JP2008240060A - 金属粉の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の粒度分布や平均粒径を有する金属粉を安定して得ることができる金属粉の製造方法を提供する。
【解決手段】高速度で回転するディスク上に熔湯を連続的に供給し遠心力により噴霧させて粉末化する金属粉の製造方法において、前記ディスクを所望の平均粒径の金属粉を得るための所定の回転数で回転させて連続的に金属粉を製造する途中で、得られる金属粉の粗粉率の上昇に応じて前記ディスクの回転数を前記所定の回転数より上昇させる。
【選択図】なし

Description

本発明は、金属粉の製造方法に関し、より詳しくは、粒度分布や平均粒径が安定した金属粉を継続的に製造できる製造方法に関する。

電子部品の接合等に使用されているはんだ粉などの金属粉の代表的な製造方法として、金属溶融物（以下「熔湯」という）を細孔から流出させこれに窒素ガス等を作用させて飛散させ粉末化するガス噴霧法や、高速度で回転するディスク上に熔湯を供給し遠心力により噴霧させて粉末化する遠心噴霧法などが挙げられる。前者のガス噴霧法は粒度分布が広くなりがちであり、後者の遠心噴霧法のほうが粒度分布は狭くなるため、遠心噴霧法が金属粉の製造には適している（特許文献１参照）。この遠心噴霧法では、所望の平均粒径の金属粉を製造するために、通常、毎分当たりのディスクの回転数（以下、単に「回転数」と称する）や材質等の製造条件を所定のものに固定して製造される。しかしながら、所望の平均粒径の金属粉を得るためにディスク回転数等の製造条件を所定のものにしても、所望の粒度分布を有する金属粉を安定した状態で継続的に得ることが困難であった。

特開平６−３４０９０５号公報（段落番号［０００２］、［０００３］等）

本発明は上述した事情に鑑み、所望の粒度分布を有し、特に粗粉の少ない金属粉を安定して得ることができる金属粉の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は上記目的を達成するために鋭意検討した結果、遠心噴霧法において、得られる金属粉の粗粉率の上昇に応じて製造途中でディスクの回転数を上昇させることにより上記目的が達成されることを見いだし、本発明を完成した。

即ち、本発明の金属粉の製造方法は、高速度で回転するディスク上に熔湯を連続的に供給し遠心力により噴霧させて粉末化する金属粉の製造方法において、前記ディスクを所望の平均粒径の金属粉を得るための所定の回転数で回転させて連続的に金属粉を製造する途中で、得られる金属粉の粗粉率の上昇に応じて前記ディスクの回転数を前記所定の回転数より上昇させることを特徴とする。

また、本発明の金属粉の製造方法においては、噴霧開始後、前記粗粉率が所定値を超えたら、前記ディスクの回転数を前記所定の回転数よりも上昇させてもよい。

さらに、本発明の金属粉の製造方法においては、前記ディスクを前記所定の回転数で回転させた製造条件で予め粗粉率の経時変化を測定しておき、その測定結果に応じて噴霧開始後所定のタイミングでディスクの回転数を前記所定の回転数よりも上昇させてもよい。

本発明の金属粉の製造方法によれば、粗粉率が安定化し、粒度分布や平均粒径が安定した金属粉を継続的に製造することができるという効果を奏する。

以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
本発明の金属粉の製造方法は、高速度で回転するディスク上に金属溶融物（熔湯）を供給し遠心力により噴霧させて粉末化して金属粉を得る遠心噴霧法に関するものである。遠心噴霧法ではディスクの回転数に応じて得られる金属粉の粒径が変化する。特開２００２−３１７２１２号公報（段落［０００９］）等に記載されるように、ディスクの回転数が大きいほど得られる金属粉の粒径は小さくなり、ディスクの回転数が小さいほど得られる金属粉の粒径は大きくなる。したがって、通常、所望の金属粉の平均粒径に応じて、ディスクの回転数は所定の数値に設定される。

そして、従来の金属粉の製造においては、ディスクの回転数を一定にすれば所望の平均粒径の金属粉が安定的に得られると考えられていたが、このような製造方法では、経時的に粗粉率が変化し、その結果、安定した金属粉は得られなかった。

これに対し本発明の金属粉の製造方法は、所望の粒径の金属粉を得るためにディスクを所定の回転数で回転させて連続的に金属粉を製造する途中で、得られる金属粉の粗粉率の上昇に応じてディスクの回転数を上記所定の回転数よりも上昇させるものである。具体的には、所望の平均粒径の金属粉を得るための所定の回転数でディスクを回転させ、その後得られる金属粉の粗粉率が上昇したらディスクの回転数を上昇させるものである。

本明細書において、「ディスクを所望の平均粒径の金属粉を得るための所定の回転数で回転させる」という操作は、前述のとおり、所望の金属粉の平均粒径に応じて、ディスクの回転数を所定の数値に設定し、金属粉を連続的に製造することを指すが、この所定の回転数は、製造する金属粉に応じて定めることができる。例えば、平均粒径１０〜７０μｍのはんだ粉を製造する場合は所定のディスク回転数を２００００〜１０００００ｒｐｍの範囲内とし、平均粒径２０〜４０μｍの銅粉を製造する場合は所定のディスク回転数を７００００〜１０００００ｒｐｍの範囲内とし、いずれの場合も、熔湯の温度や組成等に応じて調整すればよい。

本発明の金属粉の製造方法においては、上記所定の回転数を基準として連続製造するものの、その回転数を上昇させることにより、連続製造を続けた際に生じる粗粉率の増加を抑制でき、また、平均粒径よりも小さい微粉の量はほとんど変化しないため、粒度分布や平均粒径が安定した金属粉を継続的に製造することができる。

なお、本発明でいう粗粉率とは、粒径が所定値以上の粒子（粗粉）の粒子全体に占める重量割合であり、金属粉がはんだ粉であれば、ＪＩＳ Ｚ ３２８４に定められている各サイズレベルにおいて１質量％以下の含有量が認められる限界粒径以上の粒子を粗粉粒子と捉える。具体的にはサイズに応じて適切なふるいを用い、例えばサイズレベル３では６３μｍ以上、サイズレベル４では４５μｍ以上、サイズレベル５では３８μｍ以上のふるい上分を計量し、粒子全体量中の比率を算出すればよい。また、はんだ粉を上記規格外の平均粒径に制御する場合や、はんだ粉以外の金属粉を制御する場合は、平均粒径の１．５倍以上の粒子を粗粉粒子と捉え、上記はんだ粉の事例同様に粗粉率を算出する。

粗粉率と経過時間の関係について、従来一般的に行われていた遠心噴霧法による金属粉の製造方法においては、粗粉率が安定せず時間の経過と共に粗粉率が上昇してしまい、その結果、経時的に粒度分布が変化していくことを、本発明者らは知見した。この現象は、熔湯によるディスクのエロージョンに起因するディスクの摩耗劣化や、ディスク材質と熔湯間で生じる生成物の形成により、熔湯がディスク末端まで行き亘らずにディスクの途中から飛散すること等が原因と推測される。

そこで、本発明においては、得られる金属粉の粗粉率の経時変化に応じてディスク回転数を上昇させることにより、粗粉率を制御し、粒度分布や平均粒径を安定化させている。したがって、長時間連続して製造しても、所望の粒度分布や平均粒径を有する金属粉を安定して製造することができる。換言すると、粗粉率に応じてディスクの回転数を上昇させることにより、金属粉の粗粉率を所定値以下に調整でき、粒度分布を制御して安定化させることができるため、所望の粒度分布や平均粒径を有する金属粉を安定して得ることができる。

なお、ディスクを摩耗劣化させないようにディスクを硬質で耐摩耗性に優れた材質にするという手段も考えられるが、製造に用いられる熔湯の成分によってはディスクの濡れ不良が生じ、得られる金属粉の粒径が粗くなり、粗粉率の低い金属粉を得ることができないという問題が生じる。これに対し、本発明の金属粉の製造方法によれば、このような問題は生じない。

以上述べたように、本発明の金属粉の製造方法によれば、粗粉率の経時変化に応じて製造途中でディスクの回転数を上昇させることにより、粗粉率を安定化し、粒度分布や平均粒径が安定した金属粉を継続的に製造することができる。また、粗粉率が安定するので、長時間連続して金属粉を製造しても、１バッチ当たりの所望の金属粉製造歩留まりが高く、粗粉率が変動する従来の製造方法に比べて、製造効率が優れている。

ところで、ディスクの回転数を上昇させる時期や回転数の上昇割合は、金属粉の粗粉率に応じて適宜決定される。したがって、所望の平均粒径の金属粉を得るための所定のディスク回転数で試験操業を行い、得られる金属粉の粗粉率の経時変化を予め測定しておくことにより、回転数上昇工程を行う時期、回転数の上昇割合を決定してもよい。なお、回転数の上昇割合は、所望の平均粒径の金属粉を得るための所定の回転数に対して１〜１０％程度とすることが好ましい。この範囲であれば得られる金属粉の個々の粒径が所望の平均粒径からかけ離れないようにすることができる。この回転数の上昇割合は、さらに好ましくは所定の回転数に対して３〜８％程度であり、この範囲で行えば、より効果的に粗粉率や粒度分布を調整できる。また、ディスクの回転数を上昇させる工程は一度でも複数回でもよく、また、ディスクの回転数は段階的に上昇させても、漸次上昇させてもよい。勿論、粗粉率の経時変化を予め測定しておくのではなく、得られる金属粉の粗粉率を所定のタイミングで測定し、その測定結果に応じて、例えば、粗粉率が所定値を超える時に、ディスクの回転数を上昇させるようにしてもよい。この回転数を上昇させる基準となる粗粉率の所定値は、目的とする粗粉率から適宜設定できる。

本発明の金属粉の製造方法は、銅をはじめとする様々な金属や合金、例えば、はんだ粉に適用することができる。具体的には、例えば、広く知られているＳｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ｐｂ−Ａｇ系等の鉛を含有するはんだ粉や、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｓｂ系等の鉛を含まないはんだ粉（鉛フリーのはんだ粉）等のはんだ粉の製造に適用できる。

製造する金属粉の平均粒径は特に限定されないが、例えば、１０〜７０μｍである。なお、本発明において、平均粒径とは、乾式レーザー回折粒度測定装置（日機装株式会社製、エアロトラックＳＰＲ）で平均粒子径を測定した数値である。

製造する際に使用する遠心噴霧装置は、遠心噴霧法に用いられる一般的な装置でよい。ディスクの材質は一般的なものでよく、カーボンや、セラミックス、Ｔｉ、Ａｕ、Ｎｉ又はＦｅ系の合金が例示でき、具体的には、例えば、炭素鋼（ＳＳ）やステンレス鋼（ＳＵＳ）等を使用することができる。また、ディスクの大きさや形状も特に限定されず、例えば直径１０〜１００ｍｍ程度、形状は、円板状、円錐状、Ｖ字形など様々な形状のものを使用することができる。

ディスクへの熔湯の供給方法も特に限定はなく、滴下でも流下でもよい。また、供給量や供給速度にも特に限定はないが、熔湯を５〜１００ｋｇ／時間で回転するディスクへ滴下することが好ましい。

上記本発明の金属粉の製造方法を適用することができる遠心噴霧装置例を、図１に基づいて説明する。なお、図１は、遠心噴霧装置の概略断面図である。図１に示すように、遠心噴霧装置１０は、内部に噴霧室１１が形成されたチャンバ１２を有し、モーター１３に接続されその駆動により高速回転するディスク１４がチャンバ１２内の上部である天井部近傍に設けられている。そして、チャンバ１２の天井部には、熔湯（金属溶融物）１５を保持する熔湯保持部１６が設けられている。なお、熔湯１５は、溶融炉１７でインゴット等を溶融し、熔湯保持部１６に導入される。熔湯保持部１６は、底部に熔湯１５をディスク１４上に供給するための熔湯供給部１８を有する。この熔湯保持部１６及び熔湯供給部１８は貫通孔１９により連通され、この貫通孔１９を通って、熔湯１５がディスク１４に滴下されるように、熔湯保持部１６及びディスク１４が配置されている。また、チャンバ１２の底面には製造された金属粉を回収する金属粉回収部２０が配置されている。

この遠心噴霧装置１０により金属粉を製造する方法の一例を以下に説明する。まず、チャンバ１２を排気すると共に、チャンバ１２内に窒素、アルゴン等の不活性ガスを充填する。そして、金属インゴット等、原材料をその融点より１〜１００℃程度高い温度で溶融炉１７にて溶解した熔湯１５を、熔湯保持部１６に保持させる。この熔湯１５を、回転するディスク１４の中心に滴下する。ディスク１４上に滴下された熔湯１５は、遠心力によりディスク１４の端側から熔滴２１となって噴霧され飛散する。飛散した熔滴２１は、チャンバ１２内の不活性ガスにより冷却されて、粉末２２となってチャンバ１２底面へ落下して堆積し、金属粉回収部２０で回収される。本発明においては、金属粉回収部２０で回収された粉末（金属粉）２２の粗粉率を経時的に把握し、その粗粉率に応じてディスク１４の回転数を上昇させる。

以上説明したように、本発明の製造方法においては、製造された金属粉の粗粉率を測定しながら、又は、予め同条件で粗粉率を測定しておくことにより、粗粉率の変化を経時的に把握しながら、その粗粉率に応じてディスクの回転数を上昇させるため、得られる金属粉の粗粉率を安定化させることができ、粒度分布や平均粒径が安定した金属粉を継続的に製造することができる。

以下、本発明を下記実施例及び比較例に基づいてさらに詳述する。
（実施例１）
図１に示す遠心噴霧装置１０を用いて、平均粒径４０μｍのはんだ粉が製造されるように、以下の製造条件ではんだ粉を製造した。その際、金属粉回収部２０に回収されたはんだ粉の粗粉率を経時的に測定した。噴霧開始からの時間（噴霧時間）に対するはんだ粉の粗粉率の測定結果を、図２に示す。なお、はんだ粉の粒径を乾式レーザー回折粒度測定装置（日機装株式会社製、エアロトラックＳＰＲ、ガス圧０．０５ＭＰａ）を用いて測定し、４５μｍ以上の粒径のはんだ粉が、サンプリングしたはんだ粉全量に占める重量割合を、粗粉率とした。
＜製造条件＞
はんだ粉組成・・・Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ
ディスク・・・材質：炭素鋼、直径：３２ｍｍ、形状：円板状、回転数：４２０００ｒｐｍ（請求項１の「所定の回転数」に相当）とし、噴霧開始から４０時間後に４４０００ｒｐｍに上昇させた
熔湯の供給量・・・６５ｋｇ／時間で滴下
熔湯温度・・・２１０℃
雰囲気・・・窒素雰囲気下

（比較例１）
噴霧開始から４０時間後にディスク回転数を４４０００ｒｐｍにせず４２０００ｒｐｍで維持した以外は、実施例１と同様の操作を行った。噴霧時間に対するはんだ粉の粗粉率の測定結果を、図２に示す。

図２に示すように、噴霧開始から４０時間後にディスク回転数を２０００ｒｐｍ上昇させた実施例１では、粗粉率は３０％台で安定し、全工程を通して粗粉率が４０％以下のはんだ粉が得られた。一方、ディスク回転数を上昇させなかった比較例１では、時間の経過と共に粗粉率が上昇し、４０時間経過した後に粗粉率が急激に上昇して４０％を超え、６０時間後には７０％程度にまでなった。また、上述のように粗粉の量は実施例１と比較例１とで差があったが、粒径が４０μｍよりも小さい微粉の量は実施例１と比較例１とでほとんど差がなかった。したがって、粗粉率が安定して低かった実施例１では、比較例１よりも、粒度分布の変化が少なく所望の平均粒径の金属粉を安定して製造できたことが分かった。

また、実施例１及び比較例１とも、６０時間経過後は、ディスク削れ、化合物の形成や堆積物の生成が生じ、ディスクが摩耗劣化していた。この結果から、本発明の製造方法によれば、ディスクが摩耗劣化しても粗粉率が安定しているので、粒度分布を安定化できることが分かった。

遠心噴霧装置の概略を示す図である。 実施例１及び比較例１のはんだ粉の粗粉率の経時変化を示すグラフである。

符号の説明

１０ 遠心噴霧装置
１１ 噴霧室
１２ チャンバ
１３ モーター
１４ ディスク
１５ 熔湯
１６ 熔湯保持部
１７ 溶融炉
１８ 熔湯供給部
１９ 貫通孔
２０ 金属粉回収部
２１ 熔滴
２２ 粉末

Claims (3)

1. 高速度で回転するディスク上に熔湯を連続的に供給し遠心力により噴霧させて粉末化する金属粉の製造方法において、前記ディスクを所望の平均粒径の金属粉を得るための所定の回転数で回転させて連続的に金属粉を製造する途中で、得られる金属粉の粗粉率の上昇に応じて前記ディスクの回転数を前記所定の回転数より上昇させることを特徴とする金属粉の製造方法。
2. 噴霧開始後、前記粗粉率が所定値を超えたら、前記ディスクの回転数を前記所定の回転数よりも上昇させることを特徴とする請求項１に記載の金属粉の製造方法。
3. 前記ディスクを前記所定の回転数で回転させた製造条件で予め粗粉率の経時変化を測定しておき、その測定結果に応じて噴霧開始後所定のタイミングでディスクの回転数を前記所定の回転数よりも上昇させることを特徴とする請求項１に記載の金属粉の製造方法。

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