JP7165879B2 - 金属粒子製造方法および金属粒子製造装置 - 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、超音波破砕法などが知られている。

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る。具体的には、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ガス噴霧により数１０～数１００μｍの液滴の形態で吹きつけ、より薄い溶融金属膜をディスク上に生成させ、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）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し、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、特許文献１から４に開示された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形の金属粒子を効率的に得ることは困難である。

本開示は、小さな粒径、例えば１０μｍ以下の粒径を有する球形の金属粒子を効率よく製造することができる金属粒子製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

本開示の金属粒子製造方法は、金属材料を、前記金属材料の融点以上に加熱された第１液状媒体中にて溶融させる第１工程と、前記第１液状媒体中で超音波振動子の振動により発生した超音波キャビテーションで生じる衝撃波を発生させ、前記衝撃波を溶融した前記金属材料の表面に当てて、前記金属材料から金属粒子を得る第２工程と、を含み、前記第２工程は、前記第１液状媒体中の溶存気体濃度が所定範囲内となるように調整する第３工程を含み、前記金属材料は、ＳｎまたはＢｉを主成分とした金属または合金であり、前記第１液状媒体は、ブチルトリグリコールであり、前記所定範囲は１．５ｍｇ／Ｌ以上４．５ｍｇ／Ｌ以下である。

本開示の金属粒子製造装置は、第１液状媒体および金属材料を収容する第１槽と、前記第１液状媒体に超音波を照射して前記第１液状媒体内で衝撃波を発生させる超音波振動子と、前記金属材料の融点以上まで前記第１液状媒体を加熱する加熱装置と、前記第１液状媒体中の溶存気体濃度を調整する溶存気体濃度調整装置と、を有し、溶融した前記金属材料に前記衝撃波を当て、前記金属材料の表面から金属粒子を得、前記金属材料は、ＳｎまたはＢｉを主成分とした金属または合金であり、前記第１液状媒体は、ブチルトリグリコールであり、前記溶存気体濃度調整装置は前記第１液状媒体中の溶存気体濃度を１．５ｍｇ／Ｌ以上４．５ｍｇ／Ｌ以下に調整する。

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形の金属粒子を効率よく製造することができる。

本実施の形態１に係る金属粒子製造装置の構成について説明するための図 本実施の形態１における金属粒子の製造方法を説明するための図 本実施の形態１に係る金属粒子製造装置における、溶存気体濃度と金属粒子の製造量との関係を示す図 実施の形態２における金属粒子製造装置の構成について説明するための図

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。

（実施の形態１）
まず、本開示の実施の形態１について説明する。

＜金属粒子製造装置＞
図１は、本実施の形態１に係る金属粒子製造装置２００の構成について説明するための図である。図１に示すように、金属粒子製造装置２００は、第１槽２０１と、第２槽２０３と、超音波振動子２０７と、溶存気体濃度調整装置２０８と、加熱装置２０９と、を有する。第１槽２０１には、第１液状媒体２０２が収容される。第２槽２０３内には第１槽２０１が配置されており、第１槽２０１の周囲に第２液状媒体２０４が収容される。超音波振動子２０７は、第１槽２０１の外側、かつ第２槽２０３の内側において、第２液状媒体２０４に覆われるように配置される。溶存気体濃度調整装置２０８は、第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度を計測し、かつ第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度を調整する装置である。

＜製造方法＞
図２は、本実施の形態１における金属粒子の製造方法を説明するための図である。図２に示すように、ステップＳ１において、金属材料２０５が第１液状媒体２０２に浸漬される。次に、ステップＳ２において、第１液状媒体２０２が金属材料２０５の融点以上に加熱される。ステップＳ３において、第１液状媒体２０２（および金属材料２０５）が収容された第１槽２０１が、第２液状媒体２０４が収容された第２槽２０３内に配置される。ステップＳ４において、超音波振動子２０７を動作させ、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。ステップＳ５において、溶融した金属材料２０５から球形の金属粒子２０６が形成される。

なお、ステップＳ４は、以下のステップＳ４１を含む。すなわち、ステップＳ４１では、溶存気体濃度調整装置２０８が、第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度を常時計測し、所定の濃度範囲から逸脱している場合には、所定の濃度範囲となるように第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度を調整する。これにより、ステップＳ４における超音波キャビテーションの強度が最大化され、金属粒子を効率よく製造することができる。以下、各ステップの詳細について説明する。

＜ステップＳ１：金属材料を第１の液状媒体に浸漬＞
まず、金属粒子２０６の原料となる金属材料２０５が準備される。金属材料２０５は、第１液状媒体２０２中で溶融させる（換言すれば、金属材料２０５の融点が第１液状媒体２０２の沸点よりも低い）ことができれば、特に限定されない。金属材料２０５としては、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）が使用され得る。

また、第１液状媒体２０２および第２液状媒体２０４が準備される。これらの液状媒体は、後述する超音波振動子２０７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液状媒体２０２としては、金属材料２０５の融点より高い沸点を有し、熱的に安定な液体（換言すれば、金属材料２０５を溶融させるための加熱状態において分解しない、または分解し難い液体）が使用される。第１液状媒体２０２の沸点は、好ましくは金属材料２０５の融点より１００℃高く、より好ましくは１３０℃高い。なお、本明細書における沸点は、常圧下での沸点である。

第２液状媒体２０４は、第１液状媒体２０２とは異なり、特に限定されない。第２液状媒体２０４の沸点は、第１液状媒体２０２の沸点より低くてよい。また、第２液状媒体２０４の沸点は、金属粒子２０６を製造している間に亘って第２液状媒体２０４を沸点以下に維持できる限り、金属材料２０５の融点より低くてもよくい。このため、第２液状媒体２０４は、種々の液体を採用できる。第２液状媒体２０４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℃）などが挙げられる。なお、第２液状媒体２０４としては、第１液状媒体２０２とは異なる媒体を用いてもよいし、第１液状媒体２０２と同じ媒体を用いてもよい。

これら第１液状媒体２０２および第２液状媒体２０４は、それぞれ第１槽２０１および第２槽２０３に入れられる。第２槽２０３内には、超音波振動子２０７が、その超音波振動表面が第２液状媒体２０４に覆われるように設置されている。

第１槽２０１の厚さおよび材質は、超音波振動子２０７から発生される超音波を第２液状媒体２０４から第１液状媒体２０２へ効率的に伝播し得るように選択される。第１槽２０１の厚さは、例えば１．０ｍｍ以下、より好適には０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。第１槽２０１の材質は、例えば耐熱ガラス、セラミックなどである。第２槽２０３の厚さおよび材質は、特に限定されず、任意の適切な厚さおよび材質等が採用されうる。

本ステップＳ１では、上記のように準備された金属材料２０５が、図１および図２に示すように、第１槽２０１内の第１液状媒体２０２に浸漬される。

＜ステップＳ２：第１液状媒体を金属材料の融点以上に加熱＞
次に、加熱装置２０９により、第１液状媒体２０２が金属材料２０５の融点以上に加熱される。これにより、金属材料２０５が第１液状媒体２０２中で溶融する。

加熱装置２０９の加熱方法については特に限定されず、例えば、マイクロ波により加熱されてもよいし、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されてもよい。

なお、上記説明した、ステップＳ１（金属材料２０５の第１液状媒体２０２への浸漬）およびステップＳ２（第１液状媒体２０２の加熱）は、必ずしもこの順序で実行される必要はなく、任意の適切なタイミングで実行されてもよい。例えば、第１液状媒体２０２が金属材料２０５の融点以上に予め加熱され、その中に金属材料２０５が浸漬されるようにしてもよい。

＜ステップＳ３：第１槽を第２液状媒体に浸漬＞
上記説明したステップＳ２における第１液状媒体２０４の加熱により、金属材料２０５が溶融する。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後、本ステップＳ３が実行される。ステップＳ３において、第１液状媒体２０２（および金属材料２０５）が収容された第１槽２０１が、超音波振動子２０７が浸漬されている第２槽２０３内の第２液状媒体２０４に浸漬される。

＜ステップＳ４：超音波処理＞
次に、第２液状媒体２０４中に浸漬されている超音波振動子２０７が作動する。超音波振動子２０７は、図示しない超音波発振器からの高周波電力を受けて振動し、超音波を発生する。本発明において、超音波振動子２０７には、任意のものを使用できる。超音波振動子２０７としては、例えば、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２０７が利用されうる。

超音波振動子２０７の振動により発生した超音波は、第２液状媒体２０４および第１槽２０１の隔壁などを通じて第１液状媒体２０２へと伝播される（図１参照）。これにより、第１液状媒体２０２中でキャビテーションが生じる。

キャビテーションについて説明する。超音波振動子２０７の振動により発生した縦波は、第１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。このような超音波による気泡の生成と消滅が、キャビテーションと呼ばれる現象である。キャビテーションにより生じる衝撃波、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すると、無数の微細な金属粒子２０６の液滴が生成される。

超音波振動子２０７の周波数は、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２０７の周波数は、かかる範囲で、所望される粒径や生産効率などに基づいて選択されうる。

＜ステップＳ４１：第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度の制御＞
上記説明したステップＳ４において、換言すれば超音波振動子２０７が作動している間、溶存気体濃度調整装置２０８は、第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度が所定の濃度範囲内となるように溶存気体濃度調整処理を行う（ステップＳ４１）。

溶存気体濃度調整装置２０８は、例えば溶存ガスセンサ（図示せず）、脱気装置（図示せず）、および気体溶解装置（図示せず）を有する。溶存気体濃度調整装置２０８は、溶存ガスセンサにより第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度を計測し、計測結果が所定の濃度範囲外であった場合には、脱気装置により溶存気体濃度を低下させる、または気体溶解装置により溶存気体濃度を上昇させる。

ここで、溶存気体とは、例えば酸素である。脱気装置および気体供給装置には既存の装置がそれぞれ用いられればよい。

なお、溶存気体濃度の所定範囲とは、詳細は後述の実施例において説明するが、第１液状媒体２０２にブチルトリグリコール（ＢＴＧ：沸点２７１℃、粘度８．１ｍＰａ・ｓ）を用い、金属材料２０５にＳｎ－５８ｍａｓｓ％Ｂｉ（融点１３８℃、比重８．７６ｇ／ｃｍ^３）を用いた場合、例えば１．５ｍｇ／Ｌ以上４．５ｍｇ／Ｌ以下である。本実施の形態１に係る金属粒子製造装置２００では、この濃度範囲内において、金属粒子２０６の製造量が所定量より大きくなることが経験的に分かっている。この濃度範囲の数値の根拠は、以下の通りである。

通常、第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度は、約５ｍｇ／Ｌ以上である。なお、ここで言う通常とは、第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度が変化する事態が発生していない場合を意味している。すなわち、具体的には図２に示すフローチャートにおいて、超音波が照射されるステップＳ４より前（ステップＳ１～Ｓ３）における第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度が約５ｍｇ／Ｌである。

第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度が５ｍｇ／Ｌ以上である場合、液中に気泡が多数存在している。このような状態で第１液状媒体２０２に超音波が照射されても、気泡によって超音波の伝播が阻害されるため、溶存気体濃度が上記所定範囲内（１．５ｍｇ／Ｌ以上４．５ｍｇ／Ｌ以下）である場合と比較して、発生した衝撃波による衝撃圧が低下してしまう。キャビテーションで発生する衝撃圧が低下すると、溶融した金属材料２０５から液滴の発生効率も低下する。ここで本実施の形態１に係る金属粒子製造装置２００において、キャビテーションによる衝撃圧と、金属粒子２０６の製造量との間には、概ね比例関係があることが分かっている。このため、第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度が５ｍｇ／Ｌ以上である場合、溶存気体濃度が上記所定範囲内（１．５ｍｇ／Ｌ以上４．５ｍｇ／Ｌ以下）である場合と比較して、金属粒子２０６の製造効率が低下してしまう。

超音波を第１液状媒体２０２に照射し続けると、衝撃波により気泡が潰れるため、第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度は次第に低下する。これにより、超音波を第１液状媒体２０２に照射し続ければ金属粒子２０６の製造効率は徐々に上昇する。しかしながら、超音波の照射直後から効率よく金属粒子２０６を製造できた方がより好ましいため、溶存気体濃度調整装置２０８は、ステップＳ４において超音波の照射が開始される前に、ステップＳ４１として第１液状媒体２０２の溶存気体濃度が４．５ｍｇ／Ｌ以下となるように脱気処理を行う。これにより、超音波の照射開始直後から効率よく金属粒子２０６を製造できるようになる。

また、上記したように超音波の照射により液中の溶存気体濃度は低下するため、ステップＳ４の超音波処理が継続するにつれて、第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度は低下していく。低下した第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度が約１．５ｍｇ／Ｌ未満となった場合、キャビテーションの発生に寄与する溶存気体が少なすぎるために、キャビテーションによる衝撃圧が好適に発生せず、金属粒子２０６の製造量が低下してしまう。このため、溶存気体濃度調整装置２０８は、ステップＳ４における超音波の照射中、第１液状媒体２０２の溶存気体濃度が１．５ｍｇ／Ｌ以上となるように気体溶解処理を行う。

図３は、本実施の形態１に係る金属粒子製造装置２００における、溶存気体濃度と金属粒子２０６の製造量との関係を示す図である。図３は、第１液状媒体２０２にブチルトリグリコール（ＢＴＧ：沸点２７１℃、粘度８．１ｍＰａ・ｓ）を用い、金属材料２０５にＳｎ－５８ｍａｓｓ％Ｂｉ（融点１３８℃、比重８．７６ｇ／ｃｍ^３）を用いた場合の例である。図３に示すように、第１液状媒体２０２の溶存気体濃度が１．５／Ｌｍｇ以上４．５ｍｇ／Ｌ以下である場合には、時間あたりの製造量が５００ｇ／ｈを越えることが分かる。なお、図３に示す溶存気体濃度と金属粒子２０６の製造量との関係は一例であり、液状媒体が変われば金属粒子を効率よく製造できる溶存気体濃度の範囲も変わる。

＜ステップＳ５：金属粒子の形成＞
上記したように、ステップＳ４におけ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の表面に作用することで、溶融した金属材料（液塊）２０５から球形の金属粒子２０６が液滴の形態で分離形成される。形成された金属粒子２０６の液滴は、第１液状媒体２０２中で自らの表面張力により球形となる。これにより、粒径が小さく、かつ球形である金属粒子２０６が製造される。具体的には、金属粒子２０６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。

以上説明したように、本実施の形態１に係る金属粒子製造装置２００では、ステップＳ４において溶存気体濃度調整装置２０８が第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度を所定範囲内に調整することにより、小さな粒径、例えば１０μｍ以下の粒径を有する球形の金属粒子２０６を、効率よく製造することができる。

（実施の形態２）
次に、本開示の実施の形態２について説明する。

＜製造装置＞
図４は、実施の形態２における金属粒子製造装置９００の構成について説明するための図である。図４に示すように、金属粒子製造装置９００は、第１槽９０２と、第２槽９０４と、ホッパー９０８と、加熱装置９０９と、超音波振動子９１２と、冷却装置９１３と、溶存気体濃度調整装置９１７と、を有する。第１槽９０２には、第１液状媒体９０１が収容される。第２槽９０４内には第１槽９０２が配置されており、第１槽９０２の周囲に第２液状媒体９０３が収容される。超音波振動子９１２は、第１槽９０２の外側、かつ第２槽９０４の内側において、第２液状媒体９０３に覆われるように配置される。溶存気体濃度調整装置９１７は、第１液状媒体９０１中の溶存気体濃度を計測し、かつ第１液状媒体９０１中の溶存気体濃度を制御できる装置である。

第１槽９０２は、第１液状媒体９０１の入口部Ｘおよび出口部Ｙを有する。入口部Ｘにはと出口部Ｙには接続パイプ９０５が接続されている。これにより、出口部Ｙの下流側と入口部Ｘの上流側とが互いに接続されている。出口部Ｙの下流側には金属粒子回収部９０６が接続されており、第１液状媒体９０１中の金属粒子９１５が回収される。金属粒子回収部９０６の下流側はポンプ９０７に接続されており、金属粒子９１５が回収された第１液状媒体９０１は、接続パイプ９０５を通り、第１槽９０２へと戻る。これにより、第１液状媒体９０１は、第１槽９０２、金属粒子回収部９０６、接続パイプ９０５を通って循環する。

金属粒子回収部９０６は、例えば液体サイクロンなどである。接続パイプ９０５については、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る。

第１液状媒体９０１の循環経路における第１槽９０２の入口部Ｘの手前には、金属材料９１６を投入するためのホッパー９０８が設けられる。これにより、金属粒子９１５の生成で消費された金属材料９１５が第１槽９０２内に補填される。

また、接続パイプ９０５における第１槽９０２とポンプ９０７との間には、溶存気体濃度調整装置９１７および加熱装置９１１が設けられる。溶存気体濃度調整装置９１７は、溶存ガスセンサにより第１液状媒体９０１中の溶存気体濃度を計測し、計測結果が所定の濃度範囲外であった場合には、脱気装置により溶存気体濃度を低下させる、または気体溶解装置により溶存気体濃度を上昇させる。加熱装置９１１は、例えば電熱ヒーターなどである。

また、第１槽９０２の上部には、第１槽９０２内に収容される第１液状媒体９０１を加熱する非接触の加熱装置９０９が設けられる。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る。

第２槽９０４内の第２液状媒体９０３は、パイプ９１４を介して接続された冷却装置９１３によって冷却される。冷却装置９１３は、例えばチラーなどである。

＜製造方法＞
本実施の形態２における金属粒子９１５の製造方法について詳細に説明する。なお、金属材料９１６、第１液状媒体９０１および第２液状媒体９０３には、上記説明した実施の形態１の金属材料２０５、第１液状媒体２０２および第２液状媒体２０４と同様の物質が使用されうる。

金属材料９１６は、ダイスまたは粒状等に加工され、予めホッパー９０８に入れられている。第１液状媒体９０１は、ポンプ９０７により、溶存気体濃度調整装置９１７、第１槽９０２、金属粒子回収部９０６、接続パイプ９０５を通って循環する。第１液状媒体９０１は、加熱装置９０９により、金属材料の融点以上に加熱される。

一方、第２液状媒体９０３は、冷却装置９１３により沸点より低い所定の温度、例えば６０℃以下になるように保たれ、第２槽９０４と冷却装置９１３とを循環する。

第１槽９０２内における第１液状媒体９０１の温度が金属材料９１６の融点以上になると、第１槽９０２内の金属最良９１６の量が所定量となるように、ホッパー９０８から金属材料９１６が第１液状媒体９０１中に供給される。金属材料９１６は、第１液状媒体９０１と共に第１槽９０２内に移動し、第１液状媒体９０１に浸漬された状態で第１槽９０２内に配置される。その状態で、金属材料９１６は、融点以上の第１液状媒体９０１によって溶融し、少なくとも表面が液状となって第１槽９０２の底部で広がって液塊を形成する。

次に、第２液状媒体９０３中で超音波振動子９１２が作動すると、超音波振動子９１２の振動により発生した超音波が、第２液状媒体９０３および第１槽９０２の隔壁等を通じて第１液状媒体９０１へと伝播される。これにより、第１液状媒体９０１中で超音波によるキャビテーションが生じる。キャビテーションにより発生した衝撃波が溶融した金属材料９１６の表面に作用すると、溶融した金属材料９１６（液塊）から球形の金属粒子９１５が液滴の形態で分離形成される。

その後、第１槽９０２の出口部Ｙから第１液状媒体９０１が金属粒子９１５と共に流出する。より詳細には、これら金属粒子９１５は液滴として第１液状媒体９０１中で浮遊しており、第１液状媒体９０１の流れに乗って金属粒子回収部９０６へ流れ出る。

第１槽９０２から金属粒子回収部９０６へ流れる間、第１液状媒体９０１の温度が徐々に低下し、第１槽９０２で形成された金属粒子９１５の液滴が次第に凝固して固体の金属粒子９１５となる。この固体の金属粒子９１５は、金属粒子回収部９０６にて第１液状媒体９０１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、図４のＰ点から抽出される。

金属粒子９１５が抽出された第１液状媒体９０１は、ポンプ９０７により、Ａ点からＢ点に接続パイプ９０５により移送され、第１槽９０２の入口部Ｘに戻される。なお、第１液状媒体９０１は、第１槽９０２に戻されるまでに、溶存気体濃度調整装置９１７にて溶存気体濃度が所定の濃度範囲となるように調整され、更に加熱装置９１１にて加熱される。溶存気体濃度調整装置９１７が調整する第１液状媒体９０１中の溶存気体濃度の範囲については、上記実施の形態１と同様の範囲とすればよい。

このように、第１槽９０２内で金属粒子９１５を形成することで消費された金属材料９１６を補填するように、ホッパー９０８は、循環する第１液状媒体９０１中に、新たな金属材料９１６を、例えば所定時間毎に供給する。実施の形態２に係る金属粒子製造装置９００では、このような操作が繰り返し行われることにより、金属粒子９１５が連続的に製造される。

なお、実施の形態２に係る金属粒子製造装置９００においても、実施の形態１と同様に、溶存気体濃度調整装置９１７が第１槽９０２内に供給される第１液状媒体９０１の溶存気体濃度を常時調整するため、効率よく金属粒子９１５の製造を行うことができる。

以上、２つの実施の形態について説明したが、本開示はこれらの実施の形態には限定されず、種々の改変が可能である。例えば、上記した実施の形態では金属粒子製造装置２００，９００は常圧下において使用されていたが、例えば加圧または減圧下にて使用されてもよい。

＜作用・効果＞
以上説明したように、本開示の実施の形態に係る金属粒子製造方法は、金属材料２０５（９１６）を、金属材料２０５（９１６）の融点以上に加熱された第１液状媒体２０２（９０１）中にて溶融させる第１工程と、第１液状媒体２０２（９０１）中で衝撃波を発生させ、衝撃波を溶融した金属材料２０５（９１６）の表面に当てて、金属材料２０５（９１６）から金属粒子２０６（９１５）を得る第２工程と、を含み、第２工程は、第１液状媒体２０２（９０１）中の溶存気体濃度が所定範囲内となるように調整する第３工程を含む。

このような構成により、第１液状媒体２０２（９０１）内で超音波のキャビテーションにより生じる衝撃波が、溶存気体濃度が所定範囲外である場合と比較して大きくなる。このため、衝撃波が金属材料２０５（９１６）の表面に作用して生じる金属粒子２０６（９１５）を効率よく製造することができる。

なお、第３工程では、第２工程における超音波の照射前には第１液状媒体２０２（９０１）に対する脱気処理が行われ、超音波の照射中または照射後には第１液状媒体２０２（９０１）に対する気体溶解処理が行われる。

特に、金属材料２０５（９１６）としてＳｎまたはＢｉを主成分とした金属または合金を用い、第１液状媒体２０２（９０１）としてブチルトリグリコールを用いた場合に、所定範囲は１．５ｍｇ／Ｌ以上４．５ｍｇ／Ｌ以下である。このような範囲に第１液状媒体２０２（９０１）の溶存気体濃度を調整することで、金属粒子２０６（９１５）をより効率よく製造することができる。

［実施例１］
以下、上記実施の形態１にて説明した金属粒子製造装置２００を用いた金属粒子の製造方法の実施例について説明する。本実施例１においては、金属材料２０５としてＳｎ－５８ｍａｓｓ％Ｂｉ（融点１３８℃、比重８．７６ｇ／ｃｍ^３）を用い、第１液状媒体２０２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。

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槽２０１）に入れた。次に、Ｓｎ－５８ｍａｓｓ％Ｂｉ（金属材料９１６）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。μＲｅａｃｔｏｒＥＸ（四国計測工業株式会社製）を用いて、マイクロ波により上記のＢＴＧを１７０℃まで加熱してＳｎ－５８ｍａｓｓ％Ｂｉを溶融させた。この間、脱気装置を用いて、ＢＴＧの溶存気体濃度が４．５ｍｇ／Ｌまで脱気した。

別途、底部に超音波振動子２０７（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液状媒体２０４）で満たされた冷却容器（第２槽２０３）を準備した。そして、この冷却容器の水中に、上記のビーカーを、ビーカー内の液面と冷却容器内の液面とが等しくなるまで浸漬させた。

この状態で、超音波振動子２０７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作動させた。超音波振動子２０７の作動中は溶存気体濃度調整装置２０８によりＢＴＧ中の溶存気体濃度を常時計測し、溶存気体濃度が１．５ｍｇ／Ｌ以下になった際には気体溶解装置を用いて、溶存気体濃度が常に１．５ｍｇ／Ｌ以上４．５ｍｇ／Ｌ以下となるように制御した。超音波を１時間照射した後、超音波振動子を停止した。

上記により得られた粒径１～６μｍの範囲の金属粒子の製造量は５０８ｇ／ｈであり、基準値である５００ｇ／ｈを上回った。なお、基準値とは、金属粒子の製造量と製造コストとの兼ね合い等から決まる目標値である。

［実施例２］
本実施例２では、ＢＴＧ中の溶存気体濃度を超音波照射前に４ｍｇ／Ｌまで脱気した（実施例１では４．５ｍｇ／Ｌ）。また、超音波照射中はＢＴＧの溶存気体濃度を２ｍｇ／Ｌ以上４ｍｇ／Ｌ以下の範囲に制御した（実施例１では１．５ｍｇ／Ｌ以上４．５ｍｇ／Ｌ以下）。それ以外の条件は実施例１と同様とした。本実施例２では、得られた粒径１～６μｍの範囲の金属粒子の製造量は５９１ｇ／ｈであった。

［実施例３］
第１液状媒体２０２中の溶存気体濃度を超音波照射前に３ｍｇ／Ｌまで脱気した（実施例１では４．５ｍｇ／Ｌ）。また、超音波照射中はＢＴＧの溶存気体濃度を２ｍｇ／Ｌ以上３ｍｇ／Ｌ以下の範囲に制御した（実施例１では１．５ｍｇ／Ｌ以上４．５ｍｇ／Ｌ以下）。上記により得られた粒径１～６μｍの範囲の金属粒子の製造量は６３０ｇ／ｈであった。

以上の実施例により、第１液状媒体２０２にブチルトリグリコール（ＢＴＧ）を用い、金属材料２０５にＳｎ－５８ｍａｓｓ％Ｂｉを用いたとき、好ましくは溶存気体濃度が１．５ｍｇ／Ｌ以上４．５ｍｇ／Ｌ以下、より好ましくは溶存気体濃度が２ｍｇ／Ｌ以上３ｍｇ／Ｌ以下に調整した場合に、粒径が小さい金属粒子を効率よく製造できることが分かる。

本開示は、粒径が小さい金属粒子を製造する金属粒子装置に有用である。

２００ 金属粒子製造装置
２０１ 第１槽
２０２ 第１液状媒体
２０３ 第２槽
２０４ 第２液状媒体
２０５ 金属材料
２０６ 金属粒子
２０７ 超音波振動子
２０８ 溶存気体濃度調整装置
２０９ 加熱装置
９００ 金属粒子製造装置
９０１ 第１液状媒体
９０２ 第１槽
９０３ 第２液状媒体
９０４ 第２槽
９０５ 接続パイプ
９０６ 金属粒子回収部
９０７ ポンプ
９０８ ホッパー
９０９ 非接触加熱装置
９１１ 加熱装置
９１２ 超音波振動子
９１３ 冷却装置
９１４ パイプ
９１５ 金属粒子
９１６ 金属材料
９１７ 溶存気体濃度調整装置

Claims (5)

1. 金属材料を、前記金属材料の融点以上に加熱された第１液状媒体中にて溶融させる第１工程と、
   前記第１液状媒体中で超音波振動子の振動により発生した超音波キャビテーションで生じる衝撃波を発生させ、前記衝撃波を溶融した前記金属材料の表面に当てて、前記金属材料から金属粒子を得る第２工程と、を含み、
   前記第２工程は、前記第１液状媒体中の溶存気体濃度が所定範囲内となるように調整する第３工程を含み、
   前記金属材料は、ＳｎまたはＢｉを主成分とした金属または合金であり、前記第１液状媒体は、ブチルトリグリコールであり、前記所定範囲は１．５ｍｇ／Ｌ以上４．５ｍｇ／Ｌ以下である、
   金属粒子製造方法。
2. 前記第３工程は、前記衝撃波が前記金属材料に当てられるより前に行われる前記第１液状媒体の脱気処理と、前記衝撃波が前記金属材料に当てられ始めた後に行われる前記第１液状媒体の気体溶解処理と、を含む、
   請求項１に記載の金属粒子製造方法。
3. 第１液状媒体および金属材料を収容する第１槽と、
   前記第１液状媒体に超音波を照射して前記第１液状媒体内で衝撃波を発生させる超音波振動子と、
   前記金属材料の融点以上まで前記第１液状媒体を加熱する加熱装置と、
   前記第１液状媒体中の溶存気体濃度を調整する溶存気体濃度調整装置と、
   を有し、
   溶融した前記金属材料に前記衝撃波を当て、前記金属材料の表面から金属粒子を得、
   前記金属材料は、ＳｎまたはＢｉを主成分とした金属または合金であり、前記第１液状媒体は、ブチルトリグリコールであり、
   前記溶存気体濃度調整装置は前記第１液状媒体中の溶存気体濃度を１．５ｍｇ／Ｌ以上４．５ｍｇ／Ｌ以下に調整する、
   金属粒子製造装置。
4. 前記第１液状媒体中の前記金属粒子を回収する金属粒子回収部を更に有し、
   前記第１槽は、前記第１液状媒体が流れ込む入口部および前記第１液状媒体が流れ出す出口部を有し、前記出口部と前記入口部とは接続パイプを介して互いに接続されており、
   前記金属粒子回収部は、前記出口部の下流側と前記入口部の上流側との間に配置されており、
   前記金属粒子が回収された後の前記第１液状媒体は、前記接続パイプを通って前記第１槽の入口部に戻る、
   請求項３に記載の金属粒子製造装置。
5. 前記溶存気体濃度調整装置は、前記第１液状媒体の溶存気体濃度が所定の濃度範囲より高い場合には前記第１液状媒体の脱気処理を行い、前記第１液状媒体の溶存気体濃度が前記所定の濃度範囲より低い場合には前記第１液状媒体の気体溶解処理を行う、
   請求項３または４に記載の金属粒子製造装置。

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