してしまうので好ましくない。
【００１１】
窒化アルミニウム粉末とフラックス原料混合物を充填する容器は、熱処理温度でフラックスと反応しない耐高温材料を用いる。また、窒化雰囲気中で徐々に窒化される金属質（例えば、Ｍｏ、Ｗなど）のものは、脆化により損傷しやすいので好ましくない。本発明では、窒化ホウ素質、窒化アルミニウム質又は窒化ケイ素質の処理容器が好適に用いられる。また、本発明においては、処理される窒化アルミニウム粉末の粒径、熱処理温度と時間、及び処理回数などを調整することにより、得られる球状窒化アルミニウムフィラーの粒径、粒度分布及び比表面積などの粉体特性を制御することができる。
【００１２】
本発明では、得られた球状窒化アルミニウムフィラーからフラックスを分離するために、フラックスの溶解分離処理を行う。まず、粒径が数ｍｍ以下なるまで処理品を予備解砕する。次に、予備解砕品を耐酸性容器に充填し、酸性溶液及び解砕メディアを入れて、撹拌又は回転しながらフラックス成分を溶かして除去する。酸の種類は特に限定されないが、窒化アルミニウムが溶解することがなくフラックス成分だけが溶解する無機酸が好適である。解砕メディアは、酸溶液に溶解しない材質のものを使用する必要があり、高純度アルミナ質（Ａｌ２  Ｏ３  含有量９９％以上）、窒化ケイ素質、又は窒化アルミニウム質のものが好ましい。酸処理時間は、球状窒化アルミニウムフィラーの粉体特性、処理量などにもよるが、普通、１〜１００時間が好適である。
【００１３】
本発明において、フラックスの溶解分離処理後は、酸性溶液から処理品を真空濾過などで分離し、有機溶媒による洗浄を行う。溶解分離処理された球状窒化アルミニウムは、通常、数重量％のカーボン不純物を含んでいるので、カーボンを除去するための脱炭処理を行う。脱炭処理は、好適には、酸化性雰囲気下６００〜８００℃で行う。脱炭処理温度が６００℃未満では、カーボン成分が完全に除去されず、不純物として残存する。また、脱炭処理温度が８００℃を超えると球状窒化アルミニウムフィラーの表面が過剰に酸化され、酸素不純物が増大してしまうので好ましくない。このようにして得られた球状窒化アルミニウムフィラーは、酸素量が１．８重量％以下、炭素量が１．０重量％以下であり、平滑な表面と球状の形態により高い流動性と高充填率を持ち、しかも、不純物を低減させて高熱伝導性を付与した高熱伝導性フィラーとして好適に樹脂やプラスチックなどの高分子材料に配合して封止材等の高熱伝導性高分子部材を作製することが可能である。
【００１４】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、以下の実施例は本発明の好適な一例を示すものであり、本発明は、当該実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
（１）物性の測定方法
以下の実施例及び比較例における各物性は、次のようにして測定した。
１）酸素量
酸素量は、不活性ガス中で溶解―赤外線吸収法により測定した。
２）窒素量
窒素量は、不活性ガス中で溶解―熱伝導法により測定した。
３）炭素量
炭素量は、酸素気流中で燃焼―赤外線吸収法により測定した。
４）熱伝導率
熱伝導率は、レーザーフラッシュ法により測定した。
【００１５】
（２）球状窒化アルミニウムフィラーの作製
直接窒化法により合成された窒化アルミニウム粉末とフラックス原料の炭酸カルシウム粉末を混合した後、窒化ホウ素質容器に充填し、窒素ガス雰囲気中１７５０℃で５時間熱処理を行い、窒化アルミニウムフィラーとフラックスの凝集体を得た。合成条件を表１に示す。後述のフラックス分離処理と脱炭処理を経た窒化アルミニウムフィラーを走査型電子顕微鏡で観察した結果、全て球状であることを確認した。尚、図１に、走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す。
【００１６】
実施例２
直接窒化法により合成された窒化アルミニウム粉末とフラックス原料の炭酸カルシウム粉末を混合した後、窒化ケイ素質容器に充填し、窒素ガス雰囲気中１７５０℃で５時間熱処理を行い、窒化アルミニウムフィラーとフラックスの凝集体を得た。合成条件を表１に示す。後述のフラックス分離処理と脱炭処理を経た窒化アルミニウムフィラーを走査型電子顕微鏡で観察した結果、全て球状であることを確認した。
【００１７】
実施例３
直接窒化法により合成された窒化アルミニウム粉末とフラックス原料の炭酸カルシウム粉末を混合した後、窒化アルミニウム質容器に充填し、窒素ガス雰囲気中１７５０℃で５時間熱処理を行い、窒化アルミニウムフィラーとフラックスの凝集体を得た。合成条件を表１に示す。後述のフラックス分離処理と脱炭処理を経た窒化アルミニウムフィラーを走査型電子顕微鏡で観察した結果、全て球状であることを確認した。
【００１８】
比較例１
直接窒化法により合成された窒化アルミニウム粉末とフラックス原料の炭酸カルシウム粉末を混合した後、カーボン質容器に充填し、窒素ガス雰囲気中１７５０℃で５時間熱処理を行ったところ、フラックスが容器と反応し、窒化アルミニウムフィラーとフラックスの良好な凝集体が得られなかった。合成条件を表１に示した。
【００１９】
比較例２
直接窒化法により合成された窒化アルミニウム粉末とフラックス原料の炭酸カルシウム粉末を混合した後、窒化ホウ素質容器に充填し、窒素ガス雰囲気中１６３０℃で５時間熱処理を行い、窒化アルミニウムフィラーとフラックスの凝集体を得た。合成条件を表１に示した。後述のフラックス分離処理と脱炭処理を経た窒化アルミニウムフィラーを走査型電子顕微鏡で観察した結果、形状は球状ではなかった。
【００２０】
【表１】
2004224618.tif 000002
【００２１】
実施例４〜９
実施例１で得たフラックス処理品２０ｇをロールクラッシャで予備解砕後、表２に示すボール８０ｇを解砕メディアとして、１８％塩酸８０ｇ  とともに２５０ｍｌのポリ容器に充填した。５時間回転させながらフラックス分離処理を行った。次に、酸溶液を濾過して除去し、イソプロピルアルコールを用いて洗浄した。洗浄した球状窒化アルミニウムフィラーを大気中で１０時間熱処理して残留カーボンを除去して球状窒化アルミニウムフィラーを得た。処理条件及び得られた球状窒化アルミニウムフィラーの粉体特性を表２に示す。
【００２２】
次に、上記球状窒化アルミニウムフィラーを用いて樹脂成形体を作製した。ノボラック型エポキシ樹脂１６５重量部、フェノールノボラック樹脂８５重量部及び２エチル−４メチルイミダゾール５重量部を混合した混合樹脂２５重量部に、上記球状窒化アルミニウムフィラーを７５重量部、又は混合樹脂１５重量部に上記球状窒化アルミニウムフィラーを８５重量部配合し、８０℃で１０分間混練して樹脂組成物を調製した。得られた樹脂組成物を、成形温度１７０℃で１０分間トランスファー成形し、表２に示す成形体の熱伝導率を得た。
【００２３】
比較例３
比較例２で得たフラックス処理品２０ｇをロールクラッシャで予備解砕後、表２に示すボール８０ｇを解砕メディアとして、１８％塩酸８０ｇ  とともに２５０ｍｌのポリ容器に充填した。５時間回転させながらフラックス分離処理を行った。次に、酸溶液を濾過して除去し、イソプロピルアルコールを用いて洗浄した。洗浄した窒化アルミニウムフィラーを大気中で１０時間熱処理して残留カーボンを除去して窒化アルミニウムフィラーを得た。処理条件及び得られた窒化アルミニウムフィラーの粉体特性を表２に示した。
【００２４】
次に、得られた窒化アルミニウムフィラーを用いて樹脂成形体を作製した。ノボラック型エポキシ樹脂１６５重量部、フェノールノボラック樹脂８５重量部及び２エチル−４メチルイミダゾール５重量部を混合した混合樹脂２５重量部に、上記窒化アルミニウムフィラーを７５重量部、又は混合樹脂１５重量部に上記窒化アルミニウムフィラーを８５重量部配合し、８０℃で１０分間混練して樹脂組成物を調製した。得られた樹脂組成物を、成形温度１７０℃で１０分間トランスファー成形し、表２に示す成形体の熱伝導率を得た。
【００２５】
比較例４
球状化処理をしていない窒化アルミニウムフィラーを用いて、実施例４と同じ方法で樹脂成形体を作製した。窒化アルミニウムフィラーの粉体特性及び得られた成形体の熱伝導率を表２に示した。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は、球状窒化アルミニウム及びその製造方法に係るものであり、本発明により、１）高純度の球状窒化アルミニウムフィラーを製造することができる、２）本発明の球状窒化アルミニウムフィラーは、高い流動性と高充填性を持ち、更に、高熱伝導性を有することから、充填材料として好適である、３）酸素量１．８重量％以下、炭素量１．０重量％以下の球状窒化アルミニウムフィラーを作製することができる、４）上記球状窒化アルミニウムフィラーを用いることにより高熱伝導性封止材等の高熱伝導性高分子部材を作製し、提供することができる、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の球状窒化アルミニウムフィラーを走査型電子顕微鏡で観察した結果を示す。
【図１】
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