(57)【要約】【課題】高熱伝導ＡｌＮ焼結体を得ることのできる、リートベルト法による不均一歪みが０．０５以下のＡｌＮ粉末を、金属アルミニウム粉末を用いた直接窒化法によって、安価かつ工業的規模で製造する。【解決手段】平均粒子径が１０〜４０μｍの金属アルミニウム粉末を、窒素性ガス１Ｎｍ３あたり１〜３ｋｇの割合で同伴させ、それをノズルよりガス圧０．２〜０．６ＭＰａの条件で１９００〜２２００℃に保たれた窒化反応炉内に噴射させ、窒化させることを特徴とする、リートベルト法により測定された不均一歪みが０．０５％以下である窒化アルミニウム粉末の製造方法である。この場合において、ガス流速が５０〜１００ｍ／ｓであり、また金属アルミニウム粉末を４００〜６００℃のゾーンを通過させてから噴射することが好ましい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒子径が１０〜４０μｍの金属アルミニウム粉末を、窒素ガス又は窒素を含むガス１Ｎｍ３あたり１〜３ｋｇの割合で同伴させ、それをノズルよりガス圧０．２〜０．６ＭＰａの条件で１９００〜２２００℃に保たれた窒化反応炉内に噴射させ、窒化させることを特徴とする、リートベルト法により測定された不均一歪みが０．０５％以下である窒化アルミニウム粉末の製造方法。
【請求項２】
ガス流速が５０〜１００ｍ／ｓであることを特徴とする請求項１記載の窒化アルミニウム粉末の製造方法。
【請求項３】
金属アルミニウム粉末を４００〜６００℃のゾーンを通過させてから噴射することを特徴とする請求項１又は２記載の窒化アルミニウム粉末の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素ガス又は窒素を含むガス（以下、「窒素性ガス」という。）の気流中にて金属アルミニウム粉末を窒化させる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末の製造方法に関する。詳しくは、高熱伝導セラミック基板等に用いられる窒化アルミニウム焼結体の製造に好適なリートベルト法により測定された不均一歪みが０．０５％以下であるＡｌＮ粉末の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【０００３】
近年、半導体搭載用ＡｌＮ基板では、回路基板の小型化、パワーモジュールの高出力化が進む中、１８０Ｗ／ｍ・Ｋ超の熱伝導率が必要となってきている。このようなＡｌＮ基板を得るためのＡｌＮ粉末の製造方法としては、金属アルミニウムと窒素とを反応させてＡｌＮインゴットを製造し、それを粉砕する直接窒化法があり、反応が発熱反応であるため安価に合成できるという長所を持っている。しかし、粉砕を伴うために粒度分布が広く、粒子に歪みを多く含んでおり、これらの粉末を用いて焼結体を製造しても所要強度を維持したまま、１８０Ｗ／ｍ・Ｋ超の高熱伝導率を得ることは困難であった。
【０００４】
本発明者らの検討によれば、直接窒化法による生産性向上の利点を保持したまま、１８０Ｗ／ｍ・Ｋ超のＡｌＮ基板を製造するには、それに用いるＡｌＮ粉末のリートベルト法による不均一歪みが０．０５％以下であればよく、その実現の一手段は、ＡｌＮインゴットの製造を経由させないで、すなわち多大な粉砕を伴わせないで、直接窒化法によってＡｌＮ粉末を製造すればよいことを見いだした。
【０００５】
多大な粉砕を伴わせないＡｌＮ粉末の製造法として、１８５０℃に保たれた反応管に、平均粒子径１０〜５０μｍの金属アルミニウム粉末を窒素ガス等のキャリアによって１００〜１０００ｇ／ｍ３供給してアルミニウム蒸気にすると共に、反応管内壁にそって供給された窒素ガスと窒化反応させる方法が提案されている（特許文献１）。この方法によれば、粉砕を伴わずに微細なＡｌＮ粉末を製造でき、そのリートベルト法による不均一歪みはＡｌＮインゴットの製造を経由させて得られた粉よりも小さくなったが、製造法上、アルミニウム液滴の蒸発促進の点が配慮されていなかったので、それでも０．０８％程度であり、本発明が目的とする０．０５％以下にはできていなかった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−３４５１１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、窒素性ガス気流中にて金属アルミニウム粉末を窒化させるＡｌＮ粉末の製造方法において、そのリートベルト法による不均一歪みが０．０５％以下であるものを製造することである。本発明の目的は、高粉塵濃度で凝集させることなく金属アルミニウム粉末を高温に保たれた窒化反応炉に噴射し、高濃度のアルミニウム蒸気と窒素性ガスとを反応させることによって達成することができる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、平均粒子径が１０〜４０μｍの金属アルミニウム粉末を、窒素性ガス１Ｎｍ３あたり１〜３ｋｇの割合で同伴させ、それをノズルよりガス圧０．２〜０．６ＭＰａの条件でノズルより１９００〜２２００℃に保たれた窒化反応炉内に噴射させ、窒化させることを特徴とする、リートベルト法により測定された不均一歪みが０．０５％以下である窒化アルミニウム粉末の製造方法である。この場合において、ガス流速が５０〜１００ｍ／ｓであり、また金属アルミニウム粉末を４００〜６００℃のゾーンを通過させてから噴射することが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明について説明する。
【００１０】
本発明者らの検討によれば、特許文献１の発明においては、金属アルミニウム蒸気濃度が高くなるほど不均一歪みが小さくなるが、アルミニウム蒸気濃度を高くするために、金属アルミニウム粉末の供給量を単に高めると金属アルミニウムが残存してしまうことを見いだした。この原因は、金属アルミニウムの融点が低いために、細分散化されずに凝集したまま液滴化し、全てが窒化反応にあずからないことによる。これを解決するには、金属アルミニウム粉末をできるだけ微粉とし、しかも窒化反応炉内では可及的に高加熱速度で加熱することである。
【００１１】
本発明に用いられる金属アルミニウム粉末は平均粒子径が１０〜４０μｍであること以外は特に制約はないが、爆発の危険性が小さいアトマイズ粉がより好ましい。平均粒子径が４０μｍ超であると、表面積が小さいためにアルミニウムの蒸発が抑えられ、高濃度のアルミニウム蒸気が得られず、不均一歪みの大きなＡｌＮ粉末が合成されるばかりでなく、金属アルミニウムが残存するおそれがある。平均粒子径が１０μｍ未満の金属アルミニウム粉末では、凝集が著しく分散されずに粗大液滴となり、同様に高濃度のアルミニウム蒸気を得ることができなくなる。
【００１２】
金属アルミニウムは低融点材料であるため、高温場に供給されるとすぐに溶融し液滴となる。粉体は微粉であるほど凝集しやすいために、金属アルミニウム粉末を気流中で高温場に導入すると、凝集粒子サイズがそのまま液滴サイズとなってしまうので、粗大粉末を供給しているのとあまり変わらず、粒子の蒸発が遅れ、高濃度のアルミニウム蒸気を得ることができなくなる。また、粉塵濃度が高濃度であるほど、粉体の凝集、溶融・粗大粒子化は顕著となる。
【００１３】
そこで、本発明においては、金属アルミニウム粉末は、ガス圧０．２〜０．６ＭＰａの条件にして窒化反応炉内に噴射される。ガス圧が０．２ＭＰａ未満であると、分散不良により液滴が粗大粒子化してしまい、高濃度のアルミニウム蒸気は得られず、歪みを多く含んだＡｌＮ粉末となる。また、ガス圧が０．６ＭＰａを超えると、アルミニウム蒸気と窒素が反応する際に高流速の窒素性ガスによって均一な核生成が阻害され歪みが生じてしまう。
【００１４】
金属アルミニウム粉末を窒化反応炉内に噴射するには、テーブルフィーダー、スクリューフィーダー等の供給機によって金属アルミニウム粉末を定量的に混合器に供給する一方、そこで窒素ガス等のキャリアガスと混合しながらノズルに搬送し、ノズルの出口付近で酸素が混入しないようにして窒素性ガスと合流させ噴射する。ガス圧の０．２〜０．６ＭＰａは、窒素性ガスのガス圧によって調整される。
【００１５】
本発明で用いられるノズルとしては、オリフィス、二流体ノズル、リングノズル等があるが、リングノズルが好適である。リングノズルの一例を図１に示した。図１に示されるものは、テーパー連接構造の供給管１４と排出管１５とからなり、お互いのテーパー面同士の距離（間隔）によってスリット１８の幅が調節できるようになっており、通常、排出管１５は固定されており、供給管１４の移動距離によってスリット幅が調整される。窒素性ガス室１６には所定圧の窒素性ガスが充填されており、スリット幅によって流量が調整される。金属アルミニウム紛末は、キャリアガスによって供給管１４に導入し、スリットから噴出した窒素性ガスと合流して更に分散され、排出管１５から噴射する。１７は圧力計である。
【００１６】
本発明における窒素性ガスとは、金属アルミニウム蒸気がＡｌＮになるための窒素を含んだガスであり、窒素ガス単独、窒素ガスと水素、ＣＯ、アンモニア等のガスとの混合ガスが例示される。また、キャリアガスとしては、窒素性ガス、水素、ＣＯ、アンモニア等の非酸化性ガスが例示される。
【００１７】
金属アルミニウム粉末は、流速５０〜１００ｍ／ｓのガスで噴射されることが好ましい。これによって、アルミニウム粉末表面の蒸発がより促進され、均一な核生成が起こり不均一歪みをより小さく抑えることができる。ここで、流速は、単位時間あたりのガス量（Ｎｍ３／ｈ）をフィード管断面積（ｍ２）で除することによって算出され、ガス量は、窒素性ガスとキャリアガスの合計量である。
【００１８】
金属アルミニウム粉末は、４００〜６００℃のゾーンを通過させて噴射されることが好ましい。これによって、金属アルミニウムの溶融を抑え、速やかに加熱・蒸発をさせることができる。
【００１９】
金属アルミニウム粉末の供給量が窒素性ガス１Ｎｍ３あたり１ｋｇ未満であると、リートベルト法により測定された不均一歪みを０．０５％以下にすることができなくなる。この原因としては、粉塵濃度が低いとアルミニウム蒸気圧が小さくなり、気−気反応による窒化アルミの核生成時に迅速な核生成が起こらず、歪みが形成されるためと考えられる。一方、金属アルミニウム粉末の供給量が３ｋｇよりも大きくなると、上記のガス圧による噴射においても分散させることが難しくなり、蒸気化できない金属アルミニウムが残存し不均一歪みも大きくなる。なお、金属アルミニウム粉末の供給量を算出する際の窒素性ガスの基準量は、キャリアガスとして窒素を含むガスを用いたときには、その窒素ガス量と窒素性ガス量との合計量となる。
【００２０】
本発明において、窒化反応炉は１９００℃〜２２００℃に保持される。１９００℃よりも低温であると、金属アルミニウム粉末を蒸発させることが難しく、２２００℃よりも高温では合成した窒化アルミ蒸気圧が高くなり、ファイバーの形成、比表面積の増加、酸素量の増加等が起こり、不均一歪みが０．０５以下のＡｌＮ粉末を得ることができなくなる。
【００２１】
本発明で用いられるＡｌＮ粉末の製造装置の一例を図２に示す。窒化反応炉は、高周波誘導加熱方式であり、反応管６とその周囲に配設された発熱体８を有し、それを断熱体９で覆った石英外壁１０から構成されている。反応管６の材質は、１９００℃以上の窒素性ガス中で安定な等方性黒鉛、窒化ホウ素等が好ましい。４は金属アルミニウムの供給温度を調節するための抵抗加熱源、５はフィード管、７は高周波誘導加熱源、１３は測温体である。窒化反応炉の炉頂部には、金属アルミニウム粉末の供給機１、混合器２、ノズル３からなる金属アルミニウム粉末の噴射手段が設置されており、また炉底部は捕集系に接続されている。生成したＡｌＮ粉末は、炉底部からブロワー１２によって吸引されて捕集系に導かれ、バッグフィルター、電気集塵機等の捕集装置１１で捕集される。
【００２２】
本発明における不均一歪みは、リートベルト法により測定される。これは、Ｘ線回折装置、例えば、日本電子社製商品名「ＪＤＸ３５００」を用いて回折パターン測定し、精密化することによって行うことができる（「粉末Ｘ線解析の実際」第１６４〜１６７ページ、２００２年２月朝倉書店発行参照）。また、平均粒子径は、マイクロトラック社製レーザー回折散乱法粒度分布測定装置により測定し、ＡｌＮ焼結体の熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例、比較例をあげて更に本発明を説明する。
【００２４】
図２に示される装置を用いてＡｌＮ粉末を製造した。窒化反応炉の容量は１７０ｋＶＡ、出力は１００ｋＷである。炉の中央内部には反応管６（窒化ホウ素製：内径２００ｍｍ、全長３０００ｍｍ）が設置され、その周囲に発熱体８（黒鉛製）が配置され、高周波誘導加熱源７により加熱されて反応官が所定温度に保たれている。反応温度は、発熱体中央部に設置した測温体１３（グラッシーカーボン管）を光温度計により測温して行われる。発熱体８は、断熱材９（多孔質カーボンビーズ）により保温され、石英外壁１０（内径４５０ｍｍ、全長３０００ｍｍ）で保持されている。炉底部から、生成したＡｌＮ粉末をブロワー１２により吸引され、捕集装置１１（バッグフィルター）で捕集される。
【００２５】
金属アルミニウムの供給機（スクリューフィーダー）１より所定量の金属アルミニウム粉末を混合器２に搬送し、そこでキャリアガス（窒素ガス）と混合しながらノズル３（図１に示されるリングノズル）に導入し、スリット１８から噴出した窒素性ガス（窒素ガス）と合流させ、窒化反応炉内に噴射した。その際、スリット１８の幅を調節してガス量とガス圧を調節し、ノズル下部に設置された抵抗加熱源４の出力を調整して金属アルミニウム粉末の通過ゾーンの温度を調節した。抵抗加熱源４の中央部には種々の直径を有するフィード管５が設けられており、リングノズルで分散された金属アルミニウム粉末が所定の温度、所定の流速でフィード管を通過し、反応管６内に噴射される。
【００２６】
実施例１〜１１、比較例１〜８
純度９９．９７質量％の金属アルミニウム粉末を用い、表１、２に示す条件でＡｌＮ粉末を製造し、リートベルト法による不均一歪みと、それを用いて製造したＡｌＮ焼結体の熱伝導率を測定した。実施例１〜６、１０、１１、比較例１〜８で用いたフィード管の直径は８ｍｍ、実施例７は５ｍｍ、実施例８は４．３ｍｍ、実施例９は４ｍｍとした。また、金属アルミニウム粉末の通過ゾーンの温度を実施例１０では４００℃、実施例１１では６００℃とし、それ以外は２５℃とした。
【００２７】
ＡｌＮ焼結体は、ＡｌＮ粉末９５質量部と酸化イットリウム粉末５質量部をボールミルにて６時間混合し、それを２０ＭＰａの圧力で金型成形後、２００ＭＰａの圧力でＣＩＰ成形し、１気圧の窒素ガス雰囲気中にて１８１０℃で２時間焼成して製造した。
【００２８】
【表１】
2004331466.tif 000002
【００２９】
【表２】
2004331466.tif 000003
【００３０】
表１、２から、本発明の実施例によれば、リートベルト法により測定された不均一歪み０．０５％以下のＡｌＮ粉末が得られ、熱伝導率１８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＡｌＮ焼結体が得られたことがわかる。とくに、ガス流速を５０〜１００ｍ／ｓの範囲内にした実施例７、８、金属アルミニウム粉末の通過ゾーンの温度を４００〜６００℃の範囲内にした実施例１０、１１では不均一歪みが一段と小さくなり、熱伝導率が増大した。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、高熱伝導ＡｌＮ焼結体を得ることのできる、リートベルト法による不均一歪みが０．０５以下のＡｌＮ粉末を、金属アルミニウム粉末を用いた直接窒化法によって、安価かつ工業的規模で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リングノズルの一例を示す説明図
【図２】ＡｌＮ粉末の製造装置の一例を示す説明図
【符号の説明】
１  金属アルミニウム粉末の供給機
２  混合器
３  ノズル
４  抵抗加熱源
５  フィード管
６  反応管
７  高周波誘導加熱源
８  発熱体
９  断熱体
１０  石英外壁
１１  捕集装置
１２  ブロワー
１３  測温体
１４  ノズルの供給管
１５  ノズルの排出管
１６  窒素性ガス室
１７  圧力計
１８  スリット
【図１】
2004331466.tif 000004
【図２】
2004331466.tif 000005