JP7122579B2 - 金属微粒子の作製方法および金属微粒子の作製装置 - Google Patents

Description

本開示は、主として電子回路基板のはんだ付けに用いるソルダーペースト等における金属微粒子の作製方法およびその作製装置に関する。特に、粒子径１０μｍ以下の球状はんだ粒子の作製方法とその作製装置に関するものである。

近年では電子部品の更なる微細化に伴う電子回路基板の高密度化に対応するために、粒子径が１０～２５μｍである金属粒子が実用化されており、今後は１０μｍ以下の金属粒子も必要となってくる。従来、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、超音波振動による分散法、超音波キャビテーションによる分散法が知られている。

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、遠心力により液滴を飛散させて球状粒子を製造する方法である。このとき、回転ディスクは、２５，０００ｒｐｍ～１００，０００ｒｐｍで回転させる。ディスクの回転数が大きくなると、ディスク上の溶融金属の膜厚が薄くなるため、より粒径の小さな粒子を製造することができる。しかしながらモータ回転数の制約により、製造できる粒子の平均径を２０μｍより小さくすることは困難である（特許文献１）。

ガス噴霧を併用した遠心噴霧法は、上記の遠心噴霧法を利用してさらに粒子径の小さい金属粒子を製造するものである。当該方法では、チャンバー内に設けた高速回転するディスク上に数１０μｍから数１００μｍの液滴を噴霧して吹きつけ、回転ディスク上の溶融金属膜を薄くして遠心力により飛散させて、球状粒子を製造する。当該方法では、粒子径が１０μｍに近い粒子を製造することができる。ただし、製造した粒子に占める、粒子径が１０μｍ以下である金属粒子の質量比は３％程度と低い（特許文献２）。

一方、超音波振動による分散法は、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する方法である。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ることで、金属粒子を製造することができる。ただし、当該方法で製造できる粒子の平均粒子径は１１μｍ～９８μｍであり、粒子径が１０μｍ以下である金属粒子を製造することは困難である（特許文献３）。

超音波キャビテーションによる分散法は、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、機械的な撹拌をすることなく超音波を照射する方法である。超音波を照射することで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、溶融した金属組成物を微細な液滴として分散させる。この方法によれば、粒子径が１～６μｍである金属粒子を全体の５０～８０％の質量比で製造することができる（特許文献４）。

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２０１７－１５０００５号公報

しかしながら、従来の超音波キャビテーションによる分散法では、微細な粒子を得るためには超音波を３０分間以上照射しなければならない。そして、超音波照射時間が長くなると粒子の発生速度が低下するため、生産性が低下するという問題がある。

本開示は、従来の課題を解決するもので、粒子径が１～１０μｍである金属微粒子を効率良く作製する方法、およびそ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、本開示の金属微粒子の作製方法は、溶剤内の金属組成物に超音波を照射し、一次粒子を発生させる粒子発生工程と、前記一次粒子に超音波を照射し、前記一次粒子を分裂させる粒子分裂工程と、を行う方法である。

また、本開示の金属微粒子の作製装置は、溶剤内に供給した金属組成物に超音波を照射し、一次粒子を発生させるための粒子発生部と、前記一次粒子に超音波を照射し、前記一次粒子を分裂させるための粒子分裂部と、を有する装置である。

本開示の金属微粒子の作製方法によれば、粒子発生工程と、粒子分裂工程とを分けている。そのため、原料となる金属組成物から効率的に一次粒子を発生させ、かつ発生した一次粒子を効率的に所望のサイズに微細化し、金属微粒子とすることができる。したがって、粒子発生工程において超音波を長時間照射した場合にも、一次粒子の発生速度が低下することなく、粒子径が１～１０μｍである金属微粒子を効率的に作製することが可能となる。

本開示の実施の形態１における金属微粒子の作製方法における工程を示す図 図２（ａ）は溶融した金属組成物から液滴（一次粒子）が発生するプロセスを示す図、図２（ｂ）は発生した液滴（一次粒子）が分裂するプロセスを示す図 超音波周波数と一次粒子発生量との関係を示す図 超音波出力と一次粒子発生量との関係を示す図 超音波照射時間と一次粒子発生量との関係を示す図 本開示の実施の形態２における金属微粒子の作製装置の断面を示す模式図 本開示の実施の形態２における金属微粒子の作製装置を上面から見た模式図 溶剤の流速と金属微粒子の平均粒子径との関係を示す図 溶剤の流速と作製した金属微粒子の質量の関係を示す図

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
＜一次粒子の作製プロセス＞
図１は、実施の形態１における金属微粒子の作製方法の工程を示す図である。本開示の金属微粒子の作製方法は、粒子発生工程１０２および粒子分裂工程１０３を少なくとも含んでいればよいが、図１に示すように、本実施の形態では、原料供給工程１０１や、粒子形成工程１０４、粒子回収工程１０５等も行う。

原料供給工程１０１は、金属微粒子の原料である金属組成物を供給する工程であり、その融点以上に加熱して溶融させた液体状の金属組成物を溶剤の中に供給する工程である。

粒子発生工程１０２は、溶剤内に供給した液体状の金属組成物に超音波を照射して一次粒子を発生させる工程である。粒子発生工程１０２では、キャビテーションの衝撃圧を作用させて、溶融した金属組成物の表面から液滴（一次粒子）を発生させる。

粒子分裂工程１０３は、粒子発生工程１０２で得られた液滴（一次粒子）に超音波をさらに照射して、液滴（一次粒子）を分裂させる。つまり、上述の液滴（一次粒子）にキャビテーション衝撃圧を作用させて、液滴（一次粒子）をさらに微細な液滴（金属微粒子）に分裂させる工程である。本明細書では、粒子発生工程１０２を行って得られた粒子を一次粒子と称し、粒子分裂工程１０３を行って得られた粒子を金属微粒子と称する。

ここで、粒子分裂工程１０３は、主に溶剤と一次粒子とを含む混合物に対して行う。つまり、上述の粒子発生工程１０２で得られた溶剤および一次粒子を金属微粒子の作製装置内の別の箇所に移動させたり、別途、異なる装置に移したりして、超音波を更に照射する。なお、後述の実施の形態２で説明するように、粒子発生工程１０２および粒子分裂工程１０３は、一つの金属微粒子の作製装置内で行うことが、金属微粒子の作製効率の点で好ましい。また、粒子発生工程１０２で使用する溶剤と、粒子分裂工程１０３で使用する溶剤は、同一であってもよく、異なっていてもよい。ただし、同一であるほうが、より効率よく金属微粒子１１２（図２（ｂ）参照）を作製可能となる。

粒子形成工程１０４は、分裂させた液滴（金属微粒子）を表面張力によって球状に変化させ、その後に金属組成物の融点未満に冷却して固体とする工程である。粒子回収工程１０５は、作製した金属微粒子を溶剤と分離して回収する工程である。以下、粒子発生工程１０２および粒子分裂工程１０３を中心に説明する。

＜金属微粒子形成メカニズム＞
図２（ａ）および図２（ｂ）は、金属組成物１０７から金属微粒子が形成されるプロセスを示した図である。粒子発生プロセスを高速度カメラによって１００００コマ／秒で詳細に観察することで、今まで未知であった超音波照射による粒子形成メカニズムを解明することができた。

図２（ａ）は、溶融した金属組成物１０７から液滴（一次粒子１１１）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における粒子発生工程１０２である。溶剤１０６中に加熱溶融させた液体状の金属組成物１０７を供給すると、金属組成物１０７が沈降し、溶剤１０６が上層、金属組成物１０７が下層となる。溶剤１０６と混合後も溶融状態を保つよう、金属組成物１０７はその融点以上に加熱されている。なお、固体状の金属組成物１０７を溶剤１０６と混合してから加熱を行い、金属組成物１０７を溶融させてもよい。

ここに超音波１０８を照射すると、疎密波によって溶剤１０６中に微小な気泡１０９が発生する（図２（ａ）左図）。この気泡１０９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。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１１０が発生する（図２（ａ）中央図）。この衝撃波１１０が金属組成物１０７の表面に作用することで液滴（一次粒子１１１）が発生する（図２（ａ）右図）。

一方、図２（ｂ）は、発生した一次粒子１１１が分裂する経時プロセスを示す図である。このプロセスは、図１の粒子分裂工程１０３である。上記粒子発生工程１０２後の溶剤１０６の内部には、数多くの液滴（一次粒子１１１）が浮遊している（図２（ｂ）左図）。この一次粒子１１１に気泡が圧壊した際の高圧の衝撃波１１０が作用すると（図２（ｂ）中央図）、一次粒子１１１が分裂して微細な金属微粒子１１２が発生する（図２（ｂ）右図）。

＜粒子発生工程１０２＞
粒子発生工程１０２で超音波１０８を照射する方法は特に制限されず、一般的な超音波振動子を用いて照射することができる。超音波振動子は、ホーン型や投げ込み型等、いずれであってもよいが、溶剤１０６側から超音波を照射することが、キャビテーションの強度が高まりやすいことから好ましく、ホーン型であることがより好ましい。

・超音波周波数
粒子発生工程１０２で照射する超音波の周波数について説明する。図３は、溶剤１０６の下方に位置する金属組成物１０７に、４５０Ｗの超音波を１５秒間照射した時の超音波周波数と一次粒子の発生量との関係を示す図である。図３において、一次粒子の発生量は、超音波照射前に溶剤に供給した金属組成物１０７の質量と、超音波照射後に一次粒子１１１にならずに残っていた金属組成物１０７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。

図３に示されるように、周波数が２６ｋＨｚの時に最も一次粒子の発生量が多く、周波数を低周波側に変化させると一次粒子の発生量はやや減少する。また、周波数を高周波側に変化させると急激に一次粒子の発生量が減少する。このことから、超音波周波数は２６ｋＨｚであることが特に好ましい。なお、周波数を高くすると一次粒子の発生量は減少し、５０ｋＨｚにすると２６ｋＨｚの時と比較して約１／２になるため、周波数の上限は５０ｋＨｚであることが望ましい。また、周波数を下げると可聴音となり騒音が激しくなるため、下限は２０ｋＨｚであることが望ましい。

・超音波出力
また、粒子発生工程１０２で照射する超音波出力を変化させると振動波の振幅の大きさが変化する。そのため、気泡を成長させる作用が強くなり、気泡圧壊時の衝撃圧が大きくなる。

図４は、溶剤１０６の下方に位置する金属組成物１０７に周波数２６ｋＨｚの超音波を１５秒間照射した時の超音波出力と一次粒子の発生量との関係を示す図である。図４における一次粒子の発生量は超音波照射前に溶剤に供給した金属組成物１０７の質量と、超音波照射後に一次粒子１１１にならずに残っていた金属組成物１０７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。

図４に示されるように、超音波出力が１５０Ｗの時は一次粒子の発生量が少ないが、３００Ｗ以上の時は一次粒子の発生量が増加する。このことから、超音波出力は３００Ｗ以上であることが特に好ましい。超音波出力を下げると一次粒子の発生量は減少する。２２０Ｗにすると３００Ｗの時と比較して約１／２になるため、超音波出力の下限は２２０Ｗであることが望ましい。また、超音波出力を上げると超音波振動装置の価格が急激に高くなるため、上限は１２００Ｗであることが望ましい。

・超音波照射時間
下記表１に、金属組成物１０７に周波数２６ｋＨｚ、出力４５０Ｗの超音波を照射した時の超音波照射時間と得られる粒子の平均粒子径との関係を示す。表１における、平均粒子径はレーザー回折粒子径測定装置で計測した値である。

上記表１に示されるように、平均粒子径は、超音波照射時間３０秒の時に１６μｍであり、照射時間が長くなるのに伴い小さくなる傾向にある。そして、従来技術のように、一次粒子１１１を発生させながら、一次粒子１１１の平均粒子径を１０μｍ以下にする場合、必要な照射時間は約３分以上である。

図５は、溶剤１０６に供給した金属組成物１０７に周波数２６ｋＨｚ、出力４５０Ｗの超音波を照射した時の超音波照射時間と一次粒子の発生量との関係を示す図である、図５において、一次粒子の発生量は超音波照射前に溶剤１０６に供給した金属組成物１０７の質量と、超音波照射後に一次粒子１１１にならずに残っていた金属組成物１０７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。

図５に示されるように、超音波照射時間が３０秒から３分の間は一次粒子１１１の発生量が急激に増加するが、超音波照射時間が５分以上になると一次粒子の発生量の増加率が低下する。３０秒から３分の間の時間当たりの粒子発生量を計算すると、３０秒の時は１ｇ／ｍｉｎ、１分の時は０．９ｇ／ｍｉｎ、３分の時は０．６５ｇ／ｍｉｎであった。そこで、本実施の形態の粒子発生工程１０２において、効率的に一次粒子１１１を発生させるためには、超音波照射時間を３０秒から１分の間にすることが望ましい。

＜粒子分裂工程１０３＞
粒子分裂工程１０３では、粒子発生工程１０２で得られた一次粒子１１１、すなわち溶剤１０６中に分散された一次粒子１１１に超音波１０８を照射する。超音波の照射方法は特に制限されない。超音波の照射は、一般的な超音波振動子を用いて照射することができる。このとき、超音波１０８は、本実施の形態の目的および効果を損なわなければ、どの方向から照射してもよいが、超音波の減衰が少ない方向から照射することが好ましい。超音波１０８を照射するための超音波振動子は、ホーン型であってもよく、投げ込み型であってもよい。

・超音波照射条件
粒子分裂工程１０３で照射する超音波１０８の照射条件は、本実施の目的および効果を損なわなければ、特に制限されない。例えば、周波数は、２２～１３０Ｈｚとすることができる。また、超音波出力は、９０Ｗ～１ｋＷとすることができる。また、超音波照射時間は、１５秒～３分とすることが望ましい。また、後述の実施の形態２で説明するように、粒子分裂工程１０３は、超音波振動子と、溶剤１０６および一次粒子１１１とを相対的に移動させながら行ってもよい。この場合、超音波振動子に対する一次粒子１１１の移動速度によって、得られる金属微粒子１１２の平均粒子径を変化させることができる。移動速度（流速）と平均粒子径との関係については、実施の形態２で詳しく説明する。

また、粒子分裂工程１０３の開始から終了までの間に温度勾配を設けてもよい。後述の実施の形態２で説明するように、溶剤１０６および一次粒子１１１を一定方向に移動させながら粒子分裂工程１０３を行う場合、上流側の溶剤の温度および下流側の溶剤の温度をそれぞれ制御することで、このような温度勾配を設けることができる。また後述のように、粒子分裂工程１０３を循環槽内で行う場合には、循環槽内の温度を、複数の箇所で測定し、温度制御することが好ましい。

＜金属微粒子＞
金属微粒子１１２の原料である金属組成物１０７は、電子回路基板のはんだ付けに用いるソルダーペースト用の合金等とすることができ、本実施の形態では、Ｂｉ－４５質量％Ｉｎとしている。ただし、当該金属組成物１０７（ひいては金属微粒子１１２）はＢｉ－４５質量％Ｉｎに限らず、ＢｉとＩｎの混合比率を変化させたＢｉ－Ｉｎ合金であってもよい。また、Ｂｉ－Ｉｎの組み合わせに限らず、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｉｎから選ばれる少なくとも１種類の金属もしくはその合金とすることができる。また、これらの金属や合金から得られる金属酸化物としてもよい。

また、本実施の形態の方法では、粒子径が１～１０μｍである金属微粒子１１２を効率的に作製することができるが、粒子分裂工程１０３における超音波照射時間を長くすることで１μｍ未満のサブミクロン粒子を作製することも可能である。一方、粒子分裂工程１０３における超音波照射時間を短くすると１０μｍ以上の金属微粒子を作製することもできる。

＜溶剤＞
本実施の形態に用いる溶剤１０６は、金属組成物１０７の融点より高い沸点を有し、かつ金属組成物１０７と反応しない溶剤であれば特に制限されない。例えば沸点が２００～５００℃程度の溶剤とすることができ、その例にはトリエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、２－エチル－１，３－ヘキサンジオール、シリコーンオイル、コーン油等が含まれる。また揮発性の低いイオン液体等であってもよい。

＜効果＞
かかる構成によれば、粒子発生工程で、金属微粒子の原料である金属組成物に、超音波を照射してキャビテーション圧壊時の衝撃圧を作用させることで一次粒子を発生させる。そして、粒子発生工程とは異なる粒子分裂工程で超音波を照射して一次粒子を分裂させることで、粒子径１μｍ～１０μｍの金属微粒子を効率的に作製することができる。さらに、粒子径を小さくしたい場合は、粒子分裂工程での超音波照射時間を長くすることで、粒子発生量を低下させることなく金属微粒子を作製することができる。

つまり、本開示の金属微粒子作製方法によれば、粒子発生工程と粒子分裂工程を分けるため、粒子径が１～１０μｍである金属微粒子の作製において、粒子の発生速度が低下するという問題が生じない。

（実施の形態２）
上述の実施の形態１の金属微粒子の作製方法を行うことが可能な金属微粒子の作製装置について、以下説明する。

＜装置構造＞
図６は、本開示の実施の形態２における金属微粒子の作製装置の断面を示す模式図である。実施の形態２における金属微粒子の作製装置は、金属微粒子の原料である金属組成物２０６に、超音波を照射して一次粒子を発生させる粒子発生部２０１と、発生した一次粒子に超音波を照射して一次粒子を分裂させて金属微粒子とする粒子分裂部２０３と、を少なくとも有していればよく、これらを別の構成として備えている。このような構成にすることで、一次粒子を効率よく発生させつつ、金属微粒子を作製することができる。

粒子発生部２０１の加熱槽２０２と、粒子分裂部２０３の循環槽２０４にはそれぞれ、金属組成物２０６の融点以上の沸点を持つ第１溶剤２０５が満たされる。加熱槽２０２にはさらに、金属微粒子の原料となる金属組成物２０６が供給される。ここで、金属組成物２０６は、溶融状態で供給してもよく、非溶融状態で供給してもよい。粒子発生部２０１では、金属組成物２０６（および溶剤２０５）を、第１ヒーター２０７によって金属組成物２０６の融点以上に加熱できる構造になっている。

金属組成物２０６は、原料供給部２０８から追加供給することができる。原料供給部２０８は、金属組成物２０６のみを供給してもよく、金属組成物２０６および第１溶剤２０５をそれぞれ個別に、もしくは混合物として供給してもよい。

第１溶剤２０５には上側からホーン型の第１超音波振動子２０９が浸漬され、第１溶剤２０５を介して、金属組成物２０６の表面に超音波キャビテーションを作用させることができる。

一方、粒子分裂部２０３の循環槽２０４の下部には、投げ込み型の第２超音波振動子２１２と、当該第２超音波振動子２１２を冷却するための冷却槽２１０とが設けられている。冷却槽２１０には沸点７０℃以上の第２溶剤２１１が満たされている。

冷却槽２１０の底部に設置された投げ込み型の第２超音波振動子２１２によって、第２溶剤２１１を介して、循環槽２０４内部の第１溶剤２０５に超音波キャビテーションを作用させることができる。また、第１溶剤２０５は、金属組成物２０６の融点以上に加熱されているが、投げ込み型の第２超音波振動子２１２は、第２溶剤２１１によって、耐熱温度である６０℃以下に保たれている。

図７は、実施の形態２における金属微粒子の作製装置を上面から見た模式図である。上述の図６は、図７におけるＸ－Ｘ’線の断面である。図６および図７に示すように、粒子発生部２０１における加熱槽２０２、および粒子分裂部２０３が配置された循環槽２０４は、第１溶剤２０５および一次粒子が、加熱槽２０２側から循環槽２０４側に流動できるように接続されている。そして循環槽２０４側で第１溶剤２０５を循環させることで、粒子発生部２０１で作製された一次粒子が、循環槽２０４側に移動する。以下、当該循環槽２０４について詳しく説明する。

＜循環槽２０４＞
加熱槽２０２と接続している循環槽２０４には、第１溶剤２０５が満たされている。循環槽２０４の上流側には第２ヒーター２１３、下流側には冷却装置２１４が配置されている。

循環槽２０４内では、第２ヒーター２１３と冷却装置２１４を用いて、温度計測部Ａ２１５における第１溶剤２０５の温度が金属組成物２０６の融点以上となるように、温度計測部Ｂ２１６における第１溶剤２０５の温度が金属組成物２０６の融点未満となるように制御している。つまり、循環槽２０４内の第１溶剤２０５に温度勾配を持たせている。このように温度制御することで、粒子分裂部２０３で十分に一次粒子を分裂させやすくすると共に、冷却装置２１４側では、金属微粒子を固化させて、金属微粒子どうしの結合等を抑制することができる。

上述のように、循環槽２０４の粒子分裂部２０３の下部には、第２超音波振動子２１２を冷却するための第２溶剤２１１を満たした冷却槽２１０が設けられる。またその底部に第２超音波振動子２１２が設置される。循環槽２０４内の第１溶剤２０５は、送液量を制御可能なポンプ２１７によって、金属微粒子２１９と共に粒子分離装置２１８に送られる。そして、金属微粒子２１９と第１溶剤２０５に分離され、第１溶剤２０５のみが、循環槽２０４の上流側に戻される構造になっている。循環槽２０４内の第１溶剤２０５を循環させることで、第１溶剤２０５のリユースが可能となり溶剤廃棄量を減少させることができる。また、ポンプ２１７で循環速度を制御することで、一次粒子が粒子分裂部２０３に滞留する時間を変化させることができる。すなわち、一次粒子に超音波照射する時間を変化させることが可能となり、任意の粒子径分布を持つ金属微粒子を得ることができる。

なお、図７では、粒子発生部２０１が１台のみであるが、一次粒子の発生量を多くするために複数の粒子発生部２０１を備えた構造としてもよい。また、本実施の形態では、第１超音波振動子２０９にホーン型の超音波振動子、第２超音波振動子２１２に投げ込み型の超音波振動子を用いているが、これらの組み合わせは任意である。例えば、ホーン型とホーン型との組み合わせであってもよく、投げ込み型とホーン型との組み合わせであってもよく、投げ込み型と投げ込み型との組み合わせであってもよい。

＜粒子作製性能＞
本開示の実施の形態２の金属微粒子の作製装置を用い、金属組成物２０６をＢｉ－４５質量％Ｉｎ（液相９５℃、固相８９℃）として金属微粒子２１９の作製を実際に行った。なお、本実施の形態では、第１溶剤２０５としてトリエチレングリコールモノブチルエーテル（沸点：２７８℃）、第２溶剤２１１として水道水を用いた。ホーン型の第１超音波振動子２０９には周波数２０ｋＨｚで最大出力６００Ｗ、ホーン先端の直径は５０ｍｍであるものを用いた。投げ込み型の第２超音波振動子２１２には、周波数２６ｋＨｚで最大出力が５００Ｗであり、循環槽２０４の流れ方向の長さが５００ｍｍであり、幅が１８０ｍｍである装置を用いた。

加熱槽２０２内の第１ヒーター２０７を用いて、第１溶剤２０５を１１０℃に加熱した。第１溶剤２０５の液温が１１０℃に達すると、第１溶剤２０５に浸漬している金属組成物２０６が溶融して液体状態になった。

ここで、ホーン型の第１超音波振動子２０９を５００Ｗで動作させると、ホーン先端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溶融した金属組成物２０６の表面に作用して、金属組成物２０６の液滴（一次粒子）が得られた。しかしながら、発生した液滴の数が多くなると、液滴の表面積×液滴数で表される界面の面積が広くなるため、超音波伝搬が減衰する。そのため、液滴を効率的に発生させるためには、液滴数が多くならないように調整することが重要である。

そこで、本実施の形態の作製装置では、循環槽２０４内の第１溶剤２０５を、ポンプ２１７によって循環させる。これにより、加熱槽２０２内の第１溶剤２０５と、加熱槽２０２内で発生した液滴（一次粒子）とが、負圧によって循環槽２０４側に流れ込む。したがって、加熱槽２０２内の液滴の数が多くなることはない。また、流れ込む量は、循環槽２０４内の第１溶剤２０５の流速によって制御することができる。

循環槽２０４（粒子分裂部２０３）に流れ込んだ液滴には、投げ込み型の第２超音波振動子２１２でキャビテーションを作用させる。投げ込み型の第２超音波振動子２１２を４５０Ｗで動作させると、振動子表面から循環槽２０４の方向にキャビテーションが発生する。このキャビテーションが循環槽２０４内の第１溶剤２０５で圧壊する際に発生する衝撃圧が液滴（一次粒子）に作用する。そして、更に微細な液滴（金属微粒子２１９）が得られる。液滴の大きさはキャビテーションを作用させる時間によって制御することが可能であり、時間が長くなるのに伴い、金属微粒子の粒子径は小さくなる。なお、本実施の形態では、循環槽２０４における温度計測部Ａ２１５の温度を１１０℃、温度計測部Ｂ２１６の温度を７０℃に制御した。

図８は、循環槽２０４内における第１溶剤２０５の流速と、粒子分離装置２１８で分離した後の金属微粒子２１９の平均粒子径との関係を示す図である。平均粒子径は、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定装置で測定したメジアン径である。流速が遅くなるのに伴い平均粒子径が小さくなり、流速２３０ｍｍ／ｍｉｎで平均粒子径が１０μｍになる。このことから、流速は２３０ｍｍ／ｍｉｎ以下とすることが望ましい。

図９は、循環槽２０４内における第１溶剤２０５の流速と、粒子分離装置２１８で分離した後に得られた金属微粒子２１９の質量と、の関係を示す図である。質量は、遠心分離機で第１溶剤２０５の残渣を除去した後、減圧乾燥させ、０．０００１ｇまで測定可能な精密天秤で測定した。粒子作製量は、流速５００ｍｍ／ｍｉｎの時に最も多くなり、流速が遅くなるのに伴い減少した。なお、流速８０ｍｍ／ｍｉｎで、粒子作製量が流速５００ｍｍ／ｍｉｎの５０％になる。このことから、流速は８０ｍｍ／ｍｉｎ以上とすることが望ましい。したがって、小さい平均粒子径と、良好な金属微粒子の作製量とを両立させるためには、循環槽２０４内での第１溶剤２０５の流速を８０～２３０ｍｍ／ｍｉｎの間にすることが望ましい。

また、温度計測部Ａ２１５および温度計測部Ｂ２１６における温度は、それぞれ１１０℃および７０℃に限らず、金属組成物２０６の融点に合わせて任意に変更することができる。また、温度計測部は２点に限らず３点以上に増やしても良い。温度計測部を増やすことで温度管理精度を高めることができる。

本実施の形態では、金属組成物２０６に、超音波を照射してキャビテーション圧壊時の衝撃圧を作用させる粒子発生部２０１と、粒子発生部２０１とは異なる粒子分裂部２０３と、でそれぞれ超音波を照射して粒子分裂をさせる。これにより、粒子径１μｍ～１０μｍの金属微粒子を効率的に作製することができる。さらに、金属微粒子の粒子径を小さくしたい場合は、粒子分裂部２０３（循環槽２０４）を流動する第１溶剤２０５の流速を遅くすることで、粒子発生量を低下させることなく、粒子径の小さい金属微粒子を作製することができる。

本開示の金属微粒子の作製装置によれば、粒子発生部と粒子分裂部を分けることで、１～１０μｍの粒子作製において粒子の発生速度が低下するという問題が生じない。

本開示の金属微粒子の作製方法および装置は、一次粒子の発生と一次粒子の分裂とを異なる工程で行うため、一次粒子の発生量を低下させることなく、一次粒子を分裂させることができる。そのため、効率的に金属微粒子を作製することができる。さらに粒子分裂部における溶剤（ひいては一次粒子）の流速を調整することによって、超音波照射時間を変化させることができる。したがって、任意の粒子径の金属微粒子を得ることが可能となり、当該金属微粒子は、微細接合を必要とする電子回路基板のはんだ付け等に適用できる。

１０１ 原料供給工程
１０２ 粒子発生工程
１０３ 粒子分裂工程
１０４ 粒子形成工程
１０５ 粒子回収工程
１０６ 溶剤
１０７ 金属組成物
１０８ 超音波
１０９ 気泡
１１０ 衝撃波
１１１ 一次粒子
１１２、２１９ 金属微粒子
２０１ 粒子発生部
２０２ 加熱槽
２０３ 粒子分裂部
２０４ 循環槽
２０５ 第１溶剤
２０６ 金属組成物
２０７ 第１ヒーター
２０８ 原料供給部
２０９ 第１超音波振動子
２１０ 冷却槽
２１１ 第２溶剤
２１２ 第２超音波振動子
２１３ 第２ヒーター
２１４ 冷却装置
２１５ 温度計測部Ａ
２１６ 温度計測部Ｂ
２１７ ポンプ
２１８ 粒子分離装置

Claims (3)

1. 溶剤内の金属組成物に超音波を照射し、一次粒子を発生させる粒子発生工程と、
   前記一次粒子に超音波を照射し、前記一次粒子を分裂させる粒子分裂工程と、
   を有し、
   前記粒子分裂工程では、前記金属組成物の融点以上となる温度で開始し、かつ前記金属組成物の融点未満となる温度で終了するように温度勾配を設け、
   前記粒子分裂工程を、底部に配置された超音波振動子と、前記溶剤の流速を制御するポンプと、前記溶剤を循環させる配管と、を有する循環槽内で行い、
   前記粒子分裂工程で、前記循環槽内の温度を複数の箇所で計測する、
   金属微粒子の作製方法。
2. 前記粒子分裂工程において、前記一次粒子に超音波を照射するための超音波振動子と、前記溶剤および前記一次粒子とを相対的に移動させ、前記超音波振動子に対する前記一次粒子の移動速度の制御によって、得られる金属微粒子の平均粒子径を制御する、
   請求項１に記載の金属微粒子の作製方法。
3. 溶剤内に供給した金属組成物に超音波を照射し、一次粒子を発生させるための粒子発生部と、
   前記一次粒子に超音波を照射し、前記一次粒子を分裂させるための粒子分裂部と、
   を有する、金属微粒子の作製装置であり、
   前記作製装置は、前記溶剤を循環させる循環槽を有し、
   前記粒子分裂部は、循環槽内に配置されており、
   前記循環槽は、
   底部に配置された超音波振動子と、
   前記溶剤の流速を制御するポンプと、
   前記溶剤を循環させる配管と、
   を有し、
   前記循環槽は、上流側の前記溶剤の温度が、前記金属組成物の融点以上となるように、かつ下流側の前記溶剤の温度が、前記金属組成物の融点未満となるように、ヒーター、冷却装置、および前記溶剤の温度を測定するための複数の温度計測部により温度が制御されている、
   金属微粒子の作製装置。
   
   
   

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