(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム原料粉末１００重量部に対して、炭素質物質１〜１５重量部含む混合粉末を、非酸化性雰囲気中１６００〜１８５０℃で熱処理した後、酸化性雰囲気中６００〜８００℃で熱処理する窒化アルミニウム粉末の製造方法であって、
前記窒化アルミニウム原料粉末が直接窒化法で得られた粉末であり、当該窒化アルミニウム原料粉末の酸素含有量が１．２質量％以上である、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２】
前記窒化アルミニウム原料粉末の平均粒子径が０．７〜２μｍである、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記直接窒化法の加熱温度が６５０〜１２００℃のであり、加熱保持時間が１０〜１２０分である、請求項１又は２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記窒化アルミニウム粉末の酸素含有量が０．９質量％以下であり、炭素含有量が０．２重量％以下であり、平均粒子径が３μｍ以下であり、及び比表面積が４．０ｍ２／ｇ以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項５】
前記窒化アルミニウム粉末の酸素含有量が０．９質量％以下であり、炭素含有量が０．２重量％以下であり、平均粒子径が３μｍ以下であり、及び比表面積が４．０ｍ２／ｇ以下であり、前記窒化アルミニウム粉末が焼結用窒化アルミニウム粉末である、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法により得られる窒化アルミニウム粉末を成形し、焼結することにより、熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上である窒化アルミニウム焼結体を製造する方法。
【請求項７】
前記窒化アルミニウム焼結体を製造する方法が、前記窒化アルミニウム粉末に焼結助材及びバインダーを配合し、プレス成形にて成形体を作成し、次いで窒素雰囲気中１６００〜２０００℃で焼結するものである、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化アルミニウム粉末及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
窒化アルミニウム粉末（ＡｌＮ粉末）は、主にＡｌＮ焼結体を製造するための焼結用粉末として用いられている。ＡｌＮ焼結体は、ＡｌＮ粉末を焼結助材とともに成形し、焼結することにより製造される。このＡｌＮ焼結体は、半導体基板、半導体パッケージ基材等をはじめ、各種の用途に使用されている。特に、ＡｌＮ焼結体は、一般のアルミナセラミックス等に比べて高い熱伝導率を有するとともに、その熱膨張係数がシリコンとほぼ同じであることから、ＩＣの放熱基板用の材料として脚光を浴びている。
【０００３】
ところが、ＡｌＮ焼結体は、焼結温度が１８００℃前後と高温であるため、アルミナセラミックス等に比してコスト高となる。従って、焼結温度を下げることができれば、ＡｌＮ焼結体の製造コストの削減につながる。
【０００４】
ここで焼結温度を下げる方法としては、一般的にはＡｌＮ粉末の平均粒子径を小さくすることが考えられる。ところが、平均粒子径を小さくすると、比表面積の増加に伴い、ＡｌＮ粉末の酸素含有量が増加し、ＡｌＮ焼結体の特徴である高熱伝導性が損なわれるという問題が起こる。しかも、比表面積の増加により、焼結時に多量のバインダーが必要となるため、コスト高となるばかりでなく、焼結体の寸法精度の低下も引き起こされる。
【０００５】
ところで、ＡｌＮ粉末の工業的な製造方法としては、直接窒化法（以下「直接法」といい、これにより得られる粉末を「直接法粉末」という。）と還元窒化法（以下「還元法」といい、これにより得られる粉末を「還元法粉末」という。）に大別できる。特に、両者は、製造コストという点で大きく異なる。
【０００６】
還元法は、アルミナ粉末とカーボン粉末との混合物を窒素又はアンモニア雰囲気中で加熱し、アルミナを還元して窒化する方法である。しかし、還元法では、アルミナの中でも高価な粉末を原料とする上、還元が吸熱反応で進行することから、１５００℃以上の高温で１２時間以上処理する必要がある。加えて、還元法では、各粉末粒子が雰囲気中の窒素と均等に反応させるため、還元処理に際してアルミナ粉末を層状に薄く充填する必要があり、一回で還元処理できる量が制約される。これらの点から、還元法では低コスト化に限界がある。
【０００７】
これに対し、直接法は、金属アルミニウム粉末を窒素雰囲気下で加熱して窒化合成させる方法である。直接法粉末は、直接法で得られた塊状ＡｌＮを粉砕することにより得られる。直接法は発熱反応であり、還元法に比べてはるかに低温でかつ短時間で製造することができるため、安価でＡｌＮ粉末を供給することができる。しかし、直接法粉末は、一般的に還元法粉末に比べて酸素含有量が多く、高い熱伝導率を有する焼結体を得ることが困難とされている。その理由は、直接法では、合成時の反応熱により粒成長又は合体が進行するので、平均粒子径を細かくするために窒化工程後に生成窒化物の粉砕工程が必要となるからである。すなわち、この粉砕工程では、生成される新しい面はきわめて反応性が高く、雰囲気中のごく微量の酸素又は水分と反応し、粉砕された粒子表層では水和物又は酸化物を形成しやすく、その結果として酸素含有量を増加させることとなる。また、粉砕された粉末には多数の凹凸又は亀裂が導入されており、その形状も角張ったものであり、粉砕によって生じる微細粉の発生も相俟って比表面積がことさら大きくなり、これらも酸素含有量を増加させる要因となっている。
【０００８】
これらのことから、直接法は安価な粉末製造法であるものの、それにより得られる粉末からは十分な熱伝導率を有する焼結体を得ることが困難である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これに対し、粗製窒化アルミニウム粉末にカーボンブラック粉末を混合した後、ＮＨ3を含む非酸化性雰囲気中において１２００〜１７００℃で加熱することにより酸素含有量及び炭素含有量を低減させる方法（特開平５−３１０４０６号）が知られている。
【００１０】
しかしながら、この方法では、ＮＨ3を使用するため、コスト面と作業性において問題がある。また、上記技術では、高い熱伝導性を有する焼結体基板が得られるとされているが、十分なものとは言えない。
【００１１】
また、窒化アルミニウムと遊離炭素、炭素含有有機物質及びこれらの混合物からなる群より選ばれた炭素質添加剤とからなる粒状混合物をアルゴン、窒素及びこれらの混合物からなる群より選ばれた非酸化性雰囲気中において１３５０〜１７５０℃で加熱することにより、酸素量を低減する方法（特開昭６０−７１５７６号）が記載されている。
【００１２】
しかしながら、この方法では、炭素量の正確な添加が必要であり、その制御が難しい。
【００１３】
このように、いずれの方法においても、低コストで高い熱伝導率をもつＡｌＮ焼結体を得ることは困難である。
【００１４】
従って、本発明の主な目的は、高い熱伝導率をもつＡｌＮ焼結体を与えるＡｌＮ粉末を低コストで提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、かかる問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、特定の方法により得られるＡｌＮ粉末が上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１６】
すなわち、本発明は、下記の窒化アルミニウム粉末及びその製造方法に係るものである。
【００１７】
１．窒化アルミニウム原料粉末１００重量部に対して炭素質物質１〜１５重量部含む混合粉末を非酸化性雰囲気中１６００〜１８５０℃で熱処理した後、酸化性雰囲気中６００〜８００℃で熱処理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。
【００１８】
２．窒化アルミニウム原料粉末の酸素含有量が１．２質量％以上である前記項１記載の製造方法。
【００１９】
３．窒化アルミニウム原料粉末が直接窒化法で得られた粉末である前記項１又は２に記載の製造方法。
【００２０】
４．前記項１〜３のいずれかに記載の製造方法により得られる窒化アルミニウム粉末。
【００２１】
５．酸素含有量０．９質量％以下、炭素含有量０．２重量％以下、平均粒子径３μｍ以下及び比表面積が４．０ｍ2／ｇ以下である前記項４記載の窒化アルミニウム粉末。
【００２２】
６．酸素含有量０．９質量％以下、炭素含有量０．２重量％以下、平均粒子径３μｍ以下及び比表面積４．０ｍ2／ｇ以下であることを特徴とする前記項４記載の焼結用窒化アルミニウム粉末。
【００２３】
７．前記項６の窒化アルミニウム粉末を焼結して得られる窒化アルミニウム焼結体。
【００２４】
８．熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上である前記項７記載の窒化アルミニウム焼結体。
【００２５】
【発明の実施の形態】
１．窒化アルミニウム粉末の製造方法
本発明の窒化アルミニウム粉末の製造方法は、窒化アルミニウム原料粉末１００重量部に対して炭素質物質１〜１５重量部含む混合粉末を非酸化性雰囲気中１６００〜１８５０℃で熱処理した後、酸化性雰囲気中６００〜８００℃で熱処理することを特徴とする。
（１）窒化アルミニウム原料粉末
窒化アルミニウム原料粉末は、その組成（酸素含有量等）、平均粒子径等の制限はなく、どのようなＡｌＮ粉末も使用することができる。また、その製造法も限定されず、直接法、還元法等のいずれであっても良い。
【００２６】
特に、窒化アルミニウム原料粉末の平均粒子径は、０．７〜２μｍ程度のものが望ましい。粒度の調整は、公知の粉砕法、分級法等を用いて適宜実施することができる。
【００２７】
また、本発明では、特に、酸素含有量が１．２質量％以上の窒化アルミニウム原料粉末を好適に用いることができる。このようなＡｌＮ粉末は、一般的には直接法により製造することができる。すなわち、本発明方法は、直接法により得られるＡｌＮ粉末を窒化アルミニウム原料粉末として好適に用いることができる。
【００２８】
直接法は、公知の直接窒化法に従って実施することができる。例えば、純度９９．９質量％以上のアルミニウム粉を窒素雰囲気中で加熱することよって得られた塊状物を粉砕することによってＡｌＮ粉末を得ることができる。加熱温度は限定的でないが、通常６５０〜１２００℃程度、特に７００〜１１００℃とすることが望ましい。また、保持時間は加熱温度等に応じて適宜設定できるが、通常は１０〜１２０分程度とすれば良い。また、粉砕方法は公知の方法に従えば良く、例えばボールミル、ロッドミル、振動ミル、ジョークラッシャー、ロールクラッシャー等による粉砕が挙げられる。
（２）混合粉末の調製
上記窒化アルミニウム原料粉末に炭素質物質を添加・混合する。炭素質物質としては炭素を主成分とするものてあれば限定されず、例えばカーボンブラック、カーボンフレーク等の炭素単体、有機樹脂等を含む有機物等が使用できる。炭素質物質は、粉末状であることが好ましく、特に平均粒子径０．１〜１００μｍ程度の炭素質物質粉末を好適に用いることができる。
【００２９】
炭素質物質の添加量は、用いる炭素質物質の種類、ＡｌＮ原料粉末の酸素含有量等に応じて適宜設定できるが、通常は窒化アルミニウム原料粉末１００重量部に対して炭素質物質１〜１５重量部程度（特に３〜７重量部）とすることが望ましい。炭素質物質が１重量部未満の場合は、酸素除去効果が不十分となるおそれがある。また、炭素質物質が１５重量部を超える場合は、粉末の嵩密度が低くなり、生産性が低下するおそれがある。ただし、生産性に大きな支障を来さない場合は、１５重量部を超えても良い。
【００３０】
窒化アルミニウム原料粉末と炭素質物質とは、ブレンダー、ミキサー等の公知の装置を用いて均一に混合すれば良い。
（３）混合粉末の熱処理
窒化アルミニウム原料粉末と炭素質物質とを混合して得られた混合粉末を非酸化性雰囲気中１６００〜１８５０℃で熱処理（第一熱処理）した後、酸化性雰囲気中６００〜８００℃で熱処理（第二熱処理）する。
【００３１】
第一熱処理では、主として酸素含有量及び比表面積の低減を図ることができる。その雰囲気は非酸化性雰囲気とすることが望ましい。具体的には、アルゴン、窒素、ヘリウム等の不活性ガス雰囲気のほか、還元性雰囲気、真空中等のいずれであっても良い。本発明では、特に不活性ガス雰囲気であることが望ましい。このときの被反応物の充填率に特に配慮する必要はない。また、熱処理温度は、通常１６００〜１８５０℃程度、好ましくは１６５０〜１８００℃とする。熱処理温度が１６００℃未満では、炭素による酸素除去効果を得るのに時間がかかりすぎる。また、１８５０℃を超える場合には、粒成長が著しくなり、焼結温度の上昇が避けられない。熱処理時間は、熱処理温度等によって適宜変更できるが、通常は１〜５時間程度とすれば良い。
【００３２】
第一熱処理前の直接法粉末表面には、粉砕工程に起因する多数の凹凸があり、皺や亀裂が入った状態である。第一熱処理を施すことにより、ＡｌＮ粉末は表面エネルギーを小さくするべく表面の皺や亀裂を解消していくため、表面積が減少する。ＡｌＮ粉末の表面では、炭素との還元反応により粒成長のエネルギーが奪われ、粒子径の増加が遅々として進まない一方で、先行して表面積の減少が進む結果、単位重量当たりの表面積である比表面積を所定値まで低下させることができる。
【００３３】
第二熱処理では、主として第一熱処理後にＡｌＮ粉末に残存する炭素を除去することができる。その雰囲気は酸化性雰囲気とすることが望ましい。具体的には、酸素雰囲気、大気中（空気中）等のいずれであっても良い。本発明では、特に大気中であることが望ましい。また、熱処理温度は、通常６００〜８００℃程度、好ましくは６３０〜７３０℃とする。熱処理温度が６００℃未満では、炭素質物質の燃焼反応が進行せず、炭素除去が困難となる。また、８００℃を超える場合には、かえって酸素含有量を増加させることになる。熱処理時間は、熱処理温度等によって適宜変更できるが、通常は３〜１０時間程度とすれば良い。
【００３４】
なお、第一熱処理後の粉末が凝集している場合、第二熱処理に先立って上記粉末を振動ミル等により凝集を解してから第二熱処理を実施することもできる。
【００３５】
本発明の製造方法は、本発明の窒化アルミニウム粉末の製造に適しており、特に焼結用窒化アルミニウム粉末の製造方法として有効である。
２．窒化アルミニウム粉末
本発明の窒化アルミニウム粉末は、酸素含有量０．９質量％以下、炭素含有量０．２重量％以下、平均粒子径３μｍ以下及び比表面積が４．０ｍ2／ｇ以下である。
（１）酸素含有量
酸素含有量は、通常０．９質量％以下、好ましくは０．７質量％以下である。酸素含有量が０．９質量％を超えると、本発明粉末より得られる焼結体の熱伝導率が低くなり、例えば放熱基板等の用途に適さなくなる。なお、酸素含有量の下限値は限定されないが、一般的には０．５質量％程度である。
【００３６】
本発明における酸素含有量は、不活性ガス中溶解赤外線吸収法（測定装置「ＥＭＧＡ−５５０」堀場製作所製）により測定した値を示す。
（２）炭素含有量
炭素含有量は、通常０．２質量％以下、好ましくは０．１質量％以下である。炭素含有量が０．２質量％を超えると、焼結時に焼結助材の働きを妨げ、焼結性に悪影響を与えるおそれがある。なお、炭素含有量の下限値は特に限定されないが、一般的には０．０１質量％程度である。
【００３７】
本発明における炭素含有量は、酸素気流中燃焼赤外線吸収法（測定装置「ＥＭＩＡ−５１０」堀場製作所製）により測定した値を示す。
（３）平均粒子径
平均粒子径は、通常３μｍ以下、好ましくは２μｍ以下である。平均粒子径が３μｍを超えると、焼結温度が高くなる。なお、平均粒子径の下限値は特に限定されないが、一般的には０．５μｍ程度である。
【００３８】
本発明における平均粒子径は、走査型電子顕微鏡の観察により任意に選び出した１００個の粒子の平均値を示す。
（４）比表面積
比表面積は、通常４．０ｍ2／ｇ以下、好ましくは３．５ｍ2／ｇ以下である。比表面積が４．０ｍ2／ｇを超えると、比較的多量のバインダーが必要となり、コスト高となるばかりでなく、焼結体の寸法精度も低下する。なお、比表面積の下限値は特に限定されないが、一般的には１ｍ2／ｇ程度である。
【００３９】
本発明における比表面積は、測定装置「ＮＯＶＡ２０００」ユアサアイオニクス製を用い、ＢＥＴ法により測定した値を示す。
（５）ＡｌＮ粉末の製造方法
本発明ＡｌＮ粉末は、例えば前記１の製造方法により好適に製造することができる。すなわち、本発明の製造方法により得られるＡｌＮ粉末も本発明粉末に包含される。
【００４０】
本発明ＡｌＮ粉末は、特に焼結用粉末として有効である。例えば、焼結放熱基板を製造するための原料粉末として本発明ＡｌＮ粉末は最適である。
３．本発明ＡｌＮ粉末から得られるＡｌＮ焼結体
本発明ＡｌＮ粉末を公知の方法に従って成形し、焼結することによってＡｌＮ焼結体を得ることができる。例えば、本発明ＡｌＮ粉末、必要に応じて焼結助材（Ｙ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、ＣａＯ等）、バインダー等を含む原料をプレス成形して得られた成形体を窒素雰囲気中１６００〜２０００℃程度で焼結することによってＡｌＮ焼結体を製造できる。
【００４１】
ＡｌＮ焼結体は、特に熱伝導率が高く（通常は１５０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは１７０Ｗ／ｍＫ以上）、高熱伝導性を利用する用途に好適に用いることができる。例えば、放熱基板、各種の構造部材等として有用である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の窒化アルミニウム粉末の製造方法によれば、酸素含有量、炭素含有量等の特定範囲内に制御された窒化アルミニウム粉末を得ることができる。
【００４３】
本発明の窒化アルミニウム粉末は、上記のように酸素含有量、炭素含有量等が特定範囲内に制御されていることから、特に焼結用粉末として好適に用いることができる。
【００４４】
特に、本発明粉末は、焼結性に優れており、比較的低い温度でも十分な焼結性を得ることができる。また、バインダーの使用量も比較的少なくて済む結果、高い寸法精度の実現に寄与することができる。
【００４５】
そして、本発明粉末から得られるＡｌＮ焼結体は、高い熱伝導率を発揮することができる。従って、本発明に係るＡｌＮ焼結体は、例えばＩＣ等の電子機器等に使用される放熱板、その他の構造部材等として有効である。
【００４６】
【実施例】
以下、実施例及び比較例により本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００４７】
なお、焼結体の熱伝導率は、熱定数測定装置「ＬＦ／ＴＣＭ−ＦＡ８５１０Ｂ」（リガク製）を用い、レーザーフラッシュ法により測定した。
【００４８】
比較例１
直接法で得られた塊状ＡｌＮを粉砕することにより、直接法粉末を得た。この粉末は、平均粒子径１．６μｍ、比表面積５．１ｍ2／ｇ、酸素含有量１．７０質量％、炭素含有量０．０４質量％であった。この粉末を窒化アルミニウム原料粉末として用いた。
【００４９】
上記粉末１００重量部に対して焼結助材（Ｙ2Ｏ3）５重量部及びアクリル系バインダー５重量部を配合した後、プレス成形にてφ１０ｍｍ×３ｍｍの成形体を作製し、これを４５０℃で１時間加熱することにより脱脂した。次いで、窒素雰囲気中１８５０℃で３時間常圧焼結することによってＡｌＮ焼結体を得た。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。
【００５０】
実施例１
比較例１の直接法粉末１００重量部に対してカーボンブラック粉末（平均粒子径約１μｍ）５重量部を添加・混合し、窒素雰囲気中１７００℃で３時間焼成した（第一熱処理）。焼成後、軽い凝集を振動ミルで解した後、大気中７００℃で１０時間の加熱処理を行った（第二熱処理）。
【００５１】
次いで、得られた粉末１００重量部に対して焼結助材（Ｙ2Ｏ3）５重量部及びアクリル系バインダー５重量部を配合した後、プレス成形にてφ１０ｍｍ×３ｍｍの成形体を作製し、これを４５０℃で１時間加熱することにより脱脂した。次いで、窒素雰囲気中１８５０℃で３時間常圧焼結することによってＡｌＮ焼結体を得た。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。なお、表１には、炭素質物質を混合した後の粉末の嵩密度を併せて示す。
【００５２】
【表１】
0004958353.tif 000002
【００５３】
実施例２〜６及び比較例２〜７
カーボンブラック粉末の添加量、焼成温度及び熱処理温度を表１に示すように変更したほかは、実施例１と同様にしてＡｌＮ粉末を調製し、焼結体を作製した。得られた焼結体の熱伝導率を測定した。その結果を表１に示す。