CN104066537A - 金属粉末制造用等离子体装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属粉末制造用等离子体装置，具备：反应容器，向其供给金属原料；等离子枪，在其与反应容器内的金属原料之间生成等离子体，使金属原料蒸发而生成金属蒸气；载气供给部，其向反应容器内供给用于输送金属蒸气的载气；冷却管，其将通过载气从反应容器移送的金属蒸气冷却而生成金属粉末，其中，冷却管具备：对通过载气从反应容器移送的金属蒸气及/或金属粉末间接进行冷却的间接冷却区域；与间接冷却区域相接，对金属蒸气及/或金属粉末直接进行冷却的直接冷却区域，在间接冷却区域的内壁的至少一部分设有凸部及/或凹部。

Description

金属粉末制造用等离子体装置

技术领域

本发明涉及制造金属粉末的等离子体装置，特别是涉及具备管状的冷却管并利用该冷却管对使金属原料熔融和蒸发而产生的金属蒸气进行冷却从而制造金属粉末的等离子体装置。

背景技术

在电子电路或配线基板、电阻、电容器、IC封装等电子零部件的制造中，为了形成导电覆膜或电极而使用导电性的金属粉末。作为这种金属粉末所要求的特性及性状，可列举出如下，即：杂质少；平均粒径为0.01～10μm程度的微细粉末；使粒子形状及粒径整齐；凝集少；在膏中的分散性好；结晶性好等。

近年来，伴随电子零部件及配线基板的小型化，正在推进导电覆膜及电极的薄层化及细距化，因此，期望更微细的、球状且高结晶性的金属粉末。

作为制造这种微细的金属粉末的方法之一，已知有利用等离子体在反应容器内使金属原料熔融和蒸发后，对金属蒸气进行冷却，使其凝结而生成大量的金属核，使金属核生长而得到金属粉末的等离子体装置(参照专利文献1、2)。在这些等离子体装置中，由于使金属蒸气在气相中凝结，故而能够制造杂质少、微细、球状且结晶性高的金属粒子。

另外，这些等离子体装置均具备长管状的冷却管，对包含金属蒸气的载气进行多阶段的冷却。例如在专利文献1中，具备通过在所述载气中直接混合预加热的热气而进行冷却的第一冷却部、和之后通过直接混合常温的冷却气体而进行冷却的第二冷却部。另外，在专利文献2的等离子体装置中，具备：通过使冷却用流体在管状体的周围循环，不使该流体与所述载气直接接触，对载气进行冷却的间接冷却区域(第一冷却部)；之后通过在载气中直接混合冷却用流体而进行冷却的直接冷却区域(第二冷却部)。

特别是由于后者采用了以基于辐射的冷却为主的间接冷却，故而与以基于传导或对流的冷却为主的其他等离子体装置相比，能够均匀地进行来自金属蒸气的金属核(以下简称为“核”)的生成、生长及结晶化，能够得到粒径和粒度分布得以控制的金属粉末。

专利文献1：美国申请公开2007/0221635号

专利文献2：美国专利第6379419号

图7是表示在专利文献2中记载的冷却管的构成的图。如图7所示，冷却管14具备间接冷却区域34和直接冷却区域50，另外，间接冷却区域34由内管36和外管38两层管构成。而且，通过使冷却用流体在内管36的外壁和外管38的内壁之间的空间循环，对来自反应容器的金属蒸气、以及该金属蒸气凝结而生成的金属粉末进行间接冷却。在与间接冷却区域34相接的直接冷却区域50中，向载气中混合冷却用流体进行直接冷却。另外，在直接冷却区域50中，通过采用内径比间接冷却区域34大的冷却管，使通过了间接冷却区域34的载气急剧膨胀，提高冷却效率。

但是，在所述间接冷却区域34中，对高温状态下被移送到冷却管内的载气中的金属蒸气进行辐射冷却，因此，进行均匀且稳定的核的生成、生长、结晶化。但是，在利用专利文献2中记载的装置制造金属粉末的情况下，根据本发明者们的研究，虽然相比现有的等离子体装置，得到的金属粉末的粒度分布得以改善，但是想要得到更细的粒度分布也存在限度。

本发明者们对其原因进行了研究，发现在间接冷却区域，在接近冷却管内壁的区域和接近中央部(轴)的区域，载气的流速及温度、金属蒸气的浓度等产生了差异。因此，虽然未明确，但认为因该差异的存在，在接近冷却管内的内壁的区域和接近中央部的区域，核的生成时刻不同，在较早的时刻析出的核通过粒生长、尤其是通过融合成一体而增大，而在较晚的时刻析出的核在融合成一体之前到达直接冷却区域被急剧冷却，可能对粒度分布带来影响。而且，冷却管的内径越小，上述差异越显著。

因此，本发明者们尝试将图7的间接冷却区域34的内管36的内径加宽到与直接冷却区域50相同程度，结果生产效率显著降低。认为这是因为间接冷却区域34中的载气中包含的金属蒸气的浓度(密度)降低，故而在间接冷却区域34不能充分生成核。而且可知，由于载气的流速变慢，还会产生刚刚析出的核容易附着在内管36的内壁上的新问题。

发明内容

本发明的目的在于为了解决上述问题，提供一种能够得到粒度分布窄的金属粉末，且生产效率更好的金属粉末制造用等离子体装置。

本发明第一方面的金属粉末制造用等离子体装置，其具备：反应容器，向其供给金属原料；等离子枪，在其与所述反应容器内的金属原料之间生成等离子体，使所述金属原料蒸发而生成金属蒸气；载气供给部，其向所述反应容器内供给用于输送所述金属蒸气的载气；冷却管，其将通过所述载气从所述反应容器移送的所述金属蒸气进行冷却而生成金属粉末，其中，所述冷却管具备：对通过所述载气从所述反应容器移送的所述金属蒸气及/或金属粉末间接进行冷却的间接冷却区域；与所述间接冷却区域相接，对所述金属蒸气及/或金属粉末直接进行冷却的直接冷却区域，在所述间接冷却区域的内壁的至少一部分设有凸部及/或凹部。

本发明第二方面的金属粉末制造用等离子体装置，在第一方面的基础上，所述凸部及/或凹部设于所述间接冷却区域内的、比金属核开始析出的位置更靠上游侧的内壁。

本发明第三方面的金属粉末制造用等离子体装置，在第一或第二方面的基础上，多个所述凸部及/或凹部设于所述间接冷却区域内的内壁。

本发明第四方面的金属粉末制造用等离子体装置，在第三方面的基础上，所述多个凸部及/或凹部在所述间接冷却区域内的内壁，相对于所述冷却管的长度方向螺旋状地设置。

本发明第五方面的金属粉末制造用等离子体装置，在第一方面～第四方面中的任一方面的基础上，所述间接冷却区域利用冷却用流体对所述冷却管的周围进行冷却，不使该流体与所述金属蒸气及/或金属粉末直接接触，而对所述金属蒸气及/或金属粉末进行冷却，所述直接冷却区域使冷却用流体与所述金属蒸气及/或金属粉末直接接触而进行冷却。

根据本发明的金属粉末制造用等离子体装置，能够使间接冷却区域的载气的流速及温度、金属蒸气的浓度等均匀，故而不降低生产效率就能够获得粒度分布窄的金属粉末。

本发明尤其是在间接冷却区域的冷却管内，通过在金属核开始析出的区域的上游侧设置凸部及/或凹部，不降低间接冷却的效果就能够缓慢地在更稳定的、均匀的环境下进行核的生成、生长、结晶化。

附图说明

图1是表示本发明的金属粉末制造用等离子体装置的整体构成的图；

图2A是表示本发明的冷却管的一例的图；

图2B是表示图2A的凸部的图；

图3A是表示本发明的冷却管的另一例的图；

图3B是表示图3A的凸部的图；

图4是表示本发明的冷却管的另一例的图；

图5A是表示本发明的冷却管的另一例的图；

图5B是表示图5A的凸部的图；

图6是表示本发明的冷却管的另一例的图；

图7是表示现有例(专利文献2)的冷却管的图。

标记说明

100：金属粉末制造用等离子体装置

102：反应容器

103：冷却管

104：等离子枪

107：等离子体

110：载气供给部

170、171、172、173：凸部

174：凹部

IC：间接冷却区域

DC：直接冷却区域

具体实施方式

以下，基于具体的实施方式对本发明进行说明，但本发明不限于此。

图1表示将本发明应用于与上述专利文献2相同的过渡型电弧等离子体装置的金属粉末制造用等离子体装置100(以下简称为等离子体装置)的一例，通过在反应容器102的内部使金属原料熔融和蒸发，使生成的金属蒸气在冷却管103内冷却凝结，从而生成金属粒子。

此外，在本发明中，作为金属原料并无特别限制，只要是含有目标金属粉末的金属成分的导电性物质即可，除了纯金属外，也可以使用含有两种以上金属成分的合金或复合物、混合物、化合物等。作为金属成分的一例，可列举出：银、金、镉、钴、铜、铁、镍、钯、铂、铑、钌、钽、钛、钨、锆、钼、铌等。虽然没有特别限制，但从处理容易度方面考虑，作为金属原料，优选使用数mm～数十mm程度大小的粒状或块状金属材料或合金材料。

为了便于理解，下面以制造镍粉末作为金属粉末且使用金属镍作为金属原料为例进行说明，但本发明不限于此。

在装置开始运转之前，预先在反应容器102内准备规定量的金属镍，在装置开始运转后，金属镍成为金属蒸气，根据从反应容器102内减少的量，随时从进料口109向反应容器102内补充。因此，本发明的等离子体装置能够长时间连续地制造金属粉末。

在反应容器102的上方配置有等离子枪104，经由未图示的供给管向等离子枪104供给等离子体生成气体。等离子枪104在以负极106为阴极，以设于等离子枪104内部的未图示的正极为阳极产生等离子体107后，通过使阳极向正极105移动，在负极106和正极105之间生成等离子体107，利用该等离子体107的热使反应容器102内的金属镍的至少一部分熔融，生成镍的熔融金属液108。进而，等离子枪104利用等离子体107的热使熔融金属液108的一部分蒸发，产生镍蒸气(相当于本发明的金属蒸气)。

载气供给部110将用于输送镍蒸气的载气供给到反应容器102内。作为载气，在制造的金属粉末为贵金属的情况下，没有特别限制，可以使用空气、氧气、水蒸气等氧化性气体，氮气、氩气等惰性气体，及它们的混合气体等，在制造容易氧化的镍、铜等贱金属的情况下，优选使用惰性气体。只要没有特别的说明，在以下的说明中，使用氮气作为载气。

此外，也可以根据需要在载气中混合氢气、一氧化碳、甲烷、氨气等还原性气体，醇类、羟酸类等有机化合物，除此之外，为了改善和调整金属粉末的性状及特性，也可以含有氧、或氧之外的磷、硫等成分。此外，用于等离子体的生成的等离子体生成气体也作为载气的一部分起作用。

在反应容器102内生成的含有镍蒸气的载气被移送到冷却管103。

冷却管103具备：对载气中含有的镍蒸气及/或镍粉末进行间接冷却的间接冷却区域IC；对载气中含有的镍蒸气及/或镍粉末进行直接冷却的直接冷却区域DC。

在间接冷却区域IC中，使用冷却用流体及外部加热器等对冷却管103(内管120)的周围进行冷却或加热，通过控制间接冷却区域IC的温度来进行冷却。作为冷却用流体，可使用上述载气或其它气体，另外也可以使用水、温水、甲醇、乙醇或它们的混合物等液体。但是，从冷却效率及成本的观点考虑，理想的是，冷却用流体使用水或温水，使其在冷却管103的周围循环而对冷却管103进行冷却。

作为间接冷却区域IC，也可以如日本特愿2011－263165记载的那样，由内径不同的两个以上的区域构成。尤其是，优选间接冷却区域IC具备从反应容器移送含有上述镍蒸气的载气的第一间接冷却区域、配置于该第一间接冷却区域和上述直接冷却区域之间的第二间接冷却区域，第一间接冷却区域的内径比上述第二间接冷却区域的内径小。在这种装置中，在第一间接冷却区域，通过在金属蒸气浓度高的状态下进行间接冷却而使核充分析出后，在第二间接冷却区域，在使金属蒸气的浓度下降的状态下进行连续的间接冷却，之后进行直接冷却，因此，能够在更均匀的环境中进行金属粉末的生长、结晶化，能够得到粒度分布更窄的金属粉末。

在间接冷却区域IC，在高温状态下直接被移送到冷却管103内的载气中的镍蒸气通过辐射比较缓慢地被冷却，在稳定且均匀地进行了温度控制的环境中进行核的生成、生长、结晶化，由此在载气中生成粒径均匀的镍粉末。

在直接冷却区域DC，对从间接冷却区域IC移送来的镍蒸气及/或镍粉末喷出或混合从未图示的冷却流体供给部供给的冷却用流体，进行直接冷却。此外，在直接冷却区域DC使用的冷却用流体与在间接冷却区域IC使用的冷却用流体可以相同，也可以不同，但从处置的简单化及成本的观点考虑，优选使用与上述载气相同的气体(在以下的实施方式中为氮气)。在使用气体的情况下，与上述的载气同样，也可以根据需要将还原性气体及有机化合物、氧气、磷、硫等成分混合使用。另外，在冷却用流体含有液体的情况下，该液体以喷雾的状态被导入冷却管103(内管160)内。

此外，在本说明书的附图中，省略间接冷却区域IC及直接冷却区域DC的具体冷却机构，可以使用公知的机构，只要不妨碍本发明的作用效果即可，例如也可以适当使用上述专利文献2记载的机构。

在间接冷却区域IC内的载气中，掺杂有镍蒸气和镍粉末，但与其上游侧相比，下游侧的镍蒸气的比例变低。另外，根据装置不同，在直接冷却区域DC内的载气中也可以掺杂镍蒸气和镍粉末。但是，如上所述，优选核的生成、生长、结晶化在间接冷却区域IC内进行并完成，因此，优选直接冷却区域DC内的载气中不含镍蒸气。

含有金属粉末的载气从冷却管103进一步向下游输送，在未图示的收集器中被分离成金属粉末和载气并将金属粉末回收。此外，也可以构成为由收集器分离的载气在载气供给部110被再利用。

载气中的金属蒸气在从反应容器102导入间接冷却区域IC的时刻，浓度也高、温度也在数千K(例如3000K)，但通过间接冷却(辐射冷却)，温度下降到金属的沸点附近，在间接冷却区域IC内的某位置大致同时开始析出大量的核。核开始析出的位置根据目标金属的种类及金属蒸气的浓度、载气的流量、金属蒸气及载气的温度、管内的温度分布等而改变，不表示特定的位置，但是，在此为了容易理解，图中用假想面180表示的位置为核开始析出的位置。

在图2A所示的例子中，冷却管103在间接冷却区域IC的内管120的内壁、即比假想面180更靠上游侧的彼此对向的两个部位具备凸部170。由于该凸部170的存在，在冷却管103内，载气和金属蒸气的混合气体的流动紊乱并被搅拌，因此，能够抑制与上述的冷却管103的内壁接近的区域和与中央接近的区域之间的载气的温度及流速、金属蒸气浓度的不均匀性，由此，能够使核析出的时刻一致。

在本发明中，对于凸部的大小、形状、个数、配置等没有特别的限定，只要载气和金属蒸气的混合气体适度地被搅拌且在与冷却管的内壁接近的区域和与中央接近的区域不易产生不均匀即可。例如，凸部的大小根据目标金属的种类及金属蒸气的浓度、载气的流量、金属蒸气及载气的温度、管内的温度分布等而适当决定，但是，假如在凸部过大的情况下，冷却管内的金属浓度(含有金属蒸气和核的浓度)的不均匀性增大而对粒度分布产生不良影响，在凸部过小的情况下，不能够得到本发明的作用效果。因此，能够在事前通过进行考虑了上述因素的模拟而适当地设计合适的凸部的大小、形状、个数、配置等。

如图3A所示，凸部171也可以是环状的。此外，如图3B所示，图3A的例子中的凸部171通过使用其截面在上游侧具有倾斜的楔形的凸部，能够进行更有效的搅拌。

如图4所示，凸部172也可以沿冷却管103的长度方向(轴向)配置，在本例中，凸部172平均各为4个，在上游侧和下游侧的两个部位并排设置。另外，凸部172的截面形成矩形。

如图5A所示，凸部173也可以相对于冷却管103的长度方向螺旋状地并排设置。在本例中，通过遍及间接冷却区间IC的整个区域螺旋状地配设多个图5B所示那样的截面为大致三角形的凸部173，载气在冷却管103内一边旋转一边生成向下游侧前进的旋转流。凸部173以前端部分173a朝向内管120的中央的方式配置。此外，在图5A中为两根螺旋状，但也可以是一根螺旋或三根以上。另外，在图5A中，多个凸部173隔开间隔配设，但是也可以是一根带状。

此外，在本发明中，只要在与冷却管的内壁接近的区域或与中央接近的区域将载气和金属蒸气的混合气体适度地搅拌，则也可以在内壁配设凹部来代替凸部，另外也可以形成凸部和凹部双方。

在以配设有凹部为例而举例的图6中，在间接冷却区域IC的内管120的内壁、即在比假想面180更靠上游侧的彼此对向的两个部位形成有凹部174。凹部174的截面为矩形。通过该凹部174，能够抑制与冷却管103的内壁接近的区域和与中央接近的区域之间的载气的温度及流速、金属蒸气浓度的不均匀性，由此，能够使核析出的时刻一致。

凸部及/或凹部至少配设于间接冷却区域IC内的、比金属核开始析出的位置(上述假想面180)更靠上游侧的位置即可，如图5A所示的例子那样，并非排出与比假想面180更靠下游侧的位置相连而配设的情况除外。

作为一例，理想的是，凸部的高度及/或凹部的深度设定为1～100mm的范围内。

实施例

〔实施例1〕

用图2A及图2B中记载的具备配设有凸部170的冷却管103的、图1记载的等离子体装置100进行镍粉末的制造。冷却管103为将内径8cm、长度115cm的内管120(间接冷却区域IC)和内径18cm、长度60cm的内管160(直接冷却区域DC)组合而成的冷却管，在间接冷却区域IC的内管120的内壁，在距内管120的上游端20cm的位置配设有两个高度(h)为1cm、宽度(w)为1cm、长度(l)为5cm的凸部170。

进行控制，以使通过冷却管103的载气每分钟通过300L，且金属浓度为2.1～14.5g/m³的范围。

对得到的镍粉末，根据使用激光式粒度分布测定装置测定的粒度分布的重量基准的累计百分率10％值、50％值、90％值(以下，分别称为“D10”“D50”“D90”)，作为粒度分布指标求出用SD＝(D90－D10)/(D50)表示的SD值。

实施例1中得到的镍粉末为D50＝0.40μm、SD＝1.28这样的粒度分布窄的粉末。

〔比较例1〕

除了未配设凸部170之外，用与实施例1相同的装置、在同样的条件下制造镍粉末。

在比较例1中得到的镍粉末为D50＝0.47μm、SD＝1.36。

〔实施例2〕

除了使用了图5A及图5B记载的配设有凸部173的冷却管103之外，用与实施例1相同的方法制造了镍粉末。作为凸部173，截面为底边(w)1cm、高度(h)1cm的大致等边三角形形状，准备了多个长度(l)为3cm的方块。而且，在内管120的内壁，以凸部173的长度方向相对于冷却管103的长度方向(轴向)为45°角度的方式，使多个凸部173跨过间接冷却区域IC整个区域而配设成两根螺旋状。

在实施例2得到的镍粉末为D50＝0.44μm、SD＝1.10这样的粒度分布窄的粉末。

根据以上的结果，与比较例1中得到的镍粉末相比，实施例1～2中得到的镍粉末为粒度分布窄的粉末。

此外，在本发明中，间接冷却区域或直接冷却区域中的内管的内径及长度应根据目标金属的种类或金属蒸气的浓度、载气的流量、金属蒸气及载气的温度、管内的温度分布等适当设定，不限于上述例子。

工业上的可利用性

本发明可用于制造各种电子部件及电子设备等使用的金属粉末的等离子体装置。

Claims (5)

1.一种金属粉末制造用等离子体装置，其具备：

反应容器，向其供给金属原料；

等离子枪，在其与所述反应容器内的金属原料之间生成等离子体，使所述金属原料蒸发而生成金属蒸气；

载气供给部，其向所述反应容器内供给用于输送所述金属蒸气的载气；

冷却管，其将通过所述载气从所述反应容器移送的所述金属蒸气进行冷却而生成金属粉末，其特征在于，

所述冷却管具备：对通过所述载气从所述反应容器移送的所述金属蒸气及/或金属粉末间接进行冷却的间接冷却区域；与所述间接冷却区域相接，对所述金属蒸气及/或金属粉末直接进行冷却的直接冷却区域，

在所述间接冷却区域的内壁的至少一部分设有凸部及/或凹部。

2.如权利要求1所述的金属粉末制造用等离子体装置，其特征在于，

所述凸部及/或凹部设于所述间接冷却区域内的、比金属核开始析出的位置更靠上游侧的内壁。

3.如权利要求1或2所述的金属粉末制造用等离子体装置，其特征在于，

多个所述凸部及/或凹部设于所述间接冷却区域内的内壁。

4.如权利要求3所述的金属粉末制造用等离子体装置，其特征在于，

所述多个凸部及/或凹部在所述间接冷却区域内的内壁，相对于所述冷却管的长度方向螺旋状地设置。

5.如权利要求1～4中任一项所述的金属粉末制造用等离子体装置，其特征在于，

所述间接冷却区域利用冷却用流体对所述冷却管的周围进行冷却，不使该流体与所述金属蒸气及/或金属粉末直接接触，而对所述金属蒸气及/或金属粉末进行冷却，

所述直接冷却区域使冷却用流体与所述金属蒸气及/或金属粉末直接接触而进行冷却。