JPS6317210A

JPS6317210A - 窒化アルミニウム粉末の製造方法

Info

Publication number: JPS6317210A
Application number: JP16081986A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Shinozaki; 和夫篠崎; Mitsuo Kasori; 加曽利　光男; Fumio Ueno; 文雄上野; Akihiro Horiguchi; 堀口　明宏; Akihiko Tsuge; 柘植　章彦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-07-10
Filing date: 1986-07-10
Publication date: 1988-01-25

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）この発明は添加助剤を含んだ窒化アルミニウム粉末の製
造方法に関する。

（従来の技術）近来，半導体の高出力化，高集積化等に伴い半導体機器
の発熱密度が著しく増大している．これに伴い、半導体
用基板にも高放熱性が要求されるようになり、窒化アル
ミニウム（ＡＱＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等のセラミ
ック基板が実用化されようとしている。これらの基板は
セラミック原料粉末に添加助剤を加えて高温で焼成（焼
結）することにより製造される。

Ａｌ２Ｎの場合、原料粉の製造法として金属アルミニウ
ムを窒素ガス中で加熱し窒化する直接窒化法や酸化アル
ミニウム粉末を炭素粉末と混合し、窒素ガス中で加熱し
酸化アルミニウムを還元しながら窒化する還元窒化法が
用いられている。前者は後者に比べ外部からの加熱が少
なくて済むためにコスト的に有利でさらに、反応生成物
がＡ　Ｑ　Ｎだけ（後者では炭素が残り除去が必要）で
あるため後処理が不用であるなどのメリットがある６反
面、素原料のアルミニウムを微粉にしなければならない
が軟かい金属であるため微粉砕しにくい。

粉砕時に不純物が混入しやすい、微粉のアルミニウムは
発火性があるなどの問題点があった。

また、Ａｌ２Ｎは粉末状態では比較的酸化されやすく１
粒径にもよるが通常１〜２％程度の酸素を含む、この酸
素は焼結的にＡ　Ｑ　Ｎと反応し、極端に熱伝導率を低
下させることが知られている。これを防ぎ、かつ難焼結
性の物質であるＡＱＮを緻密化させる助剤としてアルカ
リ土類化合物、希土類化合物あるいはその混合物が知ら
れている。これらの助剤は通常、ＡｎＮＭ料とボールミ
ル等により機械的に混合している。このため、均一混合
が困難で添加量も理論的に必要な量よりもかなり多かっ
た。不均一混合は部分的な酸素のＡＱＮ中への固溶がお
こったり、密度が低かったりする現象をまねく。またそ
れを防ぐために添加量を増すと部分的に助゛剤過剰な部
分ができ熱伝導が阻害される。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は安価で、量産性の高い金属直接窒化法の利点を
生かしたまま、上述の問題点を解決するものである。

■　素原料を合金化し、脆性を付与することにより、ア
ルミニウム素原料の微粉砕を可能にした。

■　不純物の混入量も減少する。

■　通常市販されている微粉のアルミニウムはリン片状
のものがほとんどであるが、長径が数十−であるのに対
し厚さが１−以下と比表面積が大きく発火性が強く、表
面を酸化するか、油脂でコートしなければ使用できなか
った。本発明のＡｕは合金化したため比較的球状に近い
数μｓ程度の粒となる。このため粒径の割と比表面積が
小さく発火性も小さい。

■　合金化する元素にアルカリ土類、希土類元素を用い
ることにより、これらの元素は焼結の際焼結助剤として
働く。この際、合金化したため窒化アルミニウムと均一
に混合されており、焼結反応が均一に進行し、添加量も
少量で良い。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段と作用）アルミニウム地
金とアルカリ土類および希土類元素から選ばれた少なく
とも１種の元素を高純度アルミナ製金属融解ルツボに秤
量し真空溶解炉な純度アルミナ製、望ましくはＡ　Ｄ　
Ｎ製ボールミルを用いて２〜２０ｐまで微粉砕する。

以上の行程は次に述べる方法におき替えることも可能で
ある。すなわち所定の合金組成を溶融した後、ステアリ
ン酸等の油脂分のミスト中へ噴霧し５０−１００．のア
トマイズ粉とする。これをさらにアルミナないしＡＱＮ
製ボールミルで微粉砕する。

このようにして得られたアルミニウム合金の微粉とＡＱ
Ｎ粉末とを１：０．５〜１：２（重量比）程度の比で混
合しく合金が窒化に融解固着するのを防ぐため）、炭素
製のボート中に充填する。これをＮ２ガス中で６００℃
〜８００℃で加熱する６　するとＡＱおよび助剤が窒素
と反応し、著しい発熱を伴って窒化する。得られた窒化
アルミはポーラスで指先でたやすくつぶせる程度のかた
まりである。

これをＡａＮ製ボールミルを用いて、必要な平均粒径（
通常は１−前後）まで粉砕する。実際には混合するＡＱ
Ｎの影響を防ぐため合成したＡＱＮを用いて４〜５回く
り返す。

本反応においてアルミニウムは完全に窒化している。ま
たアルカリ土類、希土類元素は合成直後は完全に窒化し
ているがＡｌ２Ｎより酸素に対し不安定で粉砕等の操作
で一部酸化物化する場合もある。いずれの場合もＡｆｌ
Ｎの高熱伝導化焼結助剤として有効である。

本発明の方法によるＡ　Ｑ　Ｎ粉末合成の手順について
述べたが、従来のアルミニウム単味の直接窒化に比べて
、素原料粉砕の時間、不純物混入が少ない、また得られ
たＡＲＮ粉末をペレット状に成形しＥＰＭＡによる助剤
元素の分布状態を調べるとＡＱＮ粉に助剤を加えて粉砕
混合した場合に比べて非常に均一に分布している。

（実施例）実施例１〜５．比較例１純度９９．９９９％のＡＱ地金と純度９９．９９％のＹ
を０（比較例１）　、　０，０１．１．３．５．１０　
（それぞれ実施例１〜５）重量％の割合で総量５ｋｇ秤
量し、高純度アルミナ製金属溶解ルツボに充填し、１０
００℃（Ｙ　：　０．０．０１．１．３％）および１２
００℃（Ｙ：１０％）で、加熱溶解した後急冷凝固する
。得られた合金を粗粉砕後、アルミナボールミル（９８
％Ａｕ２０．）で粉砕した。粉砕して平均粒径が５−に
なるまで行った。そのときの粉砕に要した時間およびア
ルミナボールミルからのＳｉの混入量を表１に示す。

得られた各ＡＱ金合金００ｇ　　に自製のＡＱＮ粉に各
条件と同量のＹを酸化物の形で混合した粉末を４００　
ｇを混合しカーボンボートに充てんしＮ２ガス中で７０
０℃（Ｙ　：　０．０．０１．　１．３％）、８００℃
（Ｙ：５％）　、　１０００℃（Ｙ：１０％）まで加熱
し以後奔嫁次に各ＡＱ合金粉２００　ｇと、今合成した
各粉末から４００ｇをとりよく混合し、上記各温度で窒
化反応・粉砕を行った。この行程を５回くり返す。

これにより最初に用いた従来法ＡＱＮの存在量は０．４
％以下になり、得られた最終粉末の特性に対する従来法
ＡＲＮの影響は無視できる。

表１から粉砕に要する時間、　Ｓｉ混入量とも合金化す
ることにより低減していることがわかる。

比較例２〜７５．１０％（それぞれ比較例２〜７とする）になるよの
成形圧で３０Ｘ３０Ｘ８−の圧粉体を成形し７００℃Ｎ
、中で脱バインダーし、１８００℃Ｎ２ガス中で２時間
常圧焼結した。原料中の酸素量および焼結体の密度、熱
伝導率を表２に示す。

実施例６〜１０実施例１〜５で製造したＡＱＮ粉末に比較例２〜７と同
様にバインダーを添加し、成形焼結後。

密度・熱伝導率を測定した（表２）。

比較例３〜７と実施例６〜１０の原料粉成形体に金をス
パッターし、ＥＰＭＡでＹの分布状態を確認したところ
ＡＱＮ粉にＹ、Ｏ，を機械的に混合した比較例３〜７で
は合金から合成した実施例６〜１０に比べ粒があらく比
較的不均一な分布であった。

実施例６〜１０ではその粒が細かく、均質に分布してい
た。

表２から比較例ではその添加量１％以上で緻密化してい
るが１合金から作ったＡＱＮでは０．０１％のＹ添加で
も３．１０ｇ／ｃｄまでＨｌ、密化している。すなわち
Ｙが均一に分布している効果である。同様に熱伝導率の
最高を与えるＹ添加量は比較例の５％に対し実施例では
３％であり、Ｙが均一に分布しているためと考えられる
。

また熱伝導率の最大値は比較例の１４５ｗ／ｍ−ｋに対
し実施例では１８５ｗ／ｍ−にと著しく高い値を示して
いる。

実施例１１〜１９実施例３と同様の方法でＹ　、　Ｌａ、　Ｃｅ、　Ｎｄ
、　Ｓ　ｒｎ。

Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂをそれぞれ３％含むＡＱＮ粉末
を合成し、実施例８と同様にして焼結体を製造した（そ
れぞれ実施例１１〜１９とする）。

比較例８〜１６比較例５と同様の方法でＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ。

Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂをそれぞれ３％酸化物の形で添
加し、焼結した（ぞれぞれ比較例８〜１６とする）。

これらの熱伝導率を表３に示す。

比較例１７〜２４比較例５と同様の方法でＹ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｅｒをそれぞ
れ３％、フッ化物（それぞれ比較例１７〜２０とする）
、窒化物（それぞれ比較例２１〜２４とする）の形で添
加し焼結した。これらの結果を表４に示す。

表３，４からいずれの場合も合金から出発したものが最
も高熱伝導化していることがわかる。

実施例２５〜２９実施例１〜５の方法と同様にＣａを０．０１．１゜３．
５．’ｊｕｔ％含むＡｌ１Ｎ粉を合成した６さらに実施
例６〜１０と同様にそれぞれ焼結を行った（それぞれ実
施例２５〜２９とする）。

混合し、実施例２〜７と同様に焼結を行った（比較例２
５〜３０とする）１表５にこれらの結果を示す。

これからアルカリ土類の場合も希土類の場合と同様な効
果があることがわかる。

実施例３０〜３２Ｙ＋Ｃａ　（１：　１）　、　Ｙ＋Ｓｒ　（１：１．２
）　、　Ｓｍ十Ｃａ　（１，２：１）の組成のアルカリ
土類、希土類元素の混合物をアルミニウムに対し３％添
加し実施ｆｓ３の方法でＡＱＮ粉を合成したところ、良
好な結果が得られた。

これをさらに１８００℃で焼結したところ表６に示す良
好な結果が得られた。

〔発明の効果〕

ＡＱＮの高熱伝導焼結体を得るのに重要な助剤であるア
ルカリ土類、希土類元素を従来のＡΩＮ粉と機械的に混
合する方法ではなくＡＱとの合金を作って窒化する方法
であらかじめ均一に混合したＡＱＮ粉を製造する方法を
発明した。それにより従来に比べて著しく均一な混合状
態が得られより少ない添加量で著しく高い熱伝導率が得
られた。

（以下余白）一近−（ト召← 表１］Ｌ」し表４以下余白表５

Claims

【特許請求の範囲】

（１）金属アルミニウム粉末を窒素ガス中で加熱し窒化
アルミニウムを製造する方法において、素原料に希土類
元素金属から選ばれる少なくとも１種、アルカリ土類金
属から選ばれる少なくとも１種、あるいはそれらの混合
物と金属アルミニウムとを溶解し合金化した粉末を用いることを特徴とする窒化アルミニウム粉末の製造方法。
（２）希土類元素としてＹ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、
Ｇｄ、Ｄｙ、Ｅｒ、Ｙｂから選ばれた少なくとも１種を
用いることを特徴とする特許請求範囲第一項記載の窒化
アルミニウム粉末の製造方法。
（３）アルカリ土類元素としてＣａ、Ｓｒ、Ｂａから選
ばれた少なくとも１種を用いることを特徴とする特許請
求範囲第一項記載の窒化アルミニウム粉末の製造方法。
（４）希土類元素金属添加量が０．０１重量％から１０
重量％の範囲であることを特徴とする特許請求範囲第一
項記載の窒化アルミニウム粉末の製造方法。
（５）アルカリ土類元素金属添加量が０．００５重量％
から７重量％の範囲であることを特徴とする特許請求範
囲第一項記載の窒化アルミニウム粉末の製造方法。