JP2021165426A - ナノサイズの金属粒子作製装置および金属粒子作製方法 - 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作製装置を提供する。【解決手段】ナノサイズの金属粒子作製装置１００は、第１の溶媒１０１とマイクロサイズの第１の金属粒子１０２とを含む懸濁液が満たされる第１の容器１０３と、第１の容器１０３を浸漬させる第２の溶媒１０４が満たされる第２の容器１０５と、第１の容器１０３から懸濁液を汲み出す吸引装置１０６と、第１の容器１０３の中に設けられ、吸引装置１０６と接続されており、第１の容器１０３の中に懸濁液を噴射可能な噴射口１０７と、第２の溶媒１０４中であって、第１の容器１０３の外側に配置され、第１の容器１０３に向けて超音波を照射可能な超音波振動子１０８と、を備える。【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装置および作製方法に関する。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装置および作製方法に関する。

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とを混合した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。具体的には、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。この方法では直径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。）。具体的には、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。

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

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。

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装置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、本発明に係るナノサイズの金属粒子作製装置は、第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子とを含む懸濁液が満たされる第１の容器と、
前記第１の容器を浸漬させる第２の溶媒が満たされる第２の容器と、
前記第１の容器から前記懸濁液を汲み出す吸引装置と、
前記第１の容器の中に設けられ、前記吸引装置と接続されており、前記第１の容器の中に前記懸濁液を噴射可能な噴射口と、
前記第２の溶媒中であって、前記第１の容器の外側に配置され、前記第１の容器に向けて超音波を照射可能な超音波振動子と、
を備える。

また、本発明に係るナノサイズの金属粒子作製方法は、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が満たされた第１の容器が、第２の溶媒中に浸漬され、
前記第１の容器から吸引装置で汲み出した前記懸濁液を前記第１の容器の中に設けられた噴射口から噴射し、
同時に、前記第２の溶媒中であって前記第１の容器の外側に配置した超音波振動子から前記第１の容器に向けて２０〜４０ｋＨｚの超音波を照射し、前記第１の金属粒子からナノサイズの金属粒子を作製する。

以上のように、本発明に係るナノサイズの金属粒子作製装置によれば、撹拌部材でキャビティを壊すことがない。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。

（ａ）は、実施の形態１に係るナノサイズの金属粒子作製装置の縦断面を示す模式断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ方向から見た横断面を示す模式断面図である。 （ａ１）乃至（ａ３）は、実施の形態１に係るナノサイズの金属粒子作製装置の第２から第４の横断面を示す模式図であり、（ｂ１）乃至（ｂ３）は、第５から第７の縦断面を示す模式図である。 吸引装置と噴射口との間に懸濁液の温度を制御するための冷却装置を備えたナノサイズの金属粒子作製装置の縦断面を示す模式図である。 実施の形態１に係るナノサイズの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１の図である。 実施の形態２に係るナノサイズの金属粒子作製方法のフローチャートである。 （ａ１）乃至（ａ３）は、マイクロサイズの第１の金属粒子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、発生した個片がナノサイズの金属粒子を形成するプロセスを示す模式図である。 ノズルから噴射する懸濁液の流速と流量係数を変化させた時のナノサイズの金属粒子の収量との関係を示す図である。 第１の溶媒と混合したマイクロサイズの第１の金属粒子に１２００Ｗの超音波を１時間照射した後のナノサイズの金属粒子の収量と粒子径とを示す表２の図である。

第１の態様に係るナノサイズの金属粒子作製装置は、第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子とを含む懸濁液が満たされる第１の容器と、
前記第１の容器を浸漬させる第２の溶媒が満たされる第２の容器と、
前記第１の容器から前記懸濁液を汲み出す吸引装置と、
前記第１の容器の中に設けられ、前記吸引装置と接続されており、前記第１の容器の中に前記懸濁液を噴射可能な噴射口と、
前記第２の溶媒中であって、前記第１の容器の外側に配置され、前記第１の容器に向けて超音波を照射可能な超音波振動子と、
を備える。

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。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の態様に係るナノサイズの金属粒子作製装置は、上記第１の態様において、前記噴射口が前記第１の容器の鉛直上方に設けられ、鉛直下方に向けて開口していてもよい。

第３の態様に係るナノサイズの金属粒子作製装置は、上記第１の態様において、前記噴射口が前記第１の容器の鉛直下方に設けられ、鉛直上方に向けて開口していてもよい。

第４の態様に係るナノサイズの金属粒子作製装置は、上記第１から第３のいずれかの態様において、前記吸引装置と前記噴射口との間に前記懸濁液の温度を制御するための冷却装置を備えていてもよい。

第５の態様に係るナノサイズの金属粒子作製方法は、第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子とを含む懸濁液が満たされた第１の容器が、第２の溶媒中に浸漬され、
前記第１の容器から吸引装置で汲み出した前記懸濁液を前記第１の容器の中に設けられた噴射口から噴射し、
同時に、前記第２の溶媒中であって前記第１の容器の外側に配置した超音波振動子から前記第１の容器に向けて２０〜４０ｋＨｚの超音波を照射し、前記第１の金属粒子からナノサイズの金属粒子を作製する。

第６の態様に係るナノサイズの金属粒子作製方法は、上記第５の態様において、前記第１の容器の体積を前記噴射口から噴射する前記懸濁液の１秒当たりの流量で割った数値が３．６〜９．７であってもよい。

第７の態様に係るナノサイズの金属粒子の作製方法は、上記第６の態様において、前記噴射口から０．６ｍ／ｓ〜１．６ｍ／ｓの流速の前記懸濁液を噴出させてもよい。

第８の態様に係るナノサイズの金属粒子作製方法は、上記第５から第７のいずれかの態様において、前記第１の容器に満たされる前記懸濁液は、前記第１の溶媒に対する金属濃度が０．０３３〜０．２００ｇ／ｍＬであってもよい。

第９の態様に係るナノサイズの金属粒子作製方法は、上記第５から第８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、及びＳｂから選ばれた少なくとも１つの元素を含んでもよい。

以下、実施の形態に係るナノサイズの金属粒子作製装置および金属粒子作製方法について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。

（実施の形態１）
＜装置構造＞
図１（ａ）は、実施の形態１に係るナノサイズの金属粒子作製装置１００の縦断面を示す模式断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ方向から見た横断面を示す模式図である。なお、図面では、便宜上、鉛直上方をＺ方向として示し、水平面内をＸ−Ｙ面として、紙面右側に向かってＸ方向としている。
実施の形態１に係るナノサイズの金属粒子作製装置１００は、第１の溶媒１０１とマイクロサイズの第１の金属粒子１０２からなる懸濁液が満たされる第１の容器１０３と、前記第１の容器１０３を浸漬させる第２の溶媒１０４が満たされる第２の容器１０５と、前記第１の容器１０３から前記懸濁液を汲み出す吸引装置１０６と、前記第１の容器１０３に設けられた噴射口１０７と、前記第１の容器１０３の外側に配置した前記第２の溶媒中１０４の超音波振動子１０８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１０３には送入部１０９、吸引装置１０６と噴射口１０７の間には排出部１１０が接続されており、送入部１０９と排出部１１０との各流路を開放および閉鎖することのできる送入部バルブ機構１１１と排出部バルブ機構１１２とが備えられている。このバルブ機構１１１、１１２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１０９は、例えば、図１（ａ）に示すように、第１の容器１０３の上部（鉛直上方）から第１の容器１０３の壁面に沿って第１の容器１０３の底部（鉛直下方）に向けて設けられていてもよい。

第２の容器１０５には第２の溶媒１０４が満たされており、第１の容器１０３は、第２の溶媒１０４に浸漬されている。更に、第１の容器１０３の外側には図１（ｂ）に図示するように超音波振動子１０８が設置されており、第２の溶媒１０４と第１の容器１０３とを介して第１の容器１０３内の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。

以下に、この金属粒子作製装置１００を構成する各部材について説明する。

＜第１の容器１０３＞
送入部１０９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を第１の容器１０３内に送入する。第１の容器１０３内の液面が上限まで達すると、液面センサ（図示せず）が作動し、送入部バルブ機構１１１を閉鎖して送入を停止する。つぎに、吸引装置１０６を作動させ、懸濁液を噴射口１０７から噴射しながら、超音波振動子１０８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１１０の排出部バルブ機構１１２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を回収する。

第１の容器１０３は、図１（ａ）に示すような円筒形ではない形状でも構わない。図２（ａ１）乃至（ａ３）は、第１の容器１０３の直径が上部（鉛直上方）と下部（鉛直下方）とで異なる形状を示す図である。図２（ａ１）に示すように、第１の容器１０３の上部の直径を大きくすることで、第１の容器１０３上部での懸濁液の金属濃度を低くすることができるため、超音波の減衰が抑えられ、より微細なナノサイズの金属粒子を作製することができる。また、図２（ａ２）に示すように、第１の容器１０３の上部の直径を小さくすることで、第１の容器１０３上部での懸濁液の金属濃度を高くすることができるため、吸引装置１０６による循環効率が向上し、収量を高めることができる。さらに、図２（ａ３）に示すように、第１の容器１０３の下部を凹面形状にすることで、噴射口１０７からの懸濁液の噴射エネルギーを集中させることができるため、マイクロサイズの第１の金属粒子１０２を効率的に分散させることができる。

図２（ｂ１）乃至（ｂ３）は、第１の容器１０３の横断面形状が円形ではない形状を示す図である。図２（ｂ１）では第１の容器１０３のＸ−Ｙ平面内の横断面形状は正方形であり、図２（ｂ２）では五角形であり、図２（ｂ３）では六角形である。図２（ｂ１）乃至（ｂ３）の場合には、超音波振動子１０８を、第１の容器１０３の横断面の形状に合わせてＺ方向に互いに平行に配置してもよい。

＜冷却装置＞
図３は、吸引装置１０６と噴射口１０７との間に懸濁液の温度を制御するための冷却装置１０９を備えたナノサイズの金属粒子作製装置１００ａの縦断面を示す模式断面図である。
この金属粒子作製装置１００ａでは、第１の溶媒１０１に超音波振動子１０８から超音波を照射すると、第１の溶媒１０１の内部でキャビテーションが発生する。キャビテーションは、気泡の膨張と収縮の繰り返しであり、気泡の圧壊時には５０００Ｋに達する高温のホットスポットが発生する。このため、超音波照射に伴い第１の溶媒１０１の温度は上昇していく。温度が上昇すると第１の溶媒１０１の蒸気圧が高くなるためキャビテーション発生頻度が低下し、ナノサイズの金属粒子の収量が低下する。吸引装置１０６と噴射口１０７との間に第１の溶媒１０１とマイクロサイズの第１の金属粒子１０２からなる懸濁液の温度を制御するための冷却装置１０９を備えることによって、ナノサイズの金属粒子の収率を高めることができる。

＜粒子作製性能＞
実施の形態１に係るナノサイズの金属粒子作製装置を用いて、マイクロサイズの第１の金属粒子１０２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。第１の溶媒１０１として２−プロパノールを用い、第２の溶媒１０４として水道水を用いた。第１の容器１０３の外側には周波数２６ｋＨｚで出力１００Ｗの超音波振動子１０８を図１（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１（ｂ）では、１２台の超音波振動子１０８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１０８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。

ここで、超音波振動子１０８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１０３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マイクロサイズの第１の金属粒子１０２の表面に作用して、金属粒子のナノサイズの個片が発生する。発生した金属粒子のナノサイズの個片は、第１の容器１０３内部でクラスタ化してナノサイズの金属粒子が形成される。

＜金属粒子の収量と粒子径＞
図４の表１は、実施の形態１に係るナノサイズの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＞
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（×）は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］
マイクロサイズの第１の金属粒子として直径３０μｍのＣｕ−３８質量％Ｓｎを２−プロパノールと混合して懸濁液とし、内径１．４ｃｍのノズルから、流速１．１ｍ／ｓで噴射させながら、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４８ｇ／ｈであり、この数値は十分な収量であった。

［実施例２〜６および比較例１〜２］
マイクロサイズの第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。

図４の表１から分かるように、実施例２から実施例６の条件であれば収量は３０ｇ／ｈを超えており、十分な収量が得られる。比較例１と比較例２の条件の場合は収量が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、噴射口から懸濁液を噴射して撹拌することで、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。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。

＜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、噴射口から懸濁液を噴射するエネルギーにより発生させた圧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。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に係るナノサイズの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）
実施の形態２に係るナノサイズの金属粒子の作製方法は、第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子とを含む懸濁液が満たされた第１の容器が、第２の溶媒中に浸漬され、吸引装置で汲み出した懸濁液を第１の容器の中に設けられた噴射口から噴射し、同時に第１の容器の外側に配置した第２の溶媒中の超音波振動子から第１の容器に向かって２０〜４０ｋＨｚの超音波を照射し、第１の金属粒子からナノサイズの金属粒子を作製することを特徴とする。

まず、実施の形態２に係るナノサイズの金属粒子の具体的な作製プロセスを説明する。

＜ナノサイズの金属粒子の作製プロセス＞
図５は、実施の形態２に係るナノサイズの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２に係るナノサイズの金属粒子の作製方法は、排出部バルブの閉鎖工程２０１と、送入部バルブの開放工程２０２と、マイクロサイズの第１の金属粒子と第１の溶媒とを含む懸濁液を第１の容器に送入する懸濁液送入工程２０３と、送入部バルブの閉鎖工程２０４と、吸引装置を作動させて噴射口から懸濁液を噴射させる噴射工程２０５と、超音波照射工程２０６と、排出部バルブの開放工程２０７と、懸濁液排出工程２０８と、排出部バルブの閉鎖工程２０９と、を有する。

以下に、ナノサイズの金属粒子の作製方法の各工程について説明する。
（１）排出部バルブの閉鎖工程２０１は、ナノサイズの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）送入部バルブの開放工程２０２は、ナノサイズの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２０３は、ナノサイズの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）送入部バルブの閉鎖工程２０４は、ナノサイズの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）吸引装置による懸濁液の噴射工程２０５は、吸引装置を作動させて第１の容器から懸濁液を吸い上げ、噴射口から第１の容器内に噴射する工程であり、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２０６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る。この工程は、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、吸引装置による懸濁液の噴射工程２０５と超音波照射工程２０６とは並行して実施する工程である。
（７）排出部バルブの開放工程２０７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２０８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）排出部バルブの閉鎖工程２０９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。
以上によって、ナノサイズの金属粒子を得ることができる。

＜粒子形成メカニズム＞
図６（ａ１）乃至（ａ３）と図６（ｂ）とは、マイクロサイズの第１の金属粒子２１０からナノサイズの金属粒子２１１が作製されるプロセスを示した模式図である。
図６（ａ１）乃至（ａ３）は、固体状のマイクロサイズの第１の金属粒子２１０から金属粒子のナノサイズの個片２１２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５の超音波照射工程２０６である。
第１の溶媒２１３に浸漬させたマイクロサイズの第１の金属粒子２１０は、第１の金属粒子２１０の融点未満の固体状である。ここに超音波２１４を照射すると、疎密波によって第１の溶媒２１３中に微小な気泡２１５が発生する。この気泡２１５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６（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２１６が発生する（図６（ａ２））。この衝撃波２１６がマイクロサイズの第１の金属粒子２１０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２１２が発生する（図６（ａ３））。
図６（ｂ）は、発生した金属粒子のナノサイズの個片２１２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５の超音波照射工程２０６である。

第１の溶媒２１３の内部に数多くの微細なナノサイズの金属粒子の個片２１２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２１１が形成される。

＜流量係数＞
図７は、吸引装置を作動させ、噴出口から懸濁液を噴出させながら周波数２６ｋＨｚの超音波を１２００Ｗで１時間照射後の収量を示す図である。横軸は、噴出口から噴出する懸濁液の流速であり、縦軸は、第１の容器の体積を、噴射口から１秒当たりに噴射される懸濁液の体積で除した流量係数なる数値である。

図７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。収量が４０ｇ／ｈ以上の場合は二重丸印（◎）、４０ｇ／ｈ未満かつ３０ｇ／ｈ以上の場合は丸印（〇）、３０ｇ／ｈ未満の場合はバツ印（×）で表している。

流速が０．６〜１．６ｍ／ｓであり、かつ流量係数が３．６〜９．７の場合は収量が３０ｇ／ｈ以上であり良い結果である。さらに、流速が１．０〜１．２ｍ／ｓであり、かつ流量係数が５．５〜７．６の場合は収量が４０ｇ／ｈ以上であり十分に良い結果である。流速が０．６〜１．６ｍ／ｓの範囲であっても流量係数が９．７を超えるか、あるいは３．６を下回ると、収量は３０ｇ／ｈ未満になる。また、流量係数が３．６〜９．７の範囲であっても流速が１．６ｍ／ｓを超えるか、０．６ｍ／ｓを下回ると、収量は３０ｇ／ｈ未満になる。流速が１．６ｍ／ｓを超えると乱流が顕著になるためキャビテーションが破壊され金属粒子の微細化が進みにくくなっていると考えられる。この現象は流量係数が小さくなると、更に顕著になると考えられる。また、流速が０．６ｍ／ｓを下回るとマイクロサイズの金属粒子の撹拌効果が低下するため金属粒子の微細化が進みにくくなっていると考えられる。この現象は流量係数が大きくなると、更に顕著になると考えられる。

＜第１の金属粒子＞
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１０２は、例えば、Ｃｕ−３８質量％Ｓｎの合金であるが、マイクロサイズの第１の金属粒子はＣｕ−３８質量％Ｓｎの合金に限らずＣｕとＳｎの混合比率を変化させた合金であってもよい。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、マイクロサイズの第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８の表２は、第１の溶媒と混合したマイクロサイズの第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、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＞
図８の表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（×）は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７］
図８の表２の金属粒子として直径３０μｍのＣｕ−３８質量％Ｓｎを２−プロパノールと混合して懸濁液とし、内径１．４ｃｍのノズルから、流速１．０ｍ／ｓで噴射させながら、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２２３ｎｍ、収量４５ｇ／ｈであり、この数値は十分な収量であった。

［実施例８〜１８および比較例３〜４］
図８の表２のマイクロサイズの第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７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、噴射口からの流速が０．６〜１．６ｍ／ｓであり、流量係数が３．６〜９．７であり、かつ金属濃度が０．０３〜０．２０ｇ／ｍＬ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。一方、流速が１．８ｍ／ｓ、あるいは流速が０．３ｍ／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流量は０．６〜１．６ｍ／ｓであり、また、４０ｇ／ｈ以上の収量を得るためには流速を１．０〜１．２ｍ／ｓであり、かつ流量係数を５．５〜７．６にすることが好ましい。

［実施例１９〜２０］
図８の表２のマイクロサイズの第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７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、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。

［実施例２１〜２４］
図８の表２のマイクロサイズの第１の金属粒子として実施例７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２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。

［比較例５〜６］
図８の表２のマイクロサイズの第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７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、流量係数が３．６未満、または９．７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流量係数は３．６〜９．７であり、また、４０ｇ／ｈ以上の収量を得るためには流量係数を５．５〜７．６にすることが好ましい。

［比較例７〜８］
図８の表２のマイクロサイズの第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７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、金属濃度が０．０３ｇ／ｍＬ未満、または０．２３ｇ／ｍＬ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金属濃度は０．０３〜０．２０ｇ／ｍＬである。

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。

本発明に係るナノサイズの金属粒子作製装置および金属粒子作製方法では、超音波反応場に撹拌部材を置かず、噴射口から懸濁液を噴射するエネルギーにより発生させた圧力で撹拌する。これによって、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。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。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、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以下のナノサイズの金属粒子の作製装置および方法の用途に適用できる。

１００、１００ａ 金属粒子作製装置
１０１ 第１の溶媒
１０２ マイクロサイズの第１の金属粒子
１０３ 第１の容器
１０４ 第２の溶媒
１０５ 第２の容器
１０６ 吸引装置
１０７ 噴射口
１０８ 超音波振動子
１０９ 送入部
１１０ 排出部
１１１ 送入部バルブ機構
１１２ 排出部バルブ機構

Claims (9)

1. 第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子とを含む懸濁液が満たされる第１の容器と、
   前記第１の容器を浸漬させる第２の溶媒が満たされる第２の容器と、
   前記第１の容器から前記懸濁液を汲み出す吸引装置と、
   前記第１の容器の中に設けられ、前記吸引装置と接続されており、前記第１の容器の中に前記懸濁液を噴射可能な噴射口と、
   前記第２の溶媒中であって、前記第１の容器の外側に配置され、前記第１の容器に向けて超音波を照射可能な超音波振動子と、
   を備えた、ナノサイズの金属粒子作製装置。
2. 前記噴射口が前記第１の容器の鉛直上方に設けられ、鉛直下方に向けて開口している、請求項１に記載のナノサイズの金属粒子作製装置。
3. 前記噴射口が前記第１の容器の鉛直下方に設けられ、鉛直上方に向けて開口している、請求項１に記載のナノサイズの金属粒子作製装置。
4. 前記吸引装置と前記噴射口との間に前記懸濁液の温度を制御するための冷却装置を備えた、請求項１から３のいずれか一項に記載のナノサイズの金属粒子作製装置。
5. 第１の溶媒とマイクロサイズの第１の金属粒子とを含む懸濁液が満たされた第１の容器が、第２の溶媒中に浸漬され、
   前記第１の容器から吸引装置で汲み出した前記懸濁液を前記第１の容器の中に設けられた噴射口から噴射し、
   同時に、前記第２の溶媒中であって前記第１の容器の外側に配置した超音波振動子から前記第１の容器に向けて２０〜４０ｋＨｚの超音波を照射し、前記第１の金属粒子からナノサイズの金属粒子を作製する、ナノサイズの金属粒子作製方法。
6. 前記第１の容器の体積を前記噴射口から噴射する前記懸濁液の１秒当たりの流量で割った数値が３．６〜９．７である、請求項５に記載のナノサイズの金属粒子作製方法。
7. 前記噴射口から０．６ｍ／ｓ〜１．６ｍ／ｓの流速の前記懸濁液を噴出させる、請求項６に記載のナノサイズの金属粒子作製方法。
8. 前記第１の容器に満たされる前記懸濁液は、前記第１の溶媒に対する金属濃度が０．０３３〜０．２００ｇ／ｍＬである、請求項５から７のいずれか一項に記載のナノサイズの金属粒子作製方法。
9. 前記第１の金属粒子は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、及びＳｂから選ばれた少なくとも１つの元素を含む、請求項５から８のいずれか一項に記載のナノサイズの金属粒子作製方法。

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