JP6770323B2 - 金属粒子の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属粒子、例えばはんだ合金などの金属材料から成る金属粒子の製造方法および製造装置に関する。

金属材料から成る金属粒子は種々の用途に使用されている。例えば、電子回路基板に電子部品を実装（はんだ付け）するために用いられているソルダーペーストは、はんだ合金から成る金属粒子をフラックスと混合して製造されている。

かかる金属粒子の製造方法として、遠心噴霧法、ガス噴霧を併用した遠心噴霧法、超音波分散法、超音波破砕法が知られている。遠心噴霧法は、チャンバー内に設けた高速回転するディスク上に、溶融した金属材料を滴下して、遠心力により金属材料を飛散させて金属粒子を製造するものである（特許文献１を参照のこと）。ガス噴霧を併用した遠心噴霧法は、上記の遠心噴霧法をより微細な金属粒子を製造するために改変したものであり、チャンバー内に設けた高速回転するディスク上に、溶融した金属材料をガス噴霧により数１０〜数１００μｍの液滴の形態で吹きつけて、ディスク上により薄い溶融金属膜を生成させ、遠心力により金属材料を飛散させて金属粒子を製造するものである（特許文献２を参照のこと）。超音波分散法は、金属材料の融点以上の温度に保持した加熱媒体中に金属材料を投入し、溶融した金属材料（融液）に超音波エネルギーを負荷し、より具体的には金属材料の融液を加熱媒体と一緒に撹拌しながらこれらの混合物に超音波振動を直接負荷することにより、金属材料の融液を微細な液滴に分割して加熱媒体中で分散させ、次いでこの液滴を冷却凝固させて金属粒子を製造するものである（特許文献３を参照のこと）。超音波破砕法は、溶媒中に配置した固体の金属塊（代表的には金属箔）に、溶媒を媒質として超音波を照射し、これによって生じる超音波キャビテーションにより金属塊を破砕して金属粒子を得るものである（特許文献４を参照のこと）。

特開平７−１７９９１２号公報 特許第３５１１０８２号公報 特開平９−４９００７号公報 特開２０１１−８９１５６号公報

ソルダーペーストを用いた典型的な電子部品の実装工程において、ソルダーペーストは所定の開口パターンが設けられたメタルマスクを通じて電子回路基板の所定の領域に供給された後、その上にＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）、ＱＦＮ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｎｏ−Ｌｅａｄｓ）等の半導体パッケージや、コンデンサ、抵抗およびコイル等のチップ部品、ならびにその他の各種電子部品が配置され、リフロー炉にて加熱されて、ソルダーペースト中のはんだ合金から成る金属粒子（はんだ粒子）が溶融し、その後、凝固することにより、電子部品が電子回路基板に実装される。

近年、スマートフォン、タブレット等の電子機器の高機能化と小型軽量化に伴い、電子回路の微細化が一層進んでいる。半導体パッケージの端子間ピッチは、従来、０．５ｍｍ、０．４ｍ、０．３ｍｍであったが、０．２ｍｍへと短縮されてきている。また、チップ部品のサイズは、従来、１６０８（１．６ｍｍ×０．８ｍｍ）、１００５（１．０ｍｍ×０．５ｍｍ）、０４０２（０．４ｍｍ×０．２ｍｍ）であったが、０２０１（０．２ｍｍ×０．１ｍｍ）へと小型化してきている。更に、ＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）のガラス基板にフィルム基板を接合するＦＯＧ（Ｆｉｌｍ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）の端子間ピッチは０．１ｍｍであり、ＦＰＤのガラス基板にドライバーＩＣを接合するＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）の端子間ピッチは０．０３ｍｍである。

かかる状況下、これら電子部品を実装するためのソルダーペーストに含まれるはんだ合金から成る金属粒子（はんだ粒子）の粒径を小さくすることが望まれている。例えば、従来代表的な０．５ｍｍピッチＢＧＡの電極サイズは直径０．２５ｍｍであり、このＢＧＡをはんだ付けするためのソルダーペーストでは、２０〜３８μｍの粒径分布を有するはんだ粒子が使用されている。これに対して、０．２ｍｍピッチＢＧＡの電極サイズは直径０．１ｍｍであり、従来の２０〜３８μｍの粒径分布を有するはんだ粒子ではメタルマスクの開口部で目詰まりを起こしてしまい、安定したはんだ付けができないため、１０〜２５μｍの粒径分布を有するはんだ粒子を使用することが求められている。また、１６０８サイズのチップ部品の電極サイズは０．８ｍｍ×０．８ｍｍであり、このチップ部品をはんだ付けするためのソルダーペーストでは、２０〜３８μｍの粒径分布を有するはんだ粒子が使用されている。これに対して、０２０１サイズのチップ部品の電極サイズは０．１ｍｍ×０．１ｍｍであり、従来の２０〜３８μｍの粒径分布を有するはんだ粒子ではメタルマスクの開口部で目詰まりを起こしてしまい、安定したはんだ付けができないため、１０〜２５μｍの粒径分布を有するはんだ粒子を使用することが求められている。更に、端子間ピッチ０．１ｍｍのＦＯＧは、電極幅が０．０５ｍｍと狭いため、２〜１２μｍの微細な粒径分布を有するはんだ粒子が求められ、端子間ピッチ０．０３ｍｍのＣＯＧは、電極幅が０．０１５ｍｍと更に狭いため、１〜６μｍの一層微細な粒径分布を有するはんだ粒子が求められている。また、目詰まりを起こし難くするには、はんだ粒子の形状は球形であることが好ましい。

しかしながら、上述した従来既知の金属粒子の製造方法では、このように小さな粒径、例えば１０μｍ以下の粒径を有する球状の金属粒子を効率的に得ることは困難である。特許文献１の遠心噴霧法では、ディスクの回転数（２５，０００〜１２０，０００ｒｐｍ）が大きくなると、ディスク上の溶融金属の膜厚が薄くなるため、粒径の小さな金属粒子を製造することができるが、ディスクの回転数はモータ性能により制約されるため、２０μｍより小さな粒径を有する金属粒子を得ることは困難である。特許文献２のガス噴霧を併用した遠心噴霧法では、１３μｍ以下の粒径を有する金属粒子が得られる旨が記載されているが、この方法により製造された粒子全体に占める粒径１３μｍ以下の金属粒子の質量割合はわずか３質量％程度でしかなく、粒径１０μｍ以下の金属粒子を効率的に製造することは困難である。特許文献３の超音波分散法では、１１〜１０２μｍの平均粒径を有する金属粒子が得られる旨が記載されており、負荷する超音波の周波数が大きいほど粒径の小さな金属粒子が製造されているが、粒径１０μｍ以下の金属粒子を効率的に製造することは困難である。特許文献４の超音波破砕法では、超音波の周波数、強度および照射時間を調整することで４０ｎｍ〜１μｍの粒径（ＦＥ−ＳＥＭ観察）を有する金属粒子が得られる旨が記載されているが、キャビテーションの衝撃圧で固体の金属塊を破砕して粒子を製造するため、得られる金属粒子は球状ではなく不定形になるという問題がある。

本発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、小さな粒径、例えば１０μｍ以下の粒径を有する球状の金属粒子を優れた生産効率で得ることが可能な、新規な金属粒子の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの要旨によれば、
金属材料を、該金属材料の融点以上に加熱された第１の液状媒体中にて溶融させること、および
前記第１の液状媒体中で溶融した前記金属材料に、第２の液状媒体中で超音波振動子を作動させることによって発生する衝撃波を照射して、該第１の液状媒体中で該金属材料から金属粒子を得ること
を含む、金属粒子の製造方法が提供される。

本発明の上記金属粒子の製造方法によれば、第１の液状媒体中で溶融した金属材料に、第２の液状媒体中で超音波振動子を作動させることによって発生する衝撃波を、第２の液状媒体から第１の液状媒体へと伝播させて照射しているので、溶融した金属材料にキャビテーションによる衝撃波を作用させて、第１の液状媒体中で金属粒子の液滴を形成することができ、これにより、小さな粒径、例えば１０μｍ以下の粒径を有する球状の金属粒子を優れた生産効率で得ることができる。

本発明のもう１つの要旨によれば、
第１の液状媒体を収容するための第１の槽と、
第２の液状媒体を、前記第１の槽の周囲にて収容するための第２の槽と、
前記第１の槽の外側かつ前記第２の槽の内側にて第２の液状媒体中に配置される超音波振動子と
を含み、前記第１の槽内で金属材料が該金属材料の融点以上に加熱された第１の液状媒体中で溶融し、前記第２の槽内で第２の液状媒体中で前記超音波振動子が作動することによって発生する衝撃波が、前記第１の槽内で第１の液状媒体中で溶融した該金属材料に照射されて、第１の液状媒体中で該金属材料から金属粒子を生じる、金属粒子の製造装置が提供される。

本発明の上記金属粒子の製造装置によれば、超音波振動子は、第１の槽の外側かつ第２の槽の内側にて第２の液状媒体中に配置され、第１の液状媒体中で溶融した金属材料に、第２の液状媒体中で超音波振動子を作動させることによって発生する衝撃波が、第２の液状媒体から第１の液状媒体へと伝播させて照射されることとなるので、溶融した金属材料にキャビテーションによる衝撃波を作用させて、第１の液状媒体中で金属粒子の液滴を形成することができ、これにより、小さな粒径、例えば１０μｍ以下の粒径を有する球状の金属粒子を優れた生産効率で得ることができる。

本発明によれば、小さな粒径、例えば１０μｍ以下の粒径を有する球状の金属粒子を優れた生産効率で得ることが可能な、新規な金属粒子の製造方法および製造装置を提供することができる。

本発明の１つの実施形態における金属粒子の製造装置の概略断面図を示す。 本発明の１つの実施形態における金属粒子の製造方法を示すフローチャートを示す。 本発明のもう１つの実施形態における金属粒子の製造装置の概略構成図を示す。 実施例１で得られた金属粒子の電子顕微鏡写真を示す。 実施例１で得られた金属粒子の粒子径分布を示す。 実施例２で得られた金属粒子の粒子径分布を示す。 実施例３で得られた金属粒子の粒子径分布を示す。 実施例１〜３で用いた第１の液状媒体の粘度と、これにより得られた粒径１〜６μｍの金属粒子の歩留りとの関係を示す。 実施例４で得られた金属粒子の粒子径分布を示す。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれら実施形態に限定されない。

（実施形態１）
本発明の金属粒子の製造方法は、金属材料を、金属材料の融点以上に加熱された第１の液状媒体中にて溶融させること、および第１の液状媒体中で溶融した前記金属材料に、第２の液状媒体中で超音波振動子を作動させることによって発生する衝撃波を照射して、該第１の液状媒体中で該金属材料から金属粒子を得ることを含む。

本実施形態における金属粒子の製造方法は、図１に示す金属粒子の製造装置２００を用いて実施され得る。金属粒子の製造装置２００は、図１を参照して、第１の液状媒体２０２を収容するための第１の槽２０１と、第１の槽２０１が入れられ、第２の液状媒体２０４を第１の槽２０１の周囲にて収容するための第２の槽２０３と、第１の槽２０１の外側かつ第２の槽２０３の内側にて第２の液状媒体２０４中に配置される超音波振動子２０７とを含む。

本実施形態の金属粒子の製造方法は、図１および図２に示すように、金属材料２０５を第１の液状媒体２０２に浸漬し、第１の液状媒体２０２を金属材料２０５の融点以上に加熱し、第１の液状媒体２０２（および金属材料２０５）を入れている第１の槽２０１を、超音波振動子２０７が浸漬されている第２の液状媒体２０４に浸漬し、超音波キャビテーションを金属材料２０５の表面に作用させると、溶融した金属材料２０５から球状の金属粒子２０６が形成される。以下、より詳細に説明する。

まず、金属粒子の原料となる金属材料を準備する。金属材料は、第１の液状媒体中で溶融させ得る（換言すれば、金属材料の融点が第１の液状媒体の沸点よりも低い）限り、特に限定されず、任意の金属材料（任意の単体金属または任意の金属組成を有する２つ以上の金属の合金または複合体）を使用し得る。例えば、主成分（即ち、金属材料の５０質量％以上を占める成分）がＳｎまたはＢｉである金属材料を使用できる。また、金属材料は、第１の液状媒体中で金属粒子の液滴を形成し得るのに適した密度を有することが好ましい。金属材料の密度は、例えば５ｇ／ｃｍ^３以上１２ｇ／ｃｍ^３以下であり得、好ましくは６ｇ／ｃｍ^３以上１１ｇ／ｃｍ^３以下、より好ましくは７ｇ／ｃｍ^３以上１０ｇ／ｃｍ^３以下である。ＳｎまたはＢｉを主成分とし、かつ、５ｇ／ｃｍ^３以上１２ｇ／ｃｍ^３以下の密度を有する金属材料の例としては、Ｓｎ−５８ｍａｓｓ％Ｂｉ（融点１３８℃、比重８．７６ｇ／ｃｍ^３）、Ｂｉ−４５ｍａｓｓ％Ｉｎ（融点９８℃、比重８．６７ｇ／ｃｍ^３）、Ｂｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎ（融点１２５℃、比重８．９９ｇ／ｃｍ^３）、Ｓｎ−１３ｍａｓｓ％Ｓｂ（融点２７０℃、比重７．２７ｇ／ｃｍ^３）、Ｓｎ−３ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｃｕ（融点２１９℃、比重７．４６ｇ／ｃｍ^３）、Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６ｍａｓｓ％Ｉｎ（融点２０６℃、比重７．４８ｇ／ｃｍ^３）、Ｂｉ−３ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｃｕ（融点２６０℃、比重９．８０ｇ／ｃｍ^３）、１００ｍａｓｓ％Ｓｎ（融点２３２℃、比重７．３６ｇ／ｃｍ^３）等が挙げられるが、これらに限定されない。なお、合金組成の表示において一般的に理解され得るように、数字が付されていない金属は、その合金組成の残部を占めていることを意味する。

次に、第１の液状媒体および第２の液状媒体を準備する。これら液状媒体は、後述する超音波振動子から発生する超音波の媒体として機能する。液状媒体は、超音波を効率的に伝播させることができる。

第１の液状媒体は、金属材料の融点より高い沸点を有し、熱的に安定なもの（換言すれば、金属材料を溶融させるための加熱状態において分解しないまたは分解し難いもの）が使用される。第１の液状媒体の沸点は、金属材料の融点より１００℃高いことが好ましく、１３０℃高いことがより好ましい（なお、本明細書において沸点の値を記載する場合、代表的に、常圧下での沸点を言うものとする。以下も同様）。第１の液状媒体の粘度は、最終的に得られる金属粒子の粒径に影響し、第１の液状媒体の粘度が高いほうが、より小さな粒径の金属粒子をより多く得ることができる。本発明を限定するものではないが、第１液状媒体の粘度は、例えば２〜３００ｍＰａ・ｓの範囲で、使用する金属材料ならびに目標とする金属粒子の粒径範囲および歩留り等に応じて適宜選択され得る（なお、本明細書において粘度の値を記載する場合、大気圧下、２５℃にて測定される粘度を言うものとする。以下も同様）。第１の液状媒体の例としては、ブチルトリグリコール（ＢＴＧ：沸点２７１℃、粘度８．１ｍＰａ・ｓ）、メチルトリグリコール（ＭＴＧ：沸点２４９℃、粘度７．５ｍＰａ・ｓ）、ジブチルジグリコール（ＤＢＤＧ：沸点２５４℃、粘度２．４ｍＰａ・ｓ）、ヘキシルジグリコール（ＨｅＤＧ：沸点２５９℃、粘度８．６ｍＰａ・ｓ）および２−エチルヘキシルジグリコール（ＥＨＤＧ：沸点２７２℃、粘度１０．４ｍＰａ・ｓ）等のグリコール系溶媒、２−エチル−１，３−ヘキサンジオール（沸点２４４℃、粘度２７１ｍＰａ・ｓ）および２−エチルヘキサノール（沸点１８５℃、粘度９．８ｍＰａ・ｓ）等のアルコール系溶媒、ターピネオール（沸点２１９℃、粘度３６ｍＰａ・ｓ）およびジヒドロターピネオール（沸点２１０℃、粘度８３ｍＰａ・ｓ）等のテルペン系溶媒等が挙げられる。

第２の液状媒体は、第１の液状媒体とは異なり、特に限定されない。第２の液状媒体の沸点は、第１の液状媒体の沸点より低くてよく、これにより、第２の液状媒体は、第１の液状媒体よりも幅広い範囲の種々の液状媒体から選択することが可能である。更に、第２の液状媒体の沸点は、金属粒子を製造している間に亘って第２の液状媒体を沸点以下に維持できる限り、金属材料の融点より低くてもよく、これにより、第２の液状媒体は、より一層幅広い範囲の種々の液状媒体から選択することが可能である。第２の液状媒体の例としては、水（沸点１００℃）、エタノール（沸点７８℃）、イソプロピルアルコール（沸点８３℃）などが挙げられ、任意の液体を利用できる。第２の液状媒体は、通常、第１の液状媒体と異なるが、第１の液状媒体と（第１の槽の）隔壁により隔離されている限り、第１の液状媒体と同じものを用いてもよい。

これら第１の液状媒体および第２の液状媒体は、それぞれ第１の槽および第２の槽に入れられる。第２の槽内には、超音波振動子が、少なくともその超音波振動表面が第２の液状媒体に対して露出するように設置されており、投込みタイプの超音波振動子の場合には、その全体が第２の液状媒体に浸漬され得る。第１の槽は、超音波振動子から発生される超音波を第２の液状媒体から第１の液状媒体へ効率的に伝播し得るように、厚さおよび材質等が選択され得る。第１の槽の厚さは、例えば１．０ｍｍ以下、代表的には０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であり得る。第１の槽の材質は、例えば耐熱ガラス、セラミックなどであってよい。第２の槽は、特に限定されず、任意の適切な厚さおよび材質等で構成され得る。超音波振動子は、一般的に超音波発振器からの高周波電力を受けて振動し、かかる振動により超音波を発生する部材を言う。本発明において、超音波振動子には、第２の液状媒体中で適切な周波数の超音波を発生させ得る限り、任意のものを使用でき、投込み型やフランジ型等を含み得る市販の超音波振動子を利用してよい。

図１および図２を再び参照して、上記で準備した金属材料２０５を、第１の槽２０１内の第１の液状媒体２０２に浸漬する。そして、第１の液状媒体２０２を金属材料２０５の融点以上に加熱すると、金属材料２０５が第１の液状媒体２０２中で溶融する。加熱方法は、特に限定されず、例えば、マイクロ波により加熱しても、ハロゲンヒーター、投込みヒーター、ホットエアー等により加熱してもよい。なお、金属材料２０５の第１の液状媒体２０２への浸漬および第１の液状媒体２０２の加熱は、金属材料２０５が第１の液状媒体２０２中で溶融し得る限り、任意の適切なタイミングで実施してよく、例えば、金属材料２０５の融点以上に予め加熱した第１の液状媒体に金属材料２０５を浸漬してもよい。その後、金属材料２０５が少なくとも部分的に溶融し、好ましくはその全体が溶融したこと（溶融した金属材料は第１の槽２０１の底部で広がって液塊を形成し得る）を確認してから、第１の液状媒体２０２（および金属材料２０５）を入れている第１の槽２０１を、上記の通り超音波振動子２０７が浸漬されている第２の槽２０３内の第２の液状媒体２０４に浸漬する。そして、第２の液状媒体２０４が第１の液状媒体２０２と第１の槽２０１の隔壁を介して隣接した状態で、第２の液状媒体２０４中で超音波振動子２０７を作動させると、超音波振動子２０７の振動により発生した超音波は、第２の液状媒体２０４および第１の槽２０１の隔壁等（場合により溶融した金属材料２０５）を通じて第１の液状媒体２０２へと伝播されて、第１の液状媒体２０２中で超音波キャビテーションが起こる。かかる超音波キャビテーションにより発生する衝撃波が、溶融した金属材料２０５の表面に作用して、溶融した金属材料（液塊）２０５から球状の金属粒子２０６が液滴の形態で分離形成される。

本発明では、従来から広く知られている超音波撹拌による乱流状態ではなく、超音波によるキャビテーション効果を利用している。本実施形態において、第２の液状媒体２０４と第１の液状媒体２０２とは第１の槽２０１の隔壁を介して隔離されており、第１の液状媒体２０２には外力（例えば撹拌翼や撹拌子）による撹拌力を作用させていない（本実施形態では、第１の液状媒体２０２は、見かけ上、静止した系となっている）ので、第１の液状媒体２０２では、乱流状態とならずに、超音波によるキャビテーション効果が支配的にもたらされることに留意されたい。超音波振動子２０７の振動により発生した縦波は、上述した各媒体の内部を伝播し、第１の液状媒体２０２の内部に疎の部分と密の部分を短時間で交互に発生させる。疎の部分では圧力が低下し、圧力が飽和水蒸気圧より低くなると、第１の液状媒体２０２の液中にミクロン単位の微小な気泡が多数発生する。密の部分では圧力が高くなり、周囲の液体が気泡の中心に向かって集まり、気泡が消滅する瞬間に数千気圧とも言われる強力な衝撃圧が発生する。この気泡の生成と消滅がキャビテーションであり、キャビテーションによる衝撃波、より詳細には気泡が消滅する瞬間の衝撃圧が、溶融した金属材料の表面に作用して、無数の微細な金属粒子の液滴を生成させる。生成した金属粒子の液滴は第１の液状媒体２０２中で自らの表面張力で不定形から球状に変形し、球状の金属粒子２０６となる。

第２の液状媒体中で作動させる超音波振動子の周波数は、適宜選択され得るが、例えば０．５ｋＨｚ以上２０００ｋＨｚ以下、好ましくは２０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下である。超音波振動子の周波数は、かかる範囲で、個々の事情に応じて具体的に所望される粒径および生産効率等に基づいて選択可能である。より詳細には、より小さい粒径の金属粒子を得ることが望ましい場合、より低い周波数（０．５ｋＨｚ以上で、例えば６０ｋＨｚ以下、好ましくは４５ｋＨｚ以下、代表的には２０ｋＨｚ）のほうが、波長が長くなるため、より大きいキャビティを形成することができ、よって、より強い衝撃圧が溶融した金属材料の表面に作用することとなり、得られる金属粒子の液滴（ひいては固体の金属粒子）の粒径を小さくすることができる。他方、金属粒子の生産効率が優先される場合、より高い周波数（２００ｋＨｚ以下で、例えば６０ｋＨｚ以上、好ましくは８０ｋＨｚ以上、代表的には１００ｋＨｚ）のほうが、波長が短くなるため、キャビティの発生数を増大させることができ、よって、より多くの衝撃圧が溶融した金属材料の表面に作用することとなり、金属粒子の形成効率を高めることができる。

上記のようにして第１の液状媒体２０１中で発生した金属粒子２０６の液滴は、加熱停止により第１の液状媒体２０１の温度がやがて低下することにより、凝固して固体の金属粒子となる。

これによって得られる金属粒子は、通常、球状の形態を有する（但し、必ずしもその全てが球状でなくてもよい）。かかる金属粒子の真円率（１０個またはそれ以上の平均）は、例えば８０％以上、好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上（但し理論上１００％以下）以下であり得る。なお、粒子の真円率は下記の通り定義される：
真円率＝短径÷長径×１００（％）
式中、短径および長径は、金属粒子の電子顕微鏡写真において、１個の金属粒子について短径および長径を測定することにより求められる。

また、これによって得られる金属粒子は、小さな粒径を有する。かかる金属粒子の粒径は、例えば１０μｍ以下、好ましくは６μｍ以下であり、代表的には１μｍ以上１０μｍ以下、更に代表的には１μｍ以上６μｍ以下である。本発明を限定するものではないが、これにより製造された金属粒子全体に占める粒径１〜１０μｍの金属粒子の体積割合は、例えば６５体積％以上、好ましくは８０体積％以上（但し理論上１００体積％以下）とすることができ、粒径１〜６μｍの金属粒子の体積割合は、例えば５０体積％以上、好ましくは８０体積％以上（但し理論上１００体積％以下）とすることができる。なお、ここで、金属粒子の粒径は個々の粒子の粒径を言うものであり、金属粒子の粒径および特定の範囲の粒径を有する金属粒子の体積割合は、金属粒子の粒子径分布をレーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置で測定することにより求められ得る。

このように、本実施形態の金属粒子の製造方法および製造装置によれば、小さな粒径、例えば１０μｍ以下の粒径を有する球状の金属粒子を優れた生産効率で得ることができる。

（実施形態２）
本実施形態は、金属粒子を連続式で製造することができる、金属粒子の製造方法および製造装置に関し、特段説明のない限り、上述した実施形態１と同様の説明が当て嵌まる。

本実施形態における金属粒子の製造方法は、図３に示す金属粒子の製造装置９００を用いて実施され得る。金属粒子の製造装置９００は、図３を参照して、第１の液状媒体９０１を収容するための第１の槽９０２と、第１の槽９０２が入れられ、第２の液状媒体９０３を第１の槽９０２の周囲にて収容するための第２の槽９０４と、第１の槽９０２の外側かつ第２の槽９０４の内側にて第２の液状媒体９０３中に配置される超音波振動子９１２とを含む。本実施形態においては、超音波振動子９１２で発生した超音波（縦波）が、第１の液状媒体９０１に到達するように調整されている。

更に、本実施形態の金属粒子の製造装置９００においては、第１の槽９０２が、第１の液状媒体９１５の入口部Ｘおよび出口部Ｙを有し、金属粒子回収部９０６が、第１の槽９０２の入口部Ｘおよび出口部Ｙと、入口側パイプ９１０および出口側パイプ９０５等のパイプ（Ａ点からＢ点までのパイプは図示省略）を介して接続されて設けられており、ポンプ９０７により第１の液状媒体９１５が第１の槽９０２と金属粒子回収部９０６を通って循環するように構成されている。金属粒子回収部９０６は、例えば液体サイクロンなどであってよい。パイプは、特に限定されないが、金属その他の適切な材料で構成されていてよい（以下も同様）。

第１の液状媒体９０１の循環経路上の第１の層９０２の入口部Ｘの手前には、金属材料を投入するためのホッパー９０８が設けられ得る。第１の槽９０２とポンプ９０７とを接続する入口側パイプ９１０には、加熱装置９１１が設けられ得る。加熱装置９１１は、例えば電熱ヒーターなどであってよい。また、第１の槽９０２の上部には、第１の槽９０２内に収容される第１の液状媒体９０１を加熱する非接触式加熱装置９０９が設けられ得る。非接触式加熱装置９０９は、例えばハロゲンスポットヒーターなどであってよい。

他方、第２の槽９０４の第２の液状媒体９０３は、第２の槽９０４とパイプ９１４を介して接続された循環冷却装置９１３を通って循環し、温度調整が可能なように構成されている。循環冷却装置は、例えばチラーなどであってよい。

本実施形態の金属粒子の製造方法は、次のようにして実施され得る。金属材料、第１の液状媒体および第２の液状媒体は、実施形態１にて上述したものと同様のものを使用できる。金属材料は、ダイスまたは粒状等に加工して、予めホッパー９０８に入れおく。第１の液状媒体９０１は、ポンプ９０７により、入口側パイプ９１０、第１の槽９０２、出口側パイプ９０５、金属粒子回収部９０６に通して循環させながら、第１の槽９０２の上部に設置された非接触式加熱装置９０９により、第１の液状媒体９０１を金属材料の融点以上に加熱する。他方、第２の液状媒体９０３は、外部の循環冷却装置９１３に通して循環させ、第２の液状媒体９０３の温度が、その沸点より低い所定の温度、例えば６０℃以下になるように保つ。

第１の槽９０２内の第１の液状媒体９０１の温度が金属材料の融点以上になったことを確認した後、ホッパー９０８から金属材料を供給する。金属材料は、（図示する態様では入口側パイプ９１０から第１の液状媒体９０１と共に）第１の槽９０２へと供給され、金属材料の融点以上に加熱された第１の液状媒体９０１に浸漬されて、第１の液状媒体９０１中で溶融して液状物となり、図３に示すように第１の槽９０２の底部で広がって液塊を形成し得る。

ここで、第２の液状媒体９０３中で超音波振動子９１２を作動させると、超音波振動子９１２の振動により発生した超音波は、第２の液状媒体９０３および第１の槽９０２の隔壁等（場合により溶融した金属材料）を通じて第１の液状媒体９０１へと伝播されて、第１の液状媒体９０１中で超音波キャビテーションが起こる。かかる超音波キャビテーションにより発生する衝撃波が、溶融した金属材料の表面に作用して、溶融した金属材料（液塊）から球状の金属粒子９１５が液滴の形態で分離形成される。

本実施形態において、第２の液状媒体９０３と第１の液状媒体９０１とは第１の槽９０２の隔壁を介して隔離されており、第１の液状媒体９０１には外力（例えば撹拌翼や撹拌子）による撹拌力を作用させていない（本実施形態では、第１の液状媒体９０１は、見かけ上、層流となっている）ので、第１の液状媒体９０１では、乱流状態とならずに、超音波によるキャビテーション効果が支配的にもたらされることに留意されたい。

そして、第１の槽９０２の出口部Ｙから第１の液状媒体９０１が金属粒子９１５と共に抜き出される。より詳細には、これら金属粒子９１５は液滴として第１の液状媒体９０１中で雲状に浮遊しているため、第１の液状媒体９０１の流れに乗って出口側パイプ９０５を通じて金属粒子回収部９０６へと送られる。出口側パイプ９０５には加熱装置が設けられていないため、出口側パイプ９０５を通る間、第１の液状媒体９０１の温度が徐々に低下し、第１の槽９０２で形成された金属粒子９１５の液滴はやがて凝固して固体の金属粒子となり、金属粒子回収部９０６にて第１の液状媒体９１５から（例えば液体サイクロンである場合、比重差により）分離されて、Ｐ点から抜き出され得る。他方、金属粒子９１５が分離された第１の液状媒体９０１は、ポンプ９０７により、Ａ点からＢ点にパイプ移送され、入口側パイプ９１０を通じて、加熱装置９１１にて適宜加熱されて、第１の槽９０１の入口部Ｘに戻される。

第１の槽９０２の底部にて広がって溶融している金属材料は、金属粒子９１５を放出することにより消費されるため、ホッパー９０８から新たな金属材料を、例えば所定時間毎に供給してよい。そして、上述の操作を繰り返し連続して行うことにより、金属粒子を連続的に製造することができる。

本実施形態の金属粒子の製造方法および製造装置によっても、実施形態１と同様の効果を得ることができ、小さな粒径、例えば１０μｍ以下の粒径を有する球状の金属粒子を優れた生産効率で得ることができる。

以上、本発明について２つの実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されず、種々の改変が可能である。例えば、本発明の金属粒子の製造方法および製造装置は、簡便には常圧下にて実施および使用され得るが、適宜、加圧または減圧下にて実施および使用されてもよい。

（実施例１）
本実施例は、図１および図２を参照して上述した実施形態１の金属粒子の製造に関する。本実施例においては、金属材料としてＳｎ−５８ｍａｓｓ％Ｂｉ（融点１３８℃、比重８．７６ｇ／ｃｍ^３）を用い、第１の液状媒体としてブチルトリグリコール（ＢＴＧ：沸点２７１℃、粘度８．１ｍＰａ・ｓ）を用いた。以下、詳細に説明する。

ＢＴＧ（第１の液状媒体）を５０ｍｌ計量して、容量１００ｍｌの耐熱ガラス製ビーカー（第１の槽）に入れた。次に、Ｓｎ−５８ｍａｓｓ％Ｂｉ（金属材料）の金属塊４０ｇを計量し、上記のビーカーに入れてＢＴＧに浸漬した。このビーカーを、μＲｅａｃｔｏｒＥＸ（四国計測工業株式会社製）を用いて、マイクロ波によりＢＴＧを１７０℃まで加熱してＳｎ−５８ｍａｓｓ％Ｂｉを溶融させた。別途、底部に超音波振動子（株式会社カイジョー製）が設置され、室温の水道水（沸点約１００℃、第２の液状媒体）で満たされた冷却容器（第２の槽）を準備し、この冷却容器の水中に、上記の通り加熱したビーカーを、ビーカー内の液面と冷却容器内の液面とが等しくなる高さまで浸漬させた。この状態で、超音波振動子に超音波発振器（株式会社エヌエフ回路設計ブロック製）より２０ｋＨｚおよび２００Ｗのエネルギーを印加して、超音波振動子を水中で作動させた。この結果、ビーカー内で溶融したＳｎ−５８ｍａｓｓ％Ｂｉの液塊から、無数の微細な液滴粒子が分離形成された。これら液滴粒子は、超音波振動子の振動により発生した縦波が、その周囲の水と、ビーカー（厚さ約０．４ｍｍの耐熱ガラス）と、場合によりＳｎ−５８ｍａｓｓ％Ｂｉとを伝播して、ＢＴＧまで達してキャビテーションを起こさせ、溶融したＳｎ−５８ｍａｓｓ％Ｂｉの表面に衝撃圧となって作用することにより生じたものと理解される。ビーカー内容物であるＢＴＧとＳｎ−５８ｍａｓｓ％Ｂｉは、冷却容器内の水により熱が奪われ、約２０秒でＳｎ−５８ｍａｓｓ％Ｂｉの融点である１３８℃より低い温度になるが、この間に液滴粒子は表面張力により球状に変化してから凝固し、球状の固体粒子となった。その後、固体粒子をＢＴＧから分離して回収して、金属粒子（本実施例ではＳｎ−５８ｍａｓｓ％Ｂｉ粒子）を得た。

上記により得られた金属粒子の電子顕微鏡写真を図４に示す。電子顕微鏡写真から無作為に選んだ１０個の粒子について短径および長径を測定して真円率の平均値を算出すると９５．４％であり、これははんだ粒子として実用上問題が無い数値であった。

また、上記により得られた金属粒子の粒子径分布をレーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置ＬＡ−９６０（株式会社堀場製作所製）で測定した結果を図５に示す。図５において、横軸は粒子径（μｍ）、縦軸は頻度（体積％）であり、上記により得られた金属粒子全体に占める粒径１〜６μｍの範囲の金属粒子の体積割合は８１．２体積％であった。従来の遠心噴霧法で製造した場合の金属粒子全体に占める粒径１〜６μｍの範囲の金属粒子の体積割合（以下、粒径１〜６μｍの金属粒子の歩留りとも言う）は５〜１０体積％であるのに対して、本実施例は小さな粒径の金属粒子の生産効率に優れていることがわかる。

（実施例２）
第１の液状媒体としてブチルトリグリコール（ＢＴＧ）に代えて、メチルトリグリコール（ＭＴＧ：沸点２４９℃、粘度７．５ｍＰａ・ｓ）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、金属粒子を得た。

これにより得られた金属粒子の粒子径分布をレーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置ＬＡ−９６０（株式会社堀場製作所製）で測定した結果を図６に示す。図６において、横軸は粒子径（μｍ）、縦軸は頻度（体積％）であり、粒径１〜６μｍの金属粒子の歩留りは６６．７体積％であった。本実施例も、小さな粒径の金属粒子の生産効率に優れていることがわかる。

（実施例３）
第１の液状媒体としてブチルトリグリコール（ＢＴＧ）に代えて、ジブチルジグリコール（ＤＢＤＧ：沸点２５４℃、粘度２．４ｍＰａ・ｓ）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして、金属粒子を得た。

これにより得られた金属粒子の粒子径分布をレーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置ＬＡ−９６０（株式会社堀場製作所製）で測定した結果を図７に示す。図７において、横軸は粒子径（μｍ）、縦軸は頻度（体積％）であり、粒径１〜６μｍの金属粒子の歩留りは５２．６体積％であった。本実施例も、小さな粒径の金属粒子の生産効率に優れていることがわかる。

実施例１〜３の結果から、使用した第１の液状媒体（ＢＴＧ、ＭＴＧ、ＤＢＤＧ）の粘度（ｍＰａ・ｓ）と、これにより得られた粒径１〜６μｍの金属粒子の歩留り（体積％）との関係を図８にプロットして示す。図８より、第１の液状媒体の粘度が高くなるにつれて、粒径１〜６μｍの金属粒子の歩留りが高くなる傾向にあることがわかる。図８中の３点を直線で近似した数式は、
［歩留り］＝４．１３９１×［第１の液状溶媒の粘度］＋４１．９９８
となり、この式から、第１の液状媒体の粘度が１４ｍＰａ・ｓのときに、粒径１〜６μｍの金属粒子の歩留りが１００体積％となる。

（実施例４）
金属材料としてＳｎ−５８ｍａｓｓ％Ｂｉに代えて、Ｂｉ−４５ｍａｓｓ％Ｉｎ（融点９８℃、比重８．６７ｇ／ｃｍ^３）を用いて、Ｂｉ−４５ｍａｓｓ％Ｉｎの金属塊１５ｇを計量し、ビーカーに入れてＢＴＧに浸漬したこと、およびマイクロ波によりＢＴＧを１５０℃まで加熱してＢｉ−４５ｍａｓｓ％Ｉｎを溶融させたこと以外は、実施例１と同様にして、金属粒子（本実施例ではＢｉ−４５ｍａｓｓ％Ｉｎ粒子）を得た。なお、ビーカー内容物は、本実施例ではＢＴＧとＳｎ−５８ｍａｓｓ％Ｂｉとなるが、この場合にも、冷却容器内の水により熱が奪われ、約２０秒でＳｎ−４５ｍａｓｓ％Ｉｎの融点９８℃未満となり、この間に液滴粒子は表面張力により球状に変化して凝固し、球状の固体粒子となった。

上記により得られた金属粒子の粒子径分布をレーザー回折／散乱式粒子径分布測定装置ＬＡ−９６０（株式会社堀場製作所製）で測定した結果を図９に示す。図９において、横軸は粒子径（μｍ）、縦軸は頻度（体積％）であり、粒径１〜６μｍの金属粒子の歩留りは６１．３体積％であった。本実施例も、小さな粒径の金属粒子の生産効率に優れていることがわかる。

（実施例５）
本実施例は、図３を参照して上述した実施形態２の金属粒子の製造に関する。本実施例においては、金属材料としてＢｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎ（融点１２５℃、比重８．９９ｇ／ｃｍ^３）を用い、第１の液状媒体としてヘキシルジグリコール（ＨｅＤＧ：沸点２５９℃、粘度８．６ｍＰａ・ｓ）を用いた。また、本実施例においては、図９中、金属粒子回収部９０６として液体サイクロンを用い、非接触式加熱装置９０９としてハロゲンスポットヒーターを用い、循環冷却装置９１３としてチラーを用いた。なお、本実施例では、加熱装置９１１は使用を省略した。以下、図９を参照しつつ詳細に説明する。

まず、Ｂｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎを１５ｍｍ角の立方体（以下、Ｂｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎキューブとも言う）に加工して、予めホッパー９０８に入れた。

第１の槽９０２の第１の液状媒体９０１は、Ｂｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎを溶融させるためにその融点である１２５℃以上に温度を上げる必要があり、第１の液状媒体には１２５℃より高い沸点を有するものを選択する必要がある、第２の槽９０４の第２の液状媒体９０３は、そのような必要はなく、液体状態を維持できればよいので、１２５℃より低い沸点を有するものを使用してよい。本実施例では、第１の液状媒体としてＨｅＤＧ（沸点２５９℃）を用い、第２の液状媒体として蒸留水（沸点１００℃）を用いて、第１の槽９０２にはＨｅＤＧ（第１の液状媒体）を入れ、第２の槽９０４には蒸留水（沸点１００℃、第２の液状媒体）を入れて、第２の槽９０４の蒸留水は、金属製パイプ９１４を通じてチラー９１３により循環させて４０℃に保つようにした。そして、第１の槽９０２のＨｅＤＧは、熱媒体用ポンプ９０７の電源を入れて、第１の槽９０２、出口側金属製パイプ９０５、液体サイクロン９０６、熱媒体用ポンプ９０７、入口側金属製パイプ９１０の順序で循環させた。次に、第１の槽９０２の上部に設置したハロゲンスポットヒーター９０９（集光距離３０ｍｍ、集光径８ｍｍ）を作動させて、ＨｅＤＧの温度を１６０℃まで上昇させた。なお、ＨｅＤＧの温度は、非接触の温度センサで測定することが好ましい。

ＨｅＤＧの温度が１６０℃に到達したことを確認した後、ホッパー９０８の下部供給口を開けて、Ｂｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎキューブを１個供給した。Ｂｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎキューブは、ＨｅＤＧに浸漬されると、溶融して液状となり、第１の槽９０２の底部で広がって液塊を形成した。

この状態で、超音波振動子（本多電子株式会社製）９１２に、超音波発振器（株式会社エヌエフ回路設計ブロック製）より２０ｋＨｚおよび２００Ｗのエネルギーを印加して、超音波振動子を水中で作動させた。この結果、第１の槽９０１内で溶融したＢｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎの液塊から、無数の微細な液滴粒子が次々と分離形成された。これら液滴粒子は、超音波振動子の振動により発生した縦波が、その周囲の水と、第１の槽（厚さ約０．４ｍｍのセラミック）と、場合によりＢｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎとを伝播して、ＨｅＤＧまで達してキャビテーションを起こさせ、溶融したＢｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎの表面に衝撃圧となって作用することにより生じたものと理解される。

これらの液滴粒子は、ＨｅＤＧ中で雲状に浮遊し、ＨｅＤＧの循環流れに乗って液体サイクロン９０６へと移送された。この間、ＨｅＤＧの温度が徐々に低下し、Ｂｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎの融点である１２５℃より低くなると、Ｂｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎの液滴粒子は凝固して、球状の固体粒子となった。液体サイクロン９０６にて、固体粒子とＨｅＤＧとの比重差を利用して、固体粒子をＨｅＤＧから分離して回収し、これにより金属粒子（本実施例ではＢｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎ粒子）を得た。他方、ＨｅＤＧは再び第１の槽９０２へと移送した。

第１の槽９０２の底部にて広がって溶融しているＢｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎは、液滴粒子を放出することにより消費されていくため、ホッパー９０８の下部供給口を所定時間毎に開けて、新たなＢｉ−３２ｍａｓｓ％Ｉｎキューブを１個ずつ供給した。そして、上述の操作を繰り返し連続して行うことにより、金属粒子を連続的に製造した。

本実施例も、小さな粒径の金属粒子の生産効率に優れていることが確認された。

本発明の金属粒子の製造方法および製造装置によれば、小さな粒径、例えば１０μｍ以下の粒径を有する球状の金属粒子を優れた生産効率で得ることができ、かかる金属粒子は、電子回路基板に電子部品を実装（はんだ付け）するために用いられているソルダーペーストに含まれるはんだ粒子として利用可能であるが、これに限定されない。

２００ 金属粒子の製造装置
２０１ 第１の槽
２０２ 第１の液状媒体
２０３ 第２の槽
２０４ 第２の液状媒体
２０５ 金属材料
２０６ 金属粒子
２０７ 超音波振動子
９００ 金属粒子の製造装置
９０１ 第１の液状媒体
９０２ 第１の槽
９０３ 第２の液状媒体
９０４ 第２の槽
９０５ 出口側パイプ
９０６ 金属粒子回収部
９０７ ポンプ
９０８ ホッパー
９０９ 非接触式加熱装置
９１０ 入口側パイプ
９１１ 加熱装置
９１２ 超音波振動子
９１３ 循環冷却装置
９１４ パイプ
９１５ 金属粒子

Claims (3)

1. 第１の液状媒体を収容するための第１の槽と、
   第２の液状媒体を、前記第１の槽の周囲にて収容するための第２の槽と、
   前記第１の槽の外側かつ前記第２の槽の内側にて第２の液状媒体中に配置される超音波振動子と
   を含み、前記第１の槽内で金属材料が該金属材料の融点以上に加熱された第１の液状媒体中で溶融し、前記第２の槽内で第２の液状媒体中で前記超音波振動子が作動することによって発生する衝撃波が、前記第１の槽内で前記第１の液状媒体中で溶融した該金属材料に照射されて、前記第１の液状媒体中で該金属材料から金属粒子を生じ、
   前記第１の槽が、前記第１の液状媒体の入口部および出口部を有し、
   前記第１の槽の入口部および出口部とパイプを介して接続される金属粒子回収部を更に含み、第１の液状媒体が、金属粒子と共に該第１の槽の出口部から抜き出され、該金属粒子回収部を通って金属粒子が分離され、その後、該第１の槽の入口部に戻される、金属粒子の製造装置。
2. 前記パイプが加熱装置を備える、請求項１に記載の金属粒子の製造装置。
3. 前記第１の槽の上部に配置されて、該第１の槽内に収容される第１の液状媒体を非接触で加熱する加熱装置を更に含む、請求項１または２に記載の金属粒子の製造装置。