JP4127320B2 - 低融点金属粒子の製造方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は低融点金属粒子、特にプリント基板のはんだ付けに用いるソルダペースト用のはんだ粒子を製造するのに適した方法及びその装置に関する。

近年、電子部品のはんだ付けとしては、リフロー法が多用されている。このリフロー法とは、ソルダペーストを用いてはんだ付けする方法であり、ソルダペーストの印刷塗布、リフロー加熱の工程を経てはんだ付けを行うものである。即ち、リフロー法における印刷塗布工程は、はんだ付け部と一致したところに孔が穿設されたマスクを被はんだ付け物の上に載置し、該マスクの上にソルダペーストを置いてからスキージで掻き均してマスクの孔にソルダペーストを充填する。そしてマスクを上方に引き離すと、マスクの孔に充填されていたソルダペーストがはんだ付け部に移って塗布される。これを版抜けという。その次のリフロー加熱工程は、ソルダペーストが塗布された部位に電子部品を搭載してからリフロー炉のような加熱装置で加熱し、ソルダペーストを溶融させる。このリフロー法は、はんだ付け部全体を一度の作業ではんだ付けが行えるという作業性に優れているばかりでなく、不要箇所にははんだが付着しないため信頼性の面でも優れたはんだ付け方法である。

このリフロー法に用いるソルダペーストとは、はんだ粒子とペースト状のフラックスを混練したものであり、適度な粘調性を有している。
ここで近時の電子部品の状況について簡単に説明する。携帯機器の多機能化と小型軽量化に伴い、チップ部品も1005（10mm×5mm）から0603（6mm×3mm）の時代となり、さらに0402（4mm×2mm）と微小化が進んでいる。半導体の加工も主流のワイヤーボンディングから小型化と信号の高速処理を目的にフリップチップ実装が増加傾向となっている。また先端分野では品質・信頼性とともに部品価格の追求が一段と厳しくなっている。フリップチップ実装においてもコストを重視して金バンプからソルダバンプ、ソルダバンプもはんだメッキ・ソルダボールよりもコスト的に有利なソルダペーストによる安定したバンプ形成法が多く研究開発されている。

通常、微小面実装・印刷法によるウエハーバンプ形成の課題は、安定したソルダペーストの印刷と確実な版抜けである。このウエハーバンプ形成では、一電極当たりのはんだ粒子は通常横並びにすると、少なくても6〜10個程度は必要である。0402チップの電極寸法を0.18mmとすると、はんだ粒子の粒径は#10（5〜15mm）と＃21（15〜25mm）の適正なブレンドが必要となる。また直径100μｍのウエハーバンプでは、はんだ粒子の径が10μｍが限界であり、安定した版抜け性を維持するためには5〜10μｍ程度が要求される。

ところでソルダペーストに用いるはんだ粒子の製造方法としては、溶融はんだを細いノズルからドラム内で滴下すると同時に、この液滴を高圧気体で吹き飛ばして細かな粒子にするアトマイズ法（特許文献１）や、溶融はんだを高速で回転する円盤上に滴下させ、回転円盤の遠心力で飛散させて細かな粒子にする回転円盤法（特許文献２）や、そして高温となった油中にはんだを投入して溶融するとともに、油と溶融はんだを攪拌分散装置で攪拌することにより細かな粒子にする攪拌分散法(特許文献３)等がある。これらのはんだ粒子の製造方法で得られたはんだ粒子は、そのままでは小さいもので数μｍ、大きいもので100μｍ以上というように、大小様々のはんだ粒子が混ざり合っている。
特開平7-258707号公報 特開平9-10990号公報 特開平2-118003号公報

このように大小様々なはんだ粒子が混ざり合っているソルダペーストでは、前述の微小チップ部品のはんだ付け部やウエハーバンプ形成箇所にマスクを用いて印刷塗布しても、マスクの微小な孔にソルダペーストが完全に充填されなかったり、たとえソルダペーストが充填できたとしても、今度は版抜け性が悪かったりして、きれいに印刷ができない。そのため、現状は分級工程を組み込むことで粒径の調整を行っているが、取扱中における粒子の酸化の問題等も生じる。本発明は、微小はんだ付け部へきれいな印刷ができ、かつはんだ付け性のよいソルダペースト用の低融点金属粒子を製造する方法および装置を提供することにある。

本発明者らは、液体金属粉末を耐熱性連続相液体とともに膜状多孔質体の細孔に透過させると、液体金属粒子は膜状多孔質体の細孔径と同程度、若しくはそれ以下の大きさに微細化されることを見いだし、本発明を完成させた。

本発明における金属粒子生成の原理を説明する模式図である。 本発明にかかる製造装置の基本構造を表した概念図である。 基本構造からさらに金属粒子の均一化を図った変更例の概念図である。 基本構造からさらに金属粒子の均一化を図った別の変更例の概念図である。 図５(1)〜(4)は本発明にかかる製造装置の要部の概念図である。 図５(1)を具体化した製造装置の説明図である。

符号の説明

A 加圧室側
B 成形室側
T 膜状多孔質体
H 孔
L 耐熱性連続相液体
P 液体金属粉末
G 液体金属粒子

本発明では、粉状の低融点金属を基に所望の粒径の低融点金属粒子を得るものであるが、膜状多孔質体透過前と透過後を区別するために、膜状多孔質体を透過させる前のものを便宜上「粉末」と称し、膜状多孔質体透過後のものを「粒子」と称するようにした。また溶融状態の金属を液体金属、固体状態の金属を固体金属と称することとした。さらにまた本明細書では、100〜250℃の範囲に融点がある金属を「低融点金属」と記し、100℃以下の融点を有する金属は、特に「超低融点金属」と記して区別する。一方、低融点金属がはんだの場合、鉛が主成分の１つとして含まれるものを鉛はんだ、主成分としては含有していないものを鉛フリーはんだと記して区別する。

そして本明細書で用いる用語を次のように定義した。
「分散安定剤」は液体金属同士の合一を抑制する作用を示す物質の総称である。
本明細書では積算体積分布の50%径を平均粒径とし、個々の粒子そのものの大きさを粒子の粒径と呼ぶこととする。

膜状多孔質体の細孔径は相対累積細孔分布曲線において、貫通細孔容積が全体の 50 % を占めるときの細孔径を意味する。
本発明は、溶融状態の低融点金属粉末と該低融点金属の融点以上の温度となった耐熱性連続相液体とからなる混合物に一定以上の圧力をかけて、二個以上の孔が連通した膜状多孔質体に該混合物を透過させることにより液体金属粉末を所定の径の液体金属粒子に成形し、その後、該液体金属粒子と耐熱性連続相液体を低融点金属の融点以下に冷却することにより固体金属粒子を得ることを特徴とする低融点金属粒子の製造方法である。

またもう一つの発明は、少なくとも、液体金属粉末と耐熱性連続相液体を加熱・分散させる分散機構と二個以上の連通した孔を有する膜状多孔質及び膜状多孔質体を透過した液体金属粒子を冷却する冷却機構から成ることを特徴とする低融点金属粒子の製造装置である。

本発明において、金属粒子生成の原理を図１で説明する。多数の孔H・・・を有する膜状多孔質体Tの一方を加圧室側A、他方を成形室側Bとする。加圧室側Aには膜状多孔質体Tの孔Hの径よりも大径の液体金属粉末P・・・が耐熱性連続相液体Lとともに入れられている。そして加圧室側Aから圧力（下部の大矢印）をかけると、大径の液体金属粉末P・・・は、耐熱性連続相液体Lとともに膜状多孔質体Tの孔H・・・を透過して成形室側Bに移動する。このとき、大径の液体金属粉末P・・・は、液体金属粒子G・・・に成形され、また膜状多孔質体Tの孔Hを透過した後の液体金属粒子の大きさは、膜状多孔質体の細孔径及び液体金属粉末の膜に対する透過速度により決定される。つまり得られる液体金属粒子の粒径は、用いる膜状多孔質体の細孔径に依存するとともに、膜状多孔質体に対する透過速度如何によって孔径と同程度、或いは孔径以下に成形でき、しかも適切に条件を設定することで膜状多孔質体の孔を透過した後の液体金属粒子の粒径を一定範囲内で制御することができる。

本発明で使用する低融点金属は、250℃以下に融点があれば特に制限されず、例えば、Sn/Pb系、Sn/Bi/Pb系、Sn/Ag/Pb系、Sn/Sb/Pb系、Sn/Ag/Bi/Pb系、Sn/Sb/Ag/Pb系などの鉛はんだ、Sn、Sn/Ag系、Sn/Cu系、Sn/Bi系、Sn/In系、Sn/Zn系、Sn/Sb系、Sn/Ag/Cu系、Sn/Zn/Bi系、Sn/Cu/Sb系、Sn/Bi/Ag系、Sn/Bi/In系、Sn/Cu/Ni系、Sn/Zn/In系、Sn/Ag/Bi/Cu系、Sn/Ag/Cu/In系、Sn/Ag/Cu/Sb系、Sn/Ag/Cu/Bi/In系などの鉛フリーはんだ、Bi/Pb/Sn系、Bi/Sn/Cd系、Bi/Pb/Sn/Cd系、Bi/Pb/Sn/Cd/In系などの超低融点金属およびこれらの混合物が使用できる。一般的にこうした合金の主組成割合（質量％）と融点は、63Sn/37Pbの共晶合金では183℃、(46〜60)Sn/(3〜8)Bi/(37〜46)Pbは172〜190℃、(62〜62.8)Sn/(0.4〜2)Ag/(36〜36.8)Pbは約179℃、(10〜27)Sn/(3〜8)Sb/(70〜82)Pbは188〜261℃、(42〜56)Sn/(1〜3)Ag/(2〜14)Bi/(39〜42)Pbは137〜178℃、65Sn/0.5Sb/0.4Ag/34.1Pbは180〜186℃、Snは232℃、96.5Sn/3.5Agの共晶合金は221℃、97Sn/3Agは約222℃9.25Sn/0.75Cuの共晶合金は227℃、42Sn/58Biの共晶合金は139℃、48Sn/52Inの共晶合金は118℃系、91Sn/9Znの共晶合金は199℃、99Sn/1Sbの共晶合金は232℃、95Sn/5Sbは232〜240℃、(95.5〜99)Sn/(0.3〜3.5)Ag/(0.5〜0.75)Cuは215〜227℃、(89〜89.5)Sn/(7.5〜8)Zn/3Biは190〜199℃、(98.8〜99)Sn/(0.7〜0.9)Cu/0.3Sbは227〜229℃、(42〜90.5)Sn/(7.5〜57)Bi/(1〜2)Agは138〜229℃、70Sn/20Bi/10Inは147〜169℃、99.2Sn/0.7Cu/0.1Niは227〜229℃、86Sn/9Zn/5Inは188℃、(77.5〜96)Sn/(2〜3.2)Ag/(1〜20)Bi/(0.5〜0.75)Cuは138〜221℃、95.3Sn/3Ag/0.7Cu/1Inは214〜217℃、(95.6〜96.2)Sn/(2.5〜3.4)Ag/(0.5〜0.8)Cu/(0.2〜0.5)Sbは216〜221℃、92.8Sn/3Ag/0.7Cu/1Bi/2.5Inは204〜215℃、49Bi/18Pb/12Sn/他は約58℃、50Bi/22Sn/2.8Cdは68℃、(42.5〜50)Bi/(26.7〜37.7)Pb/(11.3〜13.3)Sn/(8.5〜10)Cdは70〜100℃、44.7Bi/22.6Pb/8.3Sn/5.3Cd/Inの共晶合金は46.8℃であるが、これらの組成を変更したり、別の金属を添加したり、あるいは微量な成分を添加した合金であっても、基本的に融点が250℃以下であればよい。

本発明に使用する耐熱性連続相液体としては、低融点金属の融点よりも沸点が高く、添加する分散安定剤が十分溶解あるいは均一に分散できるものであればよく、油脂類、ロウ類、石油系油剤、有機溶剤、合成系油剤など多くの油剤を単独もしくは２種以上を混合して使用できる。好ましい該液体としては、鉱物油、植物油、グリコール類等であり、また融点が100℃以下の超低融点金属粉末に対しては、水やトルエンのように沸点の高い有機溶剤等も使用可能である。

上記耐熱性連続相液体は、単体で使用したり混ぜ合わせて使用したり、さらには分散安定剤を添加して使用したりすることも可能である。本発明においては、分散安定剤の添加の有無は液体金属粒子自体の生成過程に本質的には影響しない。従って、分散安定剤を添加せずとも液体金属粒子の生成は可能である。しかし、分散安定剤は膜状多孔質体を透過する前の液体金属粉末や透過後の液体金属粒子が合一するのを抑止できる。そのため分散安定剤の添加は、製造される低融点金属粒子の歩留まりを向上させ、さらに耐熱性連続相液体に対する液体金属粉末の割合を大きくできることから、単位時間当たりの生産性を向上させる効果がある。耐熱性連続相液体中の分散安定剤の種類は、耐熱性連続相液体に均一に分散し、金属の融点付近の温度であっても液体金属粒子の合一を抑制する作用を示すものであれば特に限定されない。

耐熱性連続相液体として油剤を用いる場合、例えば、ステアリン酸カルシウム、オレイン酸カルシウム、リシノール酸カルシウム、ラウリン酸カルシウム、ベヘン酸カルシウム、オクタン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛、ラウリン酸亜鉛、パルミチン酸亜鉛、ミリスチン酸亜鉛、ウンデシレン酸亜鉛、オレイン酸亜鉛、リシノール酸亜鉛、ベヘン酸亜鉛、サリチル酸亜鉛、ナフテン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウム、ミリスチン酸マグネシウム、オレイン酸マグネシウム、ステアリン酸アルミニウム、ベヘン酸アルミニウム、オクタン酸アルミニウム、ステアリン酸鉛、オレイン酸鉛、オクタン酸鉛、ナフテン酸鉛、その他、コバルト石鹸、ニッケル石鹸、鉄石鹸、銅石鹸、マンガン石鹸、スズ石鹸、リチウム石鹸などの金属石鹸が有効である。また、酪酸、カプロン酸、カプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、ベヘニン酸などの飽和脂肪酸及びオレイン酸、リノール酸、リノレン酸、エルカ酸などの不飽和脂肪酸は、油剤と金属液体の界面に配向し、上記金属石鹸と同じ分散作用を示す。さらにカプリル酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ベヘニン酸、オレイン酸、リノール酸、エルカ酸、縮合リシノール酸、イソパルミチン酸、イソステアリン酸、混合脂肪酸とポリグリセリンとのエステルであるポリグリセリン脂肪酸エステルやショ糖ステアリン酸エステル、ショ糖パルミチン酸エステル、ショ糖ミリスチン酸エステル、ショ糖オレイン酸エステル、ショ糖ベヘニン酸エステル、ショ糖エルカ酸エステルなどのショ糖脂肪酸エステルも良好な分散作用を示す。ポリグリセリン脂肪酸エステル及びショ糖脂肪酸エステルは食品添加物としても広く用いられている非イオン系の界面活性剤であり、ポリグリセリン脂肪酸エステルについてはポリグリセリンの重合度およびエステル化度、ショ糖脂肪酸エステルについてはエステル化度によって親水性、親油性の度合いが異なるものが存在するが耐熱性連続相液体の種類などに応じて適宜選択すればよい。また耐熱性連続相液体として水や、水系の溶剤であるポリエチレングリコールなどのグリコール類などを用いる場合には、一般的な陰イオン系界面活性剤、非イオン系界面活性剤、陽イオン系界面活性剤の他、高分子界面活性剤、フッ素系界面活性剤、有機金属界面活性剤などが挙げられる。またこれらとは別に、ショ糖のように糖類の中にも合一抑制作用を示すものがある。これらは単独もしくは2種以上混合してもかまわない。

本発明に使用して特に好適な分散安定剤としては、テトラグリセリン縮合リシノレイン酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル等である。
本発明の装置に使用する膜状多孔質体としては、均一な貫通孔を有し、しかも低融点金属の溶融温度で変質したり破壊したりしないものであればよい。膜状多孔質体の細孔は円柱状であっても、角柱状であっても、あるいは他の形状であってもかまわない。また、細孔が膜面に対して垂直あるいは斜めに貫通したり、あるいは絡み合い構造でも粒子は生成する。肝心なのは、細孔の水力学的直径及び有効長さが均一であることであり、こうした細孔構造を有し、液体金属の融点より高い耐熱性がある膜状多孔質体であれば本発明に使用することができる。一般に、膜状多孔質体はパイプ状、或いは平膜型など形状によって多くの種類があり、構造的にも対称膜と非対称膜あるいは均質膜と不均質膜などに分けられるが、そうした形状や構造は本質的に本発明の効果に影響を与えないので、特に制限されない。膜状多孔質体の材質も、例えば、ガラス、セラミックス、シリコン、耐熱性高分子や金属などが挙げられ、接触角が90°を越えて液体金属に濡れないものであれば、特に制限されない。

また、本発明においては、液体金属粉末を膜状多孔質体に透過させるのに必要な圧力が非常に重要であるが、目的の細孔径を有するスキン層及びスキン層より細孔径の大きな支持層からなる非対称構造の非対称膜を用いた場合には、同じ膜厚を有し、かつ細孔径が該非対称膜のスキン層と同一である対称膜よりも必要な圧力を低減することが可能である。

本発明に使用して好適な膜状多孔質体としては、多孔質ガラス、多孔質無機セラミックス、金属多孔質体があげられる。
本発明においては液体金属粉末を膜状多孔質体に圧入するために最低限必要な臨界圧が存在する。該臨界圧以下では混合物中の液体金属粉末が膜状多孔質体によって阻止され、耐熱性連続相液体のみが膜状多孔質体を透過するという濾過の状態になり、やがて膜状多孔質体上に堆積した液体金属粉末により膜状多孔質体の孔が閉塞する。また臨界圧以上であっても、部分的に液体金属粉末の濃度が高い部分が存在すると、そこで液体金属粉末の圧入に要する圧力が増大し、臨界圧以下の場合と同様に閉塞する場合がある。従って、できるだけ液体金属粉末が混合物中で均一に分散した状態で速やかに膜状多孔質体を透過させることが望ましい。

上記の理由により液体金属粉末を一定の圧力下で、膜状多孔質体にスムーズに透過させるためには混合物中の濃度が均一であることが望ましい。そのため、混合物を入れた容器内に攪拌装置を設置して、該攪拌装置で混合物を攪拌し、混合物の濃度をできるだけ均一にする。攪拌装置としては、如何なるものでもよいが、本発明に使用して好適な攪拌装置は、スタラーやプロペラである。また、液体金属粉末を混合物中に均一に分散することが可能であれば、上記攪拌装置に限らず、市販されている各種分散・混合装置も使用することができる。

以下、図面に基づいて本発明の低融点金属粒子の製造装置を説明する。図２は本発明低融点金属粒子の製造装置（以下、単に製造装置という）の基本構造を表す概念図、図３、４は該基本構造において液体金属粒子の粒度をさらに均一化するための概念図、図５(1)〜(4)は製造装置の要部をアレンジした概略図、図６は図５(1)を具体化した製造装置の説明図である。

先ず図２の基本構造の概略図について説明する。製造装置は分散機構３０、液相ポンプ３１、膜状多孔質体３２、冷却機構３３から構成されている。分散機構３０には、低融点金属粉末Pと耐熱性連続相液Lが投入され、中で混合物となる。分散機構３０では、予め低融点金属粉末の融点以上の温度となった耐熱性連続相液体を入れておき、該耐熱性連続相液体に低融点合金粉末を投入して低融点合金粉末を溶融させてもよいし、或いは温度の低い耐熱性連続相液体と低融点合金粉末を一緒に投入し、分散機構に設置された電熱ヒーターで耐熱性連続相液体と低融点合金粉末を加熱して、低融点合金粉末を溶融させてもよい。要は、分散機構では耐熱性連続相液体中に溶融状態の低融点合金粉末が均一に分散された混合物になっていることである。

分散機構３０で溶融状態となった低融点合金粉末と耐熱性連続相液体の混合物は、液送ポンプ３１で圧送されて膜状多孔質体３２を透過して粒子の揃った溶融状態の低融点合金粒子となる。その後、低融点合金粒子は冷却機構３３で冷却され、固体の低融点合金粒子となって、適宜な回収機構により回収される。

図３、４は図２の基本構造からさらに低融点合金粒子の粒度を均一化するための製造装置の概念図である。図２と同一部分は同一符号を付して、その説明は省略する。図３では耐熱性連続相液体と低融点合金粒子の混合物を複数の膜状多孔質体３２・・・に透過させるようにしたもので、混合物が複数の膜状多孔質体を透過するうちに、さらに粒度が均一となるものである。また図４は混合物を一つの膜状多孔質体３１に対して繰り返して透過させることにより、やはり粒度が均一となるものである。

図５の製造装置の実施例の概念図では、１が分散機構となる混合室、２が冷却機構の一部となる成形室、３が膜状多孔質体を示している。図５(1)は、下部に混合室１があり、その上に膜状多孔質体３を介して成形室２が上方向に配置されている。ここでは液体金属粉末と耐熱性連続相液体の混合物が下方から上方に圧送されて膜状多孔質体を透過するときに液状金属粒子となる。図５(2)は、上部に混合室１があり、その下に膜状多孔質体３を介して成形室２が下方向に配置されているもので、混合物は上方から下方に圧送される。図５(3)は、混合室１、膜状多孔質体３、成形室２が順次横方に並設されたもので、混合物は図中右方から左方へ圧送される。図５(4)は、成形室２内に膜状多孔質体３を上部に設置した混合室１が収納されている。ここでは成形室２内の混合室１から上方に混合物が圧送され、成形室に圧送するときに液体金属粒子となる。

次いで図５(1)の概念図に基づいた具体的な製造装置を図６で説明する。実施例の製造装置は、混合室１、成形室２、膜状多孔質体３、加圧容器４、冷却容器５から構成されている。混合室１は有底筒状であり、上端外側に牡ネジ６が螺設されていて、上端内側には円形の窪み７が形成されている。また混合室の下部側壁には途中にボールバルブ８を有する連結パイプ９が接続されており、該パイプの他端は加圧容器４に接続されている。混合室１の外部には電熱ヒーター１０が巻回されており、さらに該電熱ヒーターの外側は断熱材１１で覆われている。混合室１の内側下部には攪拌装置である攪拌子１２が置かれている。攪拌子１２は混合室１の外側下部に配置された図示しないマグネットローターにより回転するようになっている。

成形室２は天井の高い蓋状となっており、内側には前述混合室１の牡ネジ６と螺合する牝ネジ１３が螺設されている。成形室２の中程には前述混合室の窪み７よりも大径の内側フランジ１４が形成されている。また成形室２の側壁には穴１５が穿設されており、該穴には排出パイプ１６が接続されている。

膜状多孔質体３は前記成形室１の窪み７に嵌合することができる円盤状である。
加圧容器４の外側には、電熱ヒーター１０が巻回されており、さらに該電熱ヒーターの外側は断熱材１１で覆われている。加圧容器４の上部には、気体流入パイプ１８を接続した蓋部材１９が螺合されており、該気体流入パイプは図示しない気体圧縮源に接続されている。また加圧容器４の内側下部にも攪拌装置である攪拌子１２が置かれている。攪拌子１２は加圧室４の外側下部に配置された図示しないマグネットローターにより回転するようになっている。

冷却容器５は、有底の容器であり、その容積は混合室１と成形室２及び加圧容器４の容積を加えたものよりも大きくなっている。冷却容器５の外側はウオータージャケット２０で覆われている。ウオータージャケット２０には、図示しない流入口から冷水が流入され、やはり図示しない流出口から排水されていて、冷却容器５の外側を水で冷却するようになっている。

また本発明に使用する膜状多孔質体は、混合室と成形室の形状や位置関係により円盤形に限らず、その他の形状、例えば円筒形等の膜状多孔質体も使用可能である。また加熱方法や分散方法、加圧方法、冷却方法等は実質的に本発明の内容を左右するものではなく、必要とする製造能力等に応じて最適なものを選択すればよい。

次に上記構造を有する装置を用いた低融点金属粒子の製造方法について説明する。
連結パイプ９のボールバルブ８を閉めた状態にしておいて、上記の耐熱性液体と分散安定剤を混合した耐熱性連続相液体Rを混合室１と加圧室４に入れ、それぞれの攪拌子１２で攪拌するとともにヒーター１１で加熱する。そして耐熱性連続相液体Rの温度が低融点金属粉末の融点付近になったところで、混合室１の耐熱性連続相液体に固体金属粉末を投入し、さらに固体金属粉末の融点以上になるまで加熱する。耐熱性連続相液体中で液状となった液体金属粉末Pが攪拌子１２の攪拌で耐熱性連続相液体に均一に分散して混合物Kとなる。この混合物Kの温度が一定になったのを確認してから加圧室４の気体流入パイプ１８から窒素ガスボンベを加圧源として加圧室４の耐熱性連続相液体に必要なガス圧をかけ、連結パイプ８のボールバルブ９を開ける。すると加圧室４の耐熱性連続相液体は連結パイプ９から混合室１に流入して、混合物Kを膜状多孔質体に対して一気に透過させて成形室２に流入させる。成形室２に流入した耐熱性連続相液体と液体金属粒子は、成形室２の穴１５に接続された排出パイプ１６を通って冷却容器５内に入る。冷却容器５は周囲がウオータージャケット２０で冷却されているため、冷却容器５に入った耐熱性連続相液体と低融点金属粒子は冷やされ、液体金属粒子は固化する。

さらに本発明の低融点合金粒子を製造する実施例について説明する。

先ず、低融点金属として44.7Bi-22.6Pb-8.3Sn-5.3Cd-19.1In（融点46.8℃、(株)ニラコ製）を使用し、本発明出願人の一人が提案した膜状多孔質体に液体金属を透過させて液体連続相中に液体金属粒子を分散させる膜乳化法（特願2001-328672号）により平均粒径37μｍの低融点金属粉末を準備しておく。本発明の低融点金属粒子の製造装置に使用する膜状多孔質体は、平膜状親水性多孔質ガラス膜（SPGテクノ社製）で、孔径が20.2μｍ、10.9μｍ、5.5μｍの三種類を用いた。耐熱性連続相液体はトルエンであり、分散安定剤はテトラグリセリン縮合リシノレイン酸エステルTGCR(阪本薬品工業(株)製)を5質量％の濃度で使用した。

実施例１では、膜状多孔質体の孔径が20.2μｍ、10.9μｍ、5.5μｍに対して、それぞれ0.5MPa、1.35MPa、3.5MPaの圧力で圧入した。膜状多孔質体を透過して形成された低融点金属粒子と耐熱性連続相液体を冷却容器に送って冷却し、液状の低融点金属粒子を固化させた後、連続相をデカンテーションにより除き、残った低融点金属粒子をトルエンで洗浄してから真空乾燥器により乾燥した。本発明で得られた低融点金属粒子の粒径はいずれも平均粒径はそれぞれ11.5μｍ、7.9μｍ、4.8μｍであり、用いた膜状多孔質体の孔径と同程度、若しくはそれ以下であった。つまり本発明では、使用する膜状多孔質体の孔径の選択により、希望する粒径の低融点金属粒子を製造することができる。

本発明においては、同じ孔径の膜状多孔質体を用いても、膜状多孔質体に対する透過流速が変化すると、得られる低融点金属粒子の粒径分布も変化する。膜状多孔質体の孔径が同じ場合、同一条件で膜状多孔質体を透過させれば、加圧力を高くすることで透過流速は上昇する。そこで以下のとおり加圧力を変化させた。低融点金属としては実施例１と同一の低融点金属粉末を用い、膜状多孔質体には孔径が20.2μｍの平膜状親水性多孔質ガラス、耐熱性連続相液体としてはトルエンに分散安定剤のテトトラグリセリン縮合リシノレイン酸エステルTGCRを5質量％の濃度で使用し、実施例１の手順で製造を行った。ただし加圧力は0.4MPa、0.7MPa、1.35MPaの3通りで行った。得られた粒子の平均粒径はそれぞれ13.5μｍ、10.0μｍ、6.7μｍであった。この結果より、膜状多孔質体の孔径が同一の場合、透過流速が大きくなるに従って、粒径分布は維持したまま、小粒径側にシフトしていることが分かった。

低融点金属として63Sn-Pbの共晶はんだ（融点183℃）を使用し、ガスアトマイズ法により調製された平均粒径37μｍのはんだ粉末を低融点金属粉末として用いた。膜状多孔質体には孔径20.2μｍの平膜状親水性多孔質ガラスを用い、耐熱性液体として市販の潤滑油を使用し、実施例１と同様の手順で低融点金属粒子の製造を行った。ただし、膜状多孔質体を透過させる直前の温度は200℃に設定し、加圧力は1.45MPaとした。得られたはんだ粒子の平均粒径は9.3μｍであった。SEM写真で観察したところ、本発明で得られる低融点金属粒子は、形状が真球に近いことが分かった。

本発明では、低融点金属粒子を膜状多孔質体に繰り返し透過させることにより、より粒径の揃った粒子を得ることもできる。そこで膜状多孔質体を１回透過させて得られた低融点金属粒子を再度透過させ、粒径に与える影響を検討した。

低融点金属として、鉛フリーはんだ (M705:Sn-3Ag-0.5Cu、融点217〜220℃、千住金属工業(株)製)を使用し、ガスアトマイズ法により調製された平均粒径37μｍのはんだ粉末を低融点金属粉末として用いた。膜状多孔質体には孔径6.0μｍのパイプ状親水性多孔質ガラスを用い、耐熱性連続相液体は市販の潤滑油、分散安定剤はショ糖脂肪酸エステル（商品名ER290、三菱化学フーズ(株)製）を5質量％の濃度で使用し、実施例１と同様の手順で低融点金属粒子の製造を行った。ただし膜状多孔質体を透過させる直前の混合物の温度は240℃に設定し、加圧力は４MPaとした。平均粒径7.3μｍの得られた低融点金属粒子を再び低融点金属粉末として用い、１回目と全く同じ条件で孔径6.0μｍのパイプ状親水性多孔質ガラスを透過させた。パイプ状親水性多孔質ガラスを２回透過させた後の低融点金属粒子は、平均粒径は4.9μｍとなり、１回のみ透過させた低融点金属粒子と比較して、粒径分布はよりシャープになり、かつ小粒径側へのシフトが確認された。

本発明においては、孔径の揃った膜状多孔質体であれば、上記多孔質ガラスに限定されるものではない。そこで多孔質ガラス以外のものを用いた実施例について説明する。
低融点金属粉末として実施例4の平均粒径37μｍの低融点金属粉末を用い、膜状多孔質体にスキン層の公称細孔径が3μｍのパイプ状非対称セラミックス膜（組成Al₂O₃、東芝セラミックス(株)製）、耐熱性液体は市販の潤滑油、分散安定剤としてショ糖脂肪酸エステル（商品名ER290、三菱化学フーズ(株)製）を5質量％の濃度で使用し、実施例１と同様の手順で低融点金属粒子の製造を行った。ただし、膜状多孔質体を透過させる直前の温度は240℃に設定し、加圧力は4MPaで行った。得られた低融点金属粒子は、平均粒径が2.6μｍであり粒径分布も比較的揃ったものが得られた。

本発明の実施例では、はんだ粒子の粒径調整について説明したが、本発明は、はんだ粒子に限らず耐熱性液体の使用可能な温度で溶融する金属粒子であれば如何なる金属粒子の粒径調整を行うことができる。

Claims (7)

1. 溶融状態の低融点金属粉末と、該低融点金属粉末を分散させ、該金属粉末の融点以上の温度となった耐熱性連続相液体とからなる混合物に一定以上の圧力をかけて、二個以上の連通孔を有する膜状多孔質体に該混合物を透過させることにより液体金属粉末を所定の径の液体金属粒子に成形し、その後、該液体金属粒子と耐熱性連続相液体を低融点金属の融点以下に冷却することにより固体金属粒子を得ることを特徴とする低融点金属粒子の製造方法。
2. 液体金属粉末の膜に対する透過速度を制御することにより、得られる液体金属粒子の粒径を膜状多孔質体の細孔径と同程度もしくはそれ以下の一定の範囲内において調整することを特徴とする請求項１記載の低融点金属粒子の製造方法。
3. 生成した液体金属粒子を繰り返し膜状多孔質体に透過させることにより、より粒径の揃った液体金属粒子を得ることを特徴とする請求項１記載の低融点金属粒子の製造方法。
4. 前記耐熱性連続相液体は、鉱物油、植物油、グリコール類のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の低融点金属粒子の製造方法。
5. 耐熱性連続相液体には、分散安定剤が添加されていることを特徴とする請求項１記載の低融点金属粒子の製造方法。
6. 少なくとも、液体金属粉末を耐熱性連続相液体に分散させる分散機構と二個以上の連通した孔を有する膜状多孔質及び膜状多孔質体を透過した液体金属粒子を冷却する冷却機構から成ることを特徴とする低融点金属粒子の製造装置。
7. 前記膜状多孔質体は、非対称膜であって、多孔質ガラス、多孔質無機セラミックス、金属多孔質体のいずれかであることを特徴とする請求項６記載の低融点金属粒子の製造装置。

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