JP2021116460A - 金属粒子の作製方法および作製装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直径１μｍ以下のナノサイズの金属粒子を効率良く製造するための金属粒子の作製方法を提供する。【解決手段】金属粒子の作製方法は、断面が円形の第１の容器に第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子とからなる懸濁液を入れ、第２の溶媒中に第１の容器を浸漬し、第１の容器をその円形断面の中心を軸として回転させ、第１の容器の回転と同時に第１の容器の外側に配置した超音波振動子から、２０〜４０ｋＨｚの超音波を照射して、ナノサイズの金属粒子を作製する。【選択図】図１

Description

本発明は、鉛を含まない耐熱性を有する接合部を形成する接合材料の作製方法および作製装置に関する。より詳細には、例えばＳｉ、ＧａＮ、ＳｉＣ等の材料で形成された半導体素子とリードフレームとを接合する接合材料に用いる粒子径１μｍ以下のナノスケールの金属粒子の作製方法および作製装置に関する。

近年、Ｓｉチップよりも高速動作が可能なＧａＮチップや高出力動作が可能なＳｉＣチップが使われることが多くなっている。ＧａＮチップやＳｉＣチップはＳｉチップと比較して動作時の発熱量が多いため、そのような半導体素子と絶縁回路基板との線膨張係数の差に由来する応力が接合部に加わった際に、接合部が歪みに耐え切れずに破壊するクラック不良が発生し得る。従来は、ベースプレートにアルミニウム製の冷却フィン等を取り付けて熱を逃がしていたが、発熱量が多くなると、熱流束断面積の小さい接合部が放熱の律速となるため、十分に熱を逃がすことが困難になりつつある。このために、接合部の耐熱性の向上が必要となっている。

そこで、耐熱性を向上させた第１の接合材料として、Ａｇナノ粒子とバインダーを混合したＡｇナノペーストが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この接合材料を構成する銀ナノ粒子は平均粒子径２００ｎｍ以下の粒子が用いられており、そのような平均粒子径を有する銀ナノ粒子を使用することで、耐熱性の高い接合体を形成することができる。

上述の第１の接合材料は、金属材料が銀であるため接合材料の価格が非常に高くなる。そのため用途が付加価値の高い製品に限定されている。この問題に対して安価な卑金属を超音波でナノ粒子化して接合材料に適用することが提案されている。超音波キャビテーションによるナノ粒子合成法は、金属組成物の融点未満の温度に保持した媒体中に金属組成物を投入し、機械的な撹拌をすることなく超音波を照射して粒子を作製する方法である。超音波を照射することで媒体中にキャビテーションが発生し、キャビテーション圧壊時の衝撃圧を利用して固体の金属組成物を微細な粒子として分散させる。この方法は直径１μｍ以下の粒子を製造することができる（例えば、特許文献２参照。）。
しかしながら、金属組成物と媒体との比重差によって金属組成物は媒体の下部に堆積するため、キャビテーションが発生している媒体中の反応場を有効利用できずナノ粒子の合成効率が低いという問題がある。

金属組成物の堆積を抑制する方法として機械的撹拌法がある（例えば、特許文献３参照。）。金属組成物の融点以上の温度に保持した高温の加熱媒体中に金属組成物を投入し、機械的な撹拌を行いながら超音波エネルギーを負荷して溶融した金属組成物を微細な液滴として分散させ、ついで冷却凝固させて微細粒子を製造する方法である。しかしながら、キャビテーションが発生している媒体の内部で撹拌羽根を高速回転させると、撹拌羽根の表面でキャビティ周囲に圧力差が生じてキャビティが破壊される。そのため、キャビテーションによる粒子生成の効果が低下するという問題がある。

特許第５９８６９２９号公報 ＷＯ２０１６／１５８６９３号公報 特開平９−４９００７号公報

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、直径１μｍ以下のナノサイズの金属粒子を効率良く製造するための金属粒子の作製方法を提供することを目的とする。

上記目標を達成するために、本発明に係る金属粒子の作製方法は、断面が円形の第１の容器に第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子とからなる懸濁液を入れ、
第２の溶媒中に前記第１の容器を浸漬し、
前記第１の容器をその円形断面の中心を軸として回転させ、
前記第１の容器の回転と同時に前記第１の容器の外側に配置した超音波振動子から、２０〜４０ｋＨｚの超音波を照射して、ナノサイズの金属粒子を作製する。

また、本発明に係る金属粒子作製装置は、断面が円形であって第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子とからなる懸濁液を入れるための第１の容器と、
前記第１の容器を浸漬させる第２の溶媒と、
前記第１の容器を円形断面の中心を軸に回転させる回転機構と、
前記第１の容器の外側に配置した超音波振動子と、
前記第１の容器に前記懸濁液を入れるための送入部と、
前記第１の金属粒子と、ナノサイズの金属粒子とを含む懸濁液を取り出すための排出部と、
を備える。

以上のように、本発明に係る金属粒子の作製方法によれば、撹拌部材でキャビティを壊すことがないと共に、第１の容器が円形断面であるので、断面形状に起因する乱流の発生がなく、キャビティを壊すことがない。また、振動波の反射及び屈折状態が変化しないためキャビテーションが安定する。このため、キャビテーション反応場を有効に使うことができ、ナノ粒子の合成効率を向上させることができる。

実施の形態１に係る金属粒子の作製方法のフローチャートである。 （ａ１）乃至（ａ３）は、金属組成物から金属粒子の個片が発生されるプロセスを示す模式図であり、（ｂ）は、発生した個片が金属粒子を形成するプロセスを示す模式図である。 溶媒粘度と金属粒子の収量との関係を示す図である。 第１の容器の回転数と金属粒子の収量との関係を示す図である。 第１の溶媒と混合した第１の金属粒子に１２００Ｗの超音波を１時間照射した後の金属粒子の収量と粒子径とを示す表１の図である。 （ａ）は、実施の形態２に係る金属粒子作製装置の横断面を示す模式図であり、（ｂ）は、縦断面を示す模式図である。 実施の形態２に係る金属粒子作製装置を用いて超音波を１時間照射して作製した金属粒子の収量と粒子径とを示す表２の図である。 （ａ）は、実施の形態２に係る別例の金属粒子作製装置の横断面を示す模式図であり、（ｂ）は、縦断面を示す模式図である。

第１の態様に係る金属粒子の作製方法は、断面が円形の第１の容器に第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子とからなる懸濁液を入れ、
第２の溶媒の中に前記第１の容器を浸漬し、
前記第１の容器をその円形断面の中心を軸として回転させ、
前記第１の容器の回転と同時に前記第１の容器の外側に配置した超音波振動子から、２０〜４０ｋＨｚの超音波を照射して、ナノサイズの金属粒子を作製する。

上記構成によって、超音波で発生したキャビティを撹拌羽根によって壊すことがなく有効に利用することができると共に、第１の容器が円形断面であるので、断面形状に起因する乱流の発生がなく、キャビティを壊すことがない。また、振動波の反射及び屈折状態が変化しないためキャビテーションが安定する。このため、直径１μｍ以下の金属粒子を効率的に作製することが可能となる。

第２の態様に係る金属粒子の作製方法は、上記第１の態様において、前記第１の溶媒は粘度が０．６〜１０ｍＰａ・sであり、
前記第２の溶媒は水であってもよい。

第３の態様に係る金属粒子の作製方法は、上記第１の態様において、前記第１の容器は１０〜１２０ｒｐｍで回転させてもよい。

第４の態様に係る金属粒子の作製方法は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記第１の金属粒子は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｓｂの群から選ばれた、少なくとも１つの元素を含んでもよい。

第５の態様に係る金属粒子作製装置は、断面が円形であって第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子とからなる懸濁液を入れるための第１の容器と、
前記第１の容器を浸漬させる第２の溶媒と、
前記第１の容器をその円形断面の中心を軸に回転させる回転機構と、
前記第１の容器の外側に配置した超音波振動子と、
前記第１の容器に前記懸濁液を入れるための送入部と、
前記第１の金属粒子と、ナノサイズの金属粒子とを含む懸濁液を取り出すための排出部と、
を備える。

第６の態様に係る金属粒子作製装置は、上記第５の態様において、前記送入部と前記排出部とは、前記第１の容器の回転軸に沿って前記第１の容器の互いに対向する両面にそれぞれ設けられていてもよい。

第７の態様に係る金属粒子作製装置は、上記第６の態様において、前記第１の容器の円形断面の直径が、前記送入部と、前記送入部と前記排出部との間の中央部とで異なってもよい。

第８の態様に係る金属粒子作製装置は、上記第５から第７のいずれかの態様において、複数の前記超音波振動子を、前記第１の容器の円形断面の円周上に沿って配置してもよい。

以下、実施の形態に係る金属粒子の作製方法及び金属粒子作製装置について、添付図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１に係る金属粒子の作製方法は、第２の溶媒中に断面が円形の第１の容器が浸漬され、前記第１の容器に第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子からなる懸濁液を入れながら、前記第１の容器を円形断面の中心を軸として回転させ、同時に前記第１の容器の外側に配置した超音波振動子から、２０〜４０ｋＨｚの超音波を照射して、ナノサイズの金属粒子を得ることを特徴とする。

まず、実施の形態１に係る金属粒子の具体的な作製プロセスを説明する。

＜金属粒子の作製プロセス＞
図１は、実施の形態１に係る金属粒子の作製方法のフローチャートである。
実施の形態１に係る金属粒子の作製方法は、断面が円形の第１の容器の排出口の閉鎖工程１０１と、第１の容器の送入口の開放工程１０２と、第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子からなる懸濁液を第１の容器に送入する懸濁液送入工程１０３と、第１の容器の送入口の閉鎖工程１０４と、第１の容器の回転工程１０５と、超音波照射工程１０６と、第１の容器の排出口の開放工程１０７と、懸濁液排出工程１０８と、第１の容器の排出口の閉鎖工程１０９と、を有する。

（１）第１の容器の排出口の閉鎖工程１０１は、金属粒子の原料であるマイクロサイズの第１の金属粒子と溶媒との混合物である懸濁液を第１の容器に供給する前準備であり、第１の容器の排出口を密閉する工程である。

（２）第１の容器の送入口の開放工程１０２は、金属粒子の原料であるマイクロサイズの第１の金属粒子と溶媒との混合物である懸濁液を第１の容器に供給する前準備であり、第１の容器の送入口を開放する工程である。

（３）懸濁液送入工程１０３は、金属粒子の原料であるマイクロサイズの第１の金属粒子と溶媒との混合物である懸濁液を第１の容器に供給する工程であり、マイクロサイズの第１の金属粒子の融点未満である固体状の原料を第１の容器の中に送入する工程である。

（４）第１の容器の送入口の閉鎖工程１０４は、金属粒子の原料であるマイクロサイズの第１の金属粒子と溶媒との混合物である懸濁液が第１の容器から送入口側に逆流することを防止する工程であり、第１の容器の送入口を閉鎖する工程である。

（５）第１の容器の回転工程１０５は、懸濁液が送入された第１の容器を回転させる工程であり、金属と溶媒の比重差によって、第１の金属粒子が第１の容器の底部に堆積することを防止する工程である。

（６）超音波照射工程１０６は、第１の容器の外側に配置した超音波振動子から超音波を照射する工程であり、固体状の第１の金属粒子に超音波を照射してキャビテーションの衝撃圧を作用させて第１の金属粒子の表面から金属粒子の個片を分離させ、それらをクラスタ化してナノサイズの金属粒子を作製する工程である。なお、第１の容器の回転工程１０５と超音波照射工程１０６とは並行して実施する工程である。

（７）第１の容器の排出口の開放工程１０７は、作製したナノサイズの金属粒子と溶媒の混合物を第１の容器から排出する前準備であり、第１の容器の排出口を開放する工程である。

（８）懸濁液排出工程１０８は、作製したナノサイズの金属粒子と溶媒の混合物を第１の容器から排出する工程であり、作製したナノサイズの金属粒子を第１の容器から回収する工程である。

（９）第１の容器の排出口の閉鎖工程１０９は、作製したナノサイズの金属粒子と溶媒の混合物を第１の容器から排出した後の最終工程であり、第１の容器の排出口を閉鎖する工程である。

＜粒子形成メカニズム＞
図２（ａ１）乃至（ａ３）と図２（ｂ）とは、マイクロサイズの第１の金属粒子１１０からナノサイズの金属粒子１１１が作製されるプロセスを示した模式図である。
図２（ａ１）乃至（ａ３）は、固体状のマイクロサイズの第１の金属粒子１１０から金属粒子のナノサイズの個片１１２が発生する経時プロセスを示す図である。このプロセスは、図１の超音波照射工程１０６である。
第１の溶媒１１３に浸漬させたマイクロサイズの第１の金属粒子１１０は、第１の金属粒子１１０の融点未満の固体状である。ここに超音波１１４を照射すると、疎密波によって第１の溶媒１１３中に微小な気泡１１５が発生する。この気泡１１５が疎と密の状態を繰り返すことで膨張と収縮を繰り返して徐々に成長する（図２（ａ１））。そして、大きく成長した気泡が収縮に耐えられなくなった時に気泡が圧壊して高圧の衝撃波１１６が発生する（図２（ａ２））。この衝撃波１１６がマイクロサイズの第１の金属粒子１１０の表面に作用することで微細なナノサイズの金属粒子の個片１１２が発生する（図２（ａ３））。
図２（ｂ）は、発生した金属粒子のナノサイズの個片１１２がクラスタ化する経時プロセスを示す図である。このプロセスも、図１の超音波照射工程１０６である。
第１の溶媒１１３の内部に数多くの微細なナノサイズの金属粒子の個片１１２が浮遊している。この個片がファンデルワールス力によって凝集してクラスタ化することで微細なナノサイズの金属粒子１１１が形成される。

＜第１の溶媒の粘度＞
図３は、懸濁液を送入した第１の容器を３０ｒｐｍで回転させながら周波数２６ｋＨｚの超音波を１２００Ｗで１時間照射後の第１の溶媒の粘度と金属粒子の収量との関係を示す図である。
図３において、金属粒子の収量は、第１の容器に送入前の溶媒に混合した第１の金属粒子の質量と、第１の容器から排出した溶媒を３０分間静置後に沈殿した金属粒子にならずに残っていた第１の金属粒子の質量との差分である。質量は０．０００１ｇまで測定可能な精密天秤で測定した。
第１の溶媒の粘度が０．６ｍＰａ・ｓの時に最も金属粒子の収量は多く、第１の溶媒の粘度を高粘度側に変化させると金属粒子の収量は減少する。このことから、第１の溶媒の粘度は低い方がよい。しかしながら、第１の溶媒の粘度を低くすると揮発性が高くなり扱いが困難になるため、下限は０．６ｍＰａ・sである。一方で、第１の溶媒の粘度を高くすると金属粒子発生量は減少し、１ｍＰａ・ｓを超えると、金属粒子の収量は３０ｇ／ｈ以下になるため、第１の溶媒の粘度の上限は１０ｍＰａ・ｓが望ましい。なお、第１の溶媒の粘度が１ｍＰａ・ｓ以下であれば、金属粒子の収量は４０ｇ／ｈ以上となるのでなお望ましい。

＜第１の容器の回転数＞
第１の容器の回転数を変化させると懸濁液中の第１の金属粒子の流動性が変化する。そのため、キャビテーションの作用状態に差が生じて、金属粒子の収量が変動する。
図４は、粘度が０．６ｍＰａ・ｓの溶媒と混合した第１の金属粒子に周波数２６ｋＨｚの超音波を１２００Ｗで１時間照射した時の第１の容器の回転数と金属粒子の収量を示す図である。
図４において、金属粒子の収量は、第１の容器に送入前の溶媒に混合した第１の金属粒子の質量と、第１の容器から排出した溶媒を３０分間静置後に沈殿した金属粒子にならずに残っていた第１の金属粒子の質量との差分である。質量は０．０００１ｇまで測定可能な精密天秤で測定した。

第１の容器の回転数が０ｒｐｍの時は金属粒子の収量が少ないが、第１の容器の回転数を高くすると金属粒子の収量が増加し、１０ｒｐｍで金属粒子の収量が３０ｇ／ｈ以上になる。さらに、第１の容器の回転数を高くすると２０ｒｐｍで４０ｇ／ｈ以上になり、３０ｒｐｍで金属粒子の収量が最大になる。４５ｒｐｍを超えると４０ｇ／ｈ未満になり、１２０ｒｐｍを超えると３０ｇ／ｈ未満になる。このことから、第１の容器の回転数は１０ｒｐｍから１２０ｒｐｍの間がよく、望ましくは２０ｒｐｍから４５ｒｐｍの範囲である。

＜第１の金属粒子＞
金属粒子の原料である第１の金属粒子１１０は、例えば、Ｃｕ−３８質量％Ｓｎであるが、第１の金属粒子はＣｕ−３８質量％Ｓｎに限らずＣｕとＳｎの混合比率を変化させてもよい。また、Ｃｕ−Ｓｎの組み合わせに限らず、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｓｂから選ばれた少なくとも１種類の元素を含む金属であればよく、さらにそれら金属からなる金属酸化物でもよい。また、第１の金属粒子は、直径５〜１００μｍの粒子であれば、金属粒子を作製することができるが、直径２０〜４０μｍの粒子であれば更に効率的に作製することができる。

＜金属粒子の収量と粒子径＞
図５の表１は、第１の溶媒と混合した第１の金属粒子に１２００Ｗの超音波を１時間照射した後の金属粒子の収量と粒子径とを示す図である。表１において、金属粒子の収量は、第１の容器に送入前の溶媒に混合した第１の金属粒子の質量と、第１の容器から排出した溶媒を３０分間静置後に沈殿した金属粒子にならずに残っていた第１の金属粒子の質量との差分である。質量は０．０００１ｇまで測定可能な精密天秤で測定した。
金属粒子の大きさに関しては、「メジアン粒子径」なる概念を用いる。このメジアン粒子径は、動的光散乱法による粒子径測定によって得られる体積基準の粒子径分布の積算値の５０％径、いわゆるＤｖ５０を意味する。このメジアン粒子径は、レーザー光を照射した時の散乱光のゆらぎを計測して算出している。本明細書において言及する金属粒子のメジアン径は、サブミクロンサイズの粒子径分布測定に一般的に使用される動的光散乱法粒度分布測定装置（Malvern Panalytical社製、製品番号：ゼータサイザーナノＺＳ）を用いて分散媒として純水を使用して測定した。

＜実施例及び比較例＞
図５の表１の判定の欄において、収量の所定の目安を３０ｇ／ｈとし、それに対して丸印（○）は良い評価を意味し、二重丸印（◎）は十分良い評価を意味し、バツ印（×）、所定の収量を満たさない評価を意味する。収量に関して○または◎の評価であった実験例を「実施例」とし、評価が×であった実験例を「比較例」としている。

[実施例１]
図５の表１の金属粒子として直径３０μｍのＣｕ−３８質量％Ｓｎを粘度０．６Ｐａ・ｓの溶媒と混合して懸濁液とし、第１の容器を３０ｒｐｍで回転させながら、周波数２６ｋＨｚの超音波を１２００Ｗで１時間照射して金属粒子を作製した。この時の金属粒子はメジアン粒子径２７８ｎｍ、収量４３ｇ／ｈであり、この数値は十分な収量であった。

[実施例２〜３および比較例１]
図５の表１の第１の金属粒子として直径３０μｍのＣｕ−３８質量％Ｓｎを用いて、実施例１と同様に、金属粒子を作製して収量を測定した。
表１から分かるように、溶媒粘度が０．６〜１０Ｐａ・ｓであれば収量は３０ｇ／ｈを超えており、十分な収量が得られる。溶媒粘度が２３Ｐａ・ｓでは収量は３０ｇ／ｈ未満に低下するため、収量が必ずしも十分とは言えない。これらの結果から、十分な収量を得るために必要な粘度は０．６〜１０Ｐａ・ｓであり、また、４０ｇ／ｈ以上の収量を得るためには溶媒粘度を０．６〜１．０Ｐａ・ｓにすることが好ましい。

[実施例４〜７および比較例２〜３]
図５の表１の第１の金属粒子として直径３０μｍのＣｕ−３８質量％Ｓｎを用いて、実施例１と同様に、金属粒子を作製して収量を測定した。
表１から分かるように、第１の容器の回転数が１０〜１２０ｒｐｍであれば収量は３０ｇ／ｈを超えており、十分な収量が得られる。第１の容器の回転数が１０ｒｐｍ未満、または１２０ｒｐｍを超では収量は３０ｇ／ｈ未満に低下するため、収量が必ずしも十分とは言えない。これらの結果から、十分な収量を得るために必要な第１の容器の回転数は１０〜１２０ｒｐｍであり、また、４０ｇ／ｈ以上の収量を得るためには第１の容器の回転数を２０〜４５ｒｐｍにすることが好ましい。

[実施例８〜１１]
図５の表１の第１の金属粒子として直径３０μｍのＣｕ−３８質量％Ｓｎを用いて、実施例１と同様に、金属粒子を作製して収量を測定した。
表１から分かるように、第１の金属粒子の粒子径が５〜１５０μｍであれば収量は３０ｇ／ｈを超えており、十分な収量が得られる。

[実施例１２〜１３および比較例４]
図５の表１の第１の金属粒子として直径３０μｍのＣｕ−３８質量％Ｓｎを用いて、実施例１と同様に、金属粒子を作製して収量を測定した。
表１から分かるように、超音波周波数が２０〜４０ｋＨｚであれば収量は３０ｇ／ｈを超えており、十分な収量が得られる。超音波周波数が４０ｋＨｚ超では収量は３０ｇ／ｈ未満に低下するため、収量が必ずしも十分とは言えない。

[実施例１４〜１７]
図５の表１の第１の金属粒子として実施例１とは異なる金属種を用いて、金属粒子を作製して収量を測定した。
表１から分かるように、Ｃｕ−３８質量％Ｓｎ以外の第１の金属粒子の場合も収量は３０ｇ／ｈを超えており、十分な収量が得られる。

＜効果＞
かかる構成によれば、超音波反応場に撹拌部材を置かず、容器の回転により発生させた慣性力で撹拌することで、超音波で発生したキャビティを撹拌羽根によって壊すことがなく有効に利用することができる。また、第１の容器が円形断面であるので、断面形状に起因する乱流の発生がなく、キャビティを壊すことがない。また、振動波の反射及び屈折状態が変化しないためキャビテーションが安定する。このため、直径１μｍ以下の金属粒子を効率的に作製することができる。つまり、本実施の形態１に係る金属粒子の作製方法によれば、キャビティを壊すことがないため、キャビテーション反応場を有効に使うことができ、ナノスケールの金属粒子の合成効率を向上させることができる。

（実施の形態２）
＜装置構造＞
図６（ａ）は、実施の形態２に係る金属粒子作製装置の横断面を示す模式図であり、図６（ｂ）は、縦断面を示す模式図である。なお、図面では、便宜上、回転軸の方向をｘ方向とし、鉛直上方をＺ方向として示している。
実施の形態２に係る金属粒子作製装置は、断面が円形の第１の容器１１７と、前記第１の容器１１７を浸漬させる第２の溶媒１１８と、前記第１の容器１１７にマイクロサイズの第１の金属粒子を混合した懸濁液１１９を入れるための送入部１２０と、ナノサイズの金属粒子を含む懸濁液１２１を取り出すための排出部１２２と、前記第１の容器を円形断面の中心を軸に回転させる回転機構１２３と、前記第１の容器の外側に配置した超音波振動子１２４と、を備えている。この構成にすることで、超音波で発生したキャビティを撹拌羽根によって壊すことがなく有効に利用することができるため、直径１μｍ以下のナノサイズの金属粒子を効率的に作製することが可能となる。

第１の容器１１７には、送入部１２０と排出部１２２が接続されており、各々の流路を開放および閉鎖することのできるバルブ機構（図示せず）が備えられている。このバルブ機構の開閉によって懸濁液の出し入れができる構造になっている。送入部１２０と排出部１２２とは、例えば、図６（ａ）に示すように、第１の容器１１７の回転軸に沿って第１の容器１１７の互いに対向する両面にそれぞれ設けられていてもよい。

第２の容器１２５には第２の溶媒１１８が満たされており、第１の容器１１７は第２の溶媒１１８に浸漬されている。更に、第１の容器１１７の外側には図６（ｂ）に図示するように超音波振動子が設置されており、第２の溶媒１１８と第１の容器１１７を介して懸濁液に超音波を照射することができる構造になっている。

＜第１の容器１１７＞
送入部１２０のバルブ機構を開放して、マイクロサイズの第１の金属粒子を混合した懸濁液１１９を第１の容器１１７内に送入する。第１の容器１１７内の液面が上限まで達すると、空気抜きノズル１２６から入った第１の金属粒子を混合した懸濁液１１９が逆流するので送入を停止して送入部１２０のバルブ機構を閉鎖する。つぎに、第１の容器１１７を回転機構１２３によって回転させ、超音波振動子１２４を作動させる。所定時間の超音波照射が完了したら排出部１２２のバルブ機構を開放して、マイクロサイズの第１の金属粒子と微細なナノサイズの金属粒子とを含む懸濁液１２１を回収する。
第１の容器１１７は図６（ａ）に示すような円筒形ではない形状でも構わない。図８は、第１の容器１２７の中央部の直径が懸濁液の送入部および排出部の直径と異なる形状を示す図である。第１の容器１２７の中央部の直径を大きくすることで第１の金属粒子１１０が第１の容器１２７の中央部に集まるため超音波を効率的に照射することが可能となる。図８（ａ）の場合には、超音波振動子１２４を、例えば２４台配置してもよい。

＜粒子作製性能＞
実施の形態２に係る金属粒子作製装置を用いて、第１の金属粒子１１０に粒子径３０μｍのＣｕ−３８質量％Ｓｎを原料として金属粒子の作製を行った。懸濁液の溶媒としてメタノール、第２の溶媒１１８として水道水を用いた。第１の容器１１７の外側には周波数２６ｋＨｚで出力１００Ｗの超音波振動子１２４を図６（ｂ）に図示するように円形断面の周囲の円周上に沿って１２台配置した。図６（ｂ）では、１２台の超音波振動子１２４を円形断面の円周上に等間隔に配置している。なお、超音波振動子１２４の配置は、円形断面の円周上に等間隔に配置する場合に限定されない。例えば、Ｚ方向上方の頂部に超音波振動子１２４を密に配置してもよい。
ここで、超音波振動子１２４を合計１２００Ｗで動作させると、輻射面から疎密波が発生して第１の容器１１７の内部でキャビテーションが発生する。このキャビテーションが圧壊する際に発生する衝撃圧が第１の金属粒子１１０の表面に作用して、金属粒子のナノサイズの個片１１２が発生する。発生した金属粒子のナノサイズの個片１１２は、第１の容器１１７内部でクラスタ化してナノサイズの金属粒子１１１が形成される。

＜金属粒子の収量と粒子径＞
図７の表２は、実施の形態２に係る金属粒子作製装置を用いて超音波を１時間照射して作製した金属粒子の収量と粒子径を示す図である。表２において、金属粒子の収量は、第１の容器に送入前の溶媒に混合した第１の金属粒子の質量と、第１の容器から排出した溶媒を３０分間静置後に沈殿した金属粒子にならずに残っていた第１の金属粒子の質量の差分である。質量は０．０００１ｇまで測定可能な精密天秤で測定した。
金属粒子の大きさに関しては、実施の形態１と同じく「メジアン粒子径」の概念を用いている。

＜実施例及び比較例＞
表２の判定の欄において、収量の所定の目安を３０ｇ／ｈとし、それに対して丸印（○）は良い評価を意味し、二重丸印（◎）は十分良い評価を意味し、バツ印（×）、所定の収量を満たさない評価を意味する。収量に関して○または◎の評価であった実験例を「実施例」とし、評価が×であった実験例を「比較例」としている。

[実施例１８]
表２の第１の金属粒子として直径３０μｍのＣｕ−３８質量％Ｓｎを粘度０．６Ｐａ・ｓの溶媒と混合して懸濁液とし、第１の容器を２８ｒｐｍで回転させながら、周波数２６ｋＨｚの超音波を１２００Ｗで１時間照射して金属粒子を作製した。この時の金属粒子はメジアン粒子径２８１ｎｍ、収量６２ｇ／ｈであり、この数値は十分な収量であった。

[実施例１９〜２０および比較例５〜６]
表２の第１の金属粒子として直径３０μｍのＣｕ−３８質量％Ｓｎを用いて、実施例１８と同様に、金属粒子を作製して収量を測定した。
表２から分かるように、第１の容器１１７の回転数が１０〜１２０ｒｐｍであれば収量は４０ｇ／ｈを超えており、十分な収量が得られる。第１の容器１１７の回転数が１０ｒｐｍ未満、または１２０ｒｐｍ超の場合は収量が３０ｇ／ｈ未満に低下するため、収量は必ずしも十分とは言えない。

かかる構成によれば、超音波反応場に撹拌部材を置かず、容器の回転により発生させた慣性力で撹拌することで、超音波で発生したキャビティを撹拌羽根によって壊すことがなく有効に利用することができる。また、第１の容器が円形断面であるので、断面形状に起因する乱流の発生がなく、キャビティを壊すことがない。また、振動波の反射及び屈折状態が変化しないためキャビテーションが安定する。このため、直径１μｍ以下の金属粒子を効率的に作製することができる。つまり、本実施の形態２に係る金属粒子作製装置によれば、キャビティを壊すことがないため、キャビテーション反応場を有効に使うことができ、ナノスケールの金属粒子の合成効率を向上させることができる。

なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。

本発明に係る金属粒子の作製方法および作製装置は、超音波反応場に撹拌部材を置かず、容器の回転により発生させた慣性力で撹拌するため、超音波で発生したキャビティを撹拌羽根によって壊すことがなく有効に利用することができる。また、第１の容器が円形断面であるので、断面形状に起因する乱流の発生がなく、キャビティを壊すことがない。また、振動波の反射及び屈折状態が変化しないためキャビテーションが安定する。このため、直径１μｍ以下の金属粒子を効率的に作製することが可能である。そこで、Ｓｉ、ＧａＮ、ＳｉＣ等の材料で形成された半導体素子とリードフレームとを接合する接合材料に用いる粒子径１μｍ以下のナノスケールの金属粒子の作製方法および装置の用途に適用できる。

１０１ 第１の容器の排出口の閉鎖工程
１０２ 第１の容器の送入口の開放工程
１０３ 懸濁液送入工程
１０４ 第１の容器の送入口の閉鎖工程
１０５ 第１の容器の回転工程
１０６ 超音波照射工程
１０７ 第１の容器の排出口の開放工程
１０８ 懸濁液輩出工程
１０９ 第１の容器の排出口の閉鎖工程
１１０ 第１の金属粒子
１１１ 金属粒子
１１２ 金属粒子の個片
１１３ 第１の溶媒
１１４ 超音波
１１５ 気泡
１１６ 衝撃波
１１７ 第１の容器
１１８ 第２の溶媒
１１９ 第１の金属粒子を混合した懸濁液
１２０ 送入部
１２１ 金属粒子を含む懸濁液
１２２ 排出部
１２３ 回転機構
１２４ 超音波振動子
１２５ 第２の容器
１２６ 空気抜きノズル
１２７ 異なる形状の第１の容器

Claims (8)

1. 断面が円形の第１の容器に第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子とからなる懸濁液を入れ、
   第２の溶媒の中に前記第１の容器を浸漬し、
   前記第１の容器をその円形断面の中心を軸として回転させ、
   前記第１の容器の回転と同時に前記第１の容器の外側に配置した超音波振動子から、２０〜４０ｋＨｚの超音波を照射して、ナノサイズの金属粒子を作製する、
   金属粒子の作製方法。
2. 前記第１の溶媒は粘度が０．６〜１０ｍＰａ・sであり、
   前記第２の溶媒は水である、請求項１に記載の金属粒子の作製方法。
3. 前記第１の容器は１０〜１２０ｒｐｍで回転させる、請求項１に記載の金属粒子の作製方法。
4. 前記第１の金属粒子は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｓｂの群から選ばれた、少なくとも１つの元素を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の金属粒子の作製方法。
5. 断面が円形であって第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子とからなる懸濁液を入れるための第１の容器と、
   前記第１の容器を浸漬させる第２の溶媒と、
   前記第１の容器をその円形断面の中心を軸に回転させる回転機構と、
   前記第１の容器の外側に配置した超音波振動子と、
   前記第１の容器に前記懸濁液を入れるための送入部と、
   前記第１の金属粒子と、ナノサイズの金属粒子とを含む懸濁液を取り出すための排出部と、
   を備えた、金属粒子の作製装置。
6. 前記送入部と前記排出部とは、前記第１の容器の回転軸に沿って前記第１の容器の互いに対向する両面にそれぞれ設けられている、請求項５に記載の金属粒子の作製装置。
7. 前記第１の容器の円形断面の直径が、前記送入部と、前記送入部と前記排出部との間の中央部とで異なる、請求項６に記載の金属粒子の作製装置。
8. 複数の前記超音波振動子を、前記第１の容器の円形断面の円周上に沿って配置する、請求項５から７のいずれか一項に記載の金属粒子の作製装置。

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