KR100962455B1 - 저융점 금속 입자의 제조 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

솔더 페이스트는 플럭스와 저융점 금속 입자를 혼화한 것이지만, 종래의 저융점 금속 입자의 제조 방법이나 제조 장치로 만들어지는 저융점 금속 입자는 입경이 여러가지 크기를 갖는 직경의 것이 혼재하고 있었다. 따라서, 그 솔더 페이스트는 미소한 납땜부에 인쇄 도포하기 위한 마스크의 미소한 구멍에 완전히 충전할 수 없었거나, 판분리성이 나쁘거나 하였다. 본 발명은, 내열성 연속상 액체의 금속 분말이 혼합된 혼합물로 하고, 그 혼합물을 막상 공질체에 투과함으로써 저융점 금속 분말을 소정 입경으로 성형한다. 또한, 본 발명의 장치는, 가열 분산 기구와 냉각 기구 사이에 막상 다공질체를 설치하고, 가열 분산 기구에는 압력 용기를 접속하여 가열 분산 기구에 고압의 압력을 가하도록 하였다.

Description

저융점 금속 입자의 제조 방법 및 그 장치{METHOD OF PRODUCING PARTICLES OF LOW MELTING POINT METAL AND APPARATUS THEREFOR}

본 발명은, 저융점 금속 입자, 특히 프린트 기판의 땜납부에 이용하는 솔더 페이스트용의 땜납 입자를 제조하는 데 적합한 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

최근, 전자 부품의 납땜으로서는, 리플로우법이 다용되고 있다. 이 리플로우법이란, 솔더 페이스트를 이용하여 납땜하는 방법으로서, 솔더 페이스트의 인쇄 도포, 리플로우 가열의 공정을 거쳐 납땜을 실시하는 것이다. 즉, 리플로우법에 있어서의 인쇄 도포 공정은, 납땜부와 일치한 곳에 구멍이 뚫린 마스크를 피납땜물 위에 탑재하고, 그 마스크 위에 솔더 페이스트를 두고 나서 스퀴지로 긁어 고르게 하고 마스크의 구멍에 솔더 페이스트를 충전한다. 그리고 마스크를 상방으로 떼면, 마스크의 구멍에 충전되어 있던 솔더 페이스트가 납땜부로 옮겨 도포된다. 이것을 판분리라고 한다. 그 다음의 리플로우 가열 공정은, 솔더 페이스트가 도포된 부위에 전자 부품을 탑재하고 나서 리플로우 오븐과 같은 가열 장치로 가열하여, 솔더 페이스트를 용융시킨다. 이 리플로우법은, 납땜부 전체를 한번의 작업으로 납땜할 수 있는 작업성이 우수할 뿐만 아니라, 불요 지점에는 땜납이 부착하지 않기 때문에 신뢰성 면에서도 우수한 납땜 방법이다.

이 리플로우법에 이용하는 솔더 페이스트란, 땜납 입자와 페이스트상의 플럭스를 혼련한 것으로, 적당한 점조성을 가지고 있다.

여기서, 최근의 전자 부품의 상황에 대해 간단하게 설명한다. 휴대 기기의 다기능화와 소형 경량화에 수반하여, 칩 부품도 1005 (10㎜×5㎜) 에서 0603 (6㎜×3㎜) 의 시대가 되고, 또한 0402 (4㎜×2㎜) 로 미소화가 진행되고 있다. 반도체의 가공도 주류를 이루는 와이어본딩으로부터 소형화와 신호의 고속 처리를 목적으로 플립 칩 실장이 증가 되는 경향을 보이고 있다. 또한 첨단 분야에서는 품질·신뢰성과 함께 부품 가격의 추구가 한층 심화되고 있다. 플립 칩 실장에 있어서도 비용을 중시하여 금 범프로부터 솔더 범프, 솔더 범프도 땜납 도금·솔더 볼보다도 비용적으로 유리한 솔더 페이스트에 의한 안정된 범프 형성법이 많이 연구 개발되고 있다.

통상, 미소면 실장·인쇄법에 의한 웨이퍼 범프 형성의 과제는, 안정된 솔더 페이스트의 인쇄와 확실한 판분리이다. 이 웨이퍼 범프 형성에서는, 1 전극 당의 땜납 입자는 통상 가로 배열로 하면, 적어도 6∼10 개 정도는 필요하다. 0402 칩의 전극 치수를 0.18㎜ 로 하면, 땜납 입자의 입경은 #10 (5∼15㎛) 과 #21 (15∼25㎛) 의 적정한 블렌드가 필요하다. 또한 직경 100㎛ 의 웨이퍼 범프에서는, 땜납 입자의 지름이 10㎛ 가 한계이며, 안정된 판분리성을 유지하기 위해서는 5∼10㎛ 정도가 요구된다.

그런데, 솔더 페이스트에 이용하는 땜납 입자의 제조 방법으로서는, 용융 땜납을 가는 노즐로부터 드럼 내에서 적하함과 동시에, 이 액적을 고압 기체로 날려 서 미세한 입자로 하는 아토마이즈법 (특허 문헌 1) 이나, 용융 땜납을 고속으로 회전하는 원반 상에 적하시켜, 회전 원반의 원심력으로 비산시켜서 미세한 입자로 하는 회전 원반법 (특허 문헌 2) 이나, 그리고 고온이 된 오일 중에 땜납을 투입하여 용융함과 함께, 기름과 용융 땜납을 교반 분산 장치로 교반함으로써 미세한 입자로 하는 교반 분산법 (특허 문헌 3) 등이 있다. 이들의 땜납 입자의 제조 방법에서 얻어진 땜납 입자는, 그대로는 작은 것이 수㎛, 큰 것이 100㎛이상과 같이, 크기가 다양한 땜납 입자가 서로 섞여 있다.

특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 평7-258707호

특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 평9-10990호

특허 문헌 3 : 일본 공개특허공보 평2-118003호

이와 같이 크기가 다양한 땜납 입자가 서로 섞여 있는 솔더 페이스트에서는, 전술한 미소 칩 부품의 납땜부나 웨이퍼 범프 형성 지점에 마스크를 이용하여 인쇄 도포해도, 마스크의 미소한 구멍에 솔더 페이스트가 완전하게 충전되지 않기도 하고, 비록 솔더 페이스트가 충전 가능하였다고 해도, 이번에는 판분리성이 나쁘거나 해서 깨끗하게 인쇄할 수 없다. 그 때문에, 현상황에서는 분급 공정을 만듦으로써 입경의 조정을 실시하고 있지만, 취급 중에 입자가 산화되는 등의 문제가 발생한다. 본 발명은, 미소 납땜부로 깨끗한 인쇄가 가능하고, 또한 납땜성이 좋은 솔더 페이스트용의 저융점 금속 입자를 제조하는 방법 및 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은, 액체 금속 분말을 내열성 연속상 액체와 함께 막상 다공질체의 미세 구멍에 투과시키면, 액체 금속 입자는 막상 다공질체의 미세 구멍 직경과 동일한 정도, 혹은 그 이하의 크기로 미세화되는 것을 알아내어, 본 발명을 완성시켰다.

도 1 은 본 발명에 있어서의 금속 입자 생성의 원리를 설명하는 모식도이다.

도 2 는 본 발명에 관련된 제조 장치의 기본 구조를 나타낸 개념도이다.

도 3 은 기본 구조로부터 추가로 금속 입자의 균일화를 도모한 변경예의 개념도이다.

도 4 는 기본 구조로부터 추가로 금속 입자의 균일화를 도모한 다른 변경 예의 개념도이다.

도 5(1)∼(4) 는 본 발명에 관련된 제조 장치의 요부의 개념도이다.

도 6 은 도 5(1) 을 구체화한 제조 장치의 설명도이다.

부호의 설명

A : 가압실측

B : 성형실측

T : 막상 다공질체

H : 구멍

L : 내열성 연속상 액체

P : 액체 금속 분말

G : 액체 금속 입자

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명에서는, 분상의 저융점 금속을 기본으로 소망하는 입경의 저융점 금속 입자를 얻는 것이지만, 막상 다공질체 투과 전과 투과 후를 구별하기 위해서, 막상 다공질체를 투과시키기 전의 것을 편의상 「분말」이라고 칭하고, 막상 다공질체 투과 후의 것을 「입자」라고 칭하도록 하였다. 또한 용융 상태의 금속을 액체 금속, 고체 상태의 금속을 고체 금속이라고 칭하는 것으로 하였다. 또한 본 명세서에서는, 100∼250℃ 의 범위에 융점이 있는 금속을 「저융점 금속」이라고 하고, 100℃ 이하의 융점을 갖는 금속은, 특히 「초저융점 금속」이라고 하여 구별한다. 한편, 저융점 금속이 땜납인 경우, 납이 주성분의 하나로서 함유되는 것을 납땜납, 주성분으로서는 함유하지 않는 것을 납프리 땜납이라고 하여 구별한다.

그리고, 본 명세서에서 이용하는 용어를 다음과 같이 정의하였다.

「분산 안정제」는, 액체 금속끼리의 합일을 억제하는 작용을 나타내는 물질의 총칭이다.

본 명세서에서는, 적산 체적 분포의 50％ 직경을 평균 입자 직경으로 하고, 개개의 입자 그 자체의 크기를 입자의 입경이라고 부르기로 한다.

막상 다공질체의 미세 구멍 직경은 상대 누적 미세 구멍 분포 곡선에 있어서, 관통 미세 구멍 용적이 전체의 50％ 를 차지할 때의 미세 구멍 직경을 의미한다.

본 발명은, 용융 상태의 저융점 금속 분말과 그 저융점 금속의 융점 이상의 온도가 된 내열성 연속상 액체로 이루어지는 혼합물에 일정 이상의 압력을 가하고, 2개 이상의 구멍이 연통한 막상 다공질체에 그 혼합물을 투과시킴으로써 액체 금속 분말을 소정 직경의 액체 금속 입자로 성형하고, 그 후, 그 액체 금속 입자와 내열성 연속상 액체를 저융점 금속의 융점 이하로 냉각시킴으로써 고체 금속 입자를 얻는 것을 특징으로 하는 저융점 금속 입자의 제조 방법이다.

또한, 또 하나의 발명은, 적어도, 액체 금속 분말과 내열성 연속상 액체를 가열·분산시키는 분산 기구와 2개 이상의 연통된 구멍을 갖는 막상 다공질 및 막상 다공질체를 투과한 액체 금속 입자를 냉각시키는 냉각 기구로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저융점 금속 입자의 제조 장치이다.

본 발명에 있어서, 금속 입자 생성의 원리를 도 1 에서 설명한다. 다수의 구멍 (H) … 을 갖는 막상 다공질체 (T) 의 일방을 가압실측 (A), 타방을 성형실측 (B) 으로 한다. 가압실측 (A) 에는 막상 다공질체 (T) 의 구멍 (H) 의 직경보다 큰 직경의 액체 금속 분말 (P) … 이 내열성 연속상 액체 (L) 와 함께 들어 있다. 그리고 가압실측 (A) 로부터 압력 (하부의 큰화살표) 을 걸면, 큰 직경의 액체 금속 분말 (P) … 은, 내열성 연속상 액체 (L) 와 함께 막상 다공질체 (T) 의 구멍 (H) … 을 투과하여 성형실측 (B) 으로 이동한다. 이 때, 큰 직경의 액체 금속 분말 (P) … 은, 액체 금속 입자 (G) … 로 성형되고, 또한 막상 다공질체 (T) 의 구멍 (H) 을 투과한 후의 액체 금속 입자의 크기는, 막상 다공질체의 미세 구멍 직경 및 액체 금속 분말의 막에 대한 투과 속도에 의해 결정된다. 즉 얻어지는 액체 금속 입자의 입경은, 사용하는 막상 다공질체의 미세 구멍 직경에 따라 상이함과 함께, 막상 다공질체에 대한 투과 속도 여하에 의해 구멍 직경과 동일한 정도, 혹은 구멍 직경 이하로 성형할 수 있고, 게다가 적절히 조건을 설정함으로써 막상 다공질체의 구멍을 투과한 후의 액체 금속 입자의 입경을 일정 범위 내에서 제어할 수 있다.

본 발명에서 사용하는 저융점 금속은, 250℃ 이하에 융점이 있으면 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, Sn/Pb 계, Sn/Bi/Pb 계, Sn/Ag/Pb 계, Sn/Sb/Pb 계, Sn/Ag/Bi/Pb 계, Sn/Sb/Ag/Pb 계 등의 납땜납, Sn,Sn/Ag 계, Sn/Cu 계, Sn/Bi 계, Sn/In 계, Sn/Zn 계, Sn/Sb 계, Sn/Ag/Cu 계, Sn/Zn/Bi 계, Sn/Cu/Sb 계, Sn/Bi/Ag 계, Sn/Bi/In 계, Sn/Cu/Ni 계, Sn/Zn/In 계, Sn/Ag/Bi/Cu 계, Sn/Ag/Cu/In 계, Sn/Ag/Cu/Sb 계, Sn/Ag/Cu/Bi/In 계 등의 납프리 땜납, Bi/Pb/Sn 계, Bi/Sn/Cd 계, Bi/Pb/Sn/Cd 계, Bi/Pb/Sn/Cd/In 계 등의 초저융점 금속 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 일반적으로 이러한 합금의 주조성 비율 (질량％) 과 융점은, 63Sn/37Pb 의 공정 합금에서는 183℃, (46∼60)Sn/(3∼8)Bi/(37∼46)Pb 는 172∼190℃, (62∼62.8)Sn/(0.4∼2)Ag/(36∼36.8)Pb 는 약 179℃, (10∼27)Sn/(3∼8)Sb/(70∼82)Pb 는 188∼261℃, (42∼56)Sn/(1∼3)Ag/(2∼14)Bi/(39∼42)Pb 는 137∼178℃, 65Sn/0.5Sb/0.4Ag/34.1 Pb 는 180∼186℃, Sn 는 232℃, 96.5Sn/3.5Ag 의 공정 합금은 221℃, 97Sn/3Ag 는 약 222℃, 99.25Sn/0.75Cu 의 공정 합금은 227℃, 42Sn/58Bi 의 공정 합금은 139℃, 48Sn/52In 의 공정 합금은 118℃, 91Sn/9Zn 의 공정 합금은 199℃, 99Sn/1Sb 의 공정 합금은 232℃, 95Sn/5Sb 는 232∼240℃, (95.5∼99)Sn/(0.3∼3.5)Ag/(0.5∼0.75) Cu 는 215∼227℃, (89∼89.5)Sn/(7.5∼8)Zn/3Bi 는 190∼199℃, (98.8∼99) Sn/(0.7∼0.9)Cu/0.3Sb 는 227∼229℃, (42∼90.5)Sn/(7.5∼57)Bi/(1∼2)Ag 는 138∼229℃, 70Sn/20Bi/10In 은 147∼169℃, 99.2Sn/0.7Cu/0.1Ni 는 227∼229℃, 86Sn/9Zn/5In 은 188℃, (77.5∼96)Sn/(2∼3.2)Ag/(1∼20)Bi/(0.5∼0.75)Cu 는 138∼221℃, 95.3Sn/3Ag/0.7Cu/1In 는 214∼217℃, (95.6∼96.2)Sn/(2.5∼3.4)Ag/(0.5∼0.8)Cu/(0.2∼0.5)Sb 는 216∼221℃, 92.8Sn/3Ag/0.7Cu/1Bi/2.5In 은 204∼215℃, 49Bi/18Pb/12Sn/외 는 약 58℃, 50Bi/22Sn/2.8Cd 는 68℃, (42.5∼50)Bi/(26.7∼37.7)Pb/(11.3∼13.3)Sn/(8.5∼10)Cd 는 70∼100℃, 44.7Bi/22.6Pb/8.3Sn/5.3 Cd/In 의 공정 합금은 46.8℃ 이지만, 이들의 조성을 변경하거나 다른 금속을 첨가하거나 혹은 미량인 성분을 첨가한 합금이라도, 기본적으로 융점이 250℃ 이하이면 된다.

본 발명에 사용하는 내열성 연속상 액체로서는, 저융점 금속의 융점보다 비점이 높고, 첨가하는 분산 안정제가 충분히 용해 혹은 균일하게 분산될 수 있는 것이면 되고, 유지류, 납류, 석유계 유제, 유기 용제, 합성계 유제 등 많은 유제를 단독 혹은 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직한 그 액체로는, 광물유, 식물유, 글리콜류 등이며, 또한 융점이 100℃ 이하인 초저융점 금속 분말에 대해서는, 물이나 톨루엔과 같이 비점이 높은 유기 용제 등도 사용 가능하다.

상기 내열성 연속상 액체는, 단체로 사용하거나 혼합하여 사용하거나, 나아가서는 분산 안정제를 첨가하여 사용하거나 할 수도 있다. 본 발명에 있어서는, 분산 안정제의 첨가 유무는 액체 금속 입자 자체의 생성 과정에 본질적으로는 영향을 미치지 않는다. 따라서, 분산 안정제를 첨가하지 않고도 액체 금속 입자의 생성은 가능하다. 그러나, 분산 안정제는 막상 다공질체를 투과하기 전의 액체 금속 분말이나 투과 후의 액체 금속 입자가 합일하는 것을 억제할 수 있다. 그 때문에 분산 안정제의 첨가는, 제조되는 저융점 금속 입자의 수율을 향상시키고, 또한 내열성 연속상 액체에 대한 액체 금속 분말의 비율을 크게 할 수 있는 것으로부터, 단위 시간 당의 생산성을 향상시키는 효과가 있다. 내열성 연속상 액체 중의 분산 안정제의 종류는, 내열성 연속상 액체에 균일하게 분산하여, 금속의 융점 부근의 온도라도 액체 금속 입자의 합일을 억제하는 작용을 나타내는 것이라면 특별히 한정되지 않는다.

내열성 연속상 액체로서 유제를 이용하는 경우, 예를 들어, 스테아르산 칼슘, 올레산 칼슘, 리시놀산 칼슘, 라우르산 칼슘, 베헨산 칼슘, 옥탄산 칼슘, 스테아르산 아연, 라우르산 아연, 팔미트산 아연, 미리스트산 아연, 운데시렌산 아연, 올레산 아연, 리시놀산 아연, 베헨산 아연, 살리실산 아연, 나후텐산 아연, 스테아르산 마그네슘, 미리스트산 마그네슘, 올레산 마그네슘, 스테아르산 알루미늄, 베헨산 알루미늄, 옥탄산 알루미늄, 스테아르산 납, 올레산 납, 옥탄산 납, 나프텐산 납, 그 외에, 코발트 비누, 니켈 비누, 철 비누, 구리 비누, 망간 비누, 주석 비누, 리튬 비누 등의 금속 비누가 유효하다. 또한, 부티르산, 카프로산, 카프릴산, 카프르산, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산, 스테아르산, 아라키딘산, 베헤닌산 등의 포화 지방산 및 올레산, 리놀레산, 리놀렌산, 에루크산 등의 불포화 지방산은, 유제와 금속 액체의 계면에 배향하여, 상기 금속 비누와 같은 분산 작용을 나타낸다. 또한 카프릴산, 카프르산, 라우르산, 미리스트산, 팔미트산, 스테아르산, 베헤닌산, 올레산, 리놀레산, 에루크산, 축합 리시놀산, 이소팔미트산, 이소스테아르산, 혼합 지방산과 폴리 글리세린과의 에스테르인 폴리 글리세린 지방산 에스테르나 자당 스테아르산 에스테르, 자당 팔미트산 에스테르, 자당 미리스트산 에스테르, 자당 올레산 에스테르, 자당 베헤닌산 에스테르, 자당 에루크산 에스테르 등의 자당 지방산 에스테르도 양호한 분산 작용을 나타낸다. 폴리 글리세린 지방산 에스테르 및 자당 지방산 에스테르는 식품 첨가물로서도 널리 이용되고 있는 비이온계의 계면 활성제로, 폴리 글리세린 지방산 에스테르에 대해서는 폴리 글리세린의 중합도 및 에스테르화도, 자당 지방산 에스테르에 대해서는 에스테르화도에 따라 친수성, 친유성의 정도가 상이한 것이 존재하지만 내열성 연속상 액체의 종류 등에 따라서 적절하게 선택하면 된다. 또한 내열성 연속상 액체로서 물이나, 수계의 용제인 폴리에틸렌 글리콜 등의 글리콜류 등을 이용하는 경우에는, 일반적인 음이온계 계면 활성제, 비이온계 계면 활성제, 양이온계 계면 활성제 외에, 고분자 계면 활성제, 불소계 계면 활성제, 유기 금속 계면 활성제 등을 들 수 있다. 또한 이들과는 별도로, 자당과 같이 당류 중에도 합일 억제 작용을 나타내는 것이 있다. 이들은 단독 혹은 2종 이상 혼합해도 상관없다.

본 발명에 사용하여 특히 바람직한 분산 안정제로는, 테트라글리세린 축합 리시놀레인산 에스테르, 자당 지방산 에스테르 등이다.

본 발명의 장치에 사용하는 막상 다공질체로는, 균일한 관통 구멍을 가지고, 또한 저융점 금속의 용융 온도에서 변질되거나 파괴되거나 하지 않는 것이면 된다. 막상 다공질체의 미세 구멍은 원주상일 수도 있고, 각주상일 수도 있으며, 혹은 다른 형상 이어도 상관없다. 또한 미세 구멍이 막면에 대해서 수직 혹은 비스듬하게 관통하거나 혹은 얽힌 구조이어도 입자는 생성된다. 중요한 것은, 미세 구멍의 수력학적 직경 및 유효 길이가 균일한 것으로, 이러한 미세 구멍 구조를 가지고, 액체 금속의 융점보다 높은 내열성이 있는 막상 다공질체이면 본 발명에 사용할 수 있다. 일반적으로, 막상 다공질체는 파이프 형상, 혹은 평막형 등 형상에 따라 많은 종류가 있고, 구조적으로도 대칭막과 비대칭막 혹은 균질막과 불균질막 등으로 나눌 수 있지만, 그러한 형상이나 구조는 본질적으로 본 발명의 효과에 영향을 주지 않기 때문에 특별히 제한되지 않는다. 막상 다공질체의 재질도, 예를 들어, 유리, 세라믹스, 실리콘, 내열성 고분자나 금속 등을 들 수 있고, 접촉각이 90˚ 를 넘어 액체 금속에 젖지 않는 것이면 특별히 제한되지 않는다.

또한, 본 발명에 있어서는, 액체 금속 분말을 막상 다공질체로 투과시키는 데 필요한 압력이 매우 중요하지만, 목적하는 미세 구멍 직경을 갖는 스킨층 및 스킨층보다 미세 구멍 직경이 큰 지지층으로 이루어지는 비대칭 구조의 비대칭막을 이용했을 경우에는, 동일한 막두께를 가지고, 또한 미세 구멍 직경이 그 비대칭막의 스킨층과 동일한 대칭막보다 필요한 압력을 저감하는 것이 가능하다.

본 발명에 사용하여 바람직한 막상 다공질체로서는, 다공질 유리, 다공질 무기 세라믹스, 금속 다공질체를 들 수 있다.

본 발명에 있어서는 액체 금속 분말을 막상 다공질체에 압입하기 위해서 최저한의 필요 임계압이 존재한다. 그 임계압 이하에서는 혼합물 중의 액체 금속 분말이 막상 다공질체에 의해 저지되고, 내열성 연속상 액체만이 막상 다공질체를 투과하는 여과 상태가 되고, 이윽고 막상 다공질체 상에 퇴적된 액체 금속 분말에 의해 막상 다공질체의 구멍이 폐색된다. 또한 임계압 이상이라도, 부분적으로 액체 금속 분말의 농도가 높은 부분이 존재하면, 그래서 액체 금속 분말의 압입에 필요한 압력이 증대하여 임계압 이하인 경우와 마찬가지로 폐색되는 경우가 있다. 따라서, 가능한 한 액체 금속 분말이 혼합물 속에서 균일하게 분산된 상태에서 신속하게 막상 다공질체를 투과시키는 것이 바람직하다.

상기의 이유에 의해 액체 금속 분말을 일정한 압력하에서, 막상 다공질체에 순조롭게 투과시키기 위해서는 혼합물 속의 농도가 균일한 것이 바람직하다. 그 때문에, 혼합물을 넣은 용기 내에 교반 장치를 설치하고, 그 교반 장치로 혼합물을 교반하여 혼합물의 농도를 가능한 한 균일하게 한다. 교반 장치로서는, 어떠한 것이라도 되지만, 본 발명에 사용하기에 바람직한 교반 장치는, 스터러나 프로펠러이다. 또한, 액체 금속 분말을 혼합물 속에 균일하게 분산시키는 것이 가능하다면, 상기 교반 장치에 한정하지 않고, 시판되는 각종 분산·혼합 장치도 사용할 수 있다.

이하, 도면에 기초하여 본 발명의 저융점 금속 입자의 제조 장치를 설명한다. 도 2 는 본 발명 저융점 금속 입자의 제조 장치 (이하, 간단하게 제조 장치라고 한다) 의 기본 구조를 나타내는 개념도, 도 3, 4 는 그 기본 구조에 있어서 액체 금속 입자의 입도를 더욱 균일화하기 위한 개념도, 도 5(1)∼(4) 는 제조 장치의 요부를 어레인지한 개략도, 도 6 은 도 5(1) 을 구체화한 제조 장치의 설명도 이다.

먼저 도 2 의 기본 구조의 개략도에 대해 설명한다. 제조 장치는 분산 기구 (30), 액송 펌프 (31), 막상 다공질체 (32), 냉각 기구 (33) 로 구성되어 있다. 분산 기구 (30) 에는, 저융점 금속 분말 (P) 와 내열성 연속상액 (L) 이 투입되고, 안에서 혼합물이 된다. 분산 기구 (30) 에서는, 미리 저융점 금속 분말의 융점 이상의 온도가 된 내열성 연속상 액체를 넣어 두고, 그 내열성 연속상 액체에 저융점 합금 분말을 투입하여 저융점 합금 분말을 용융시켜도 되고, 혹은 온도가 낮은 내열성 연속상 액체와 저융점 합금 분말을 함께 투입하여, 분산 기구에 설치된 전열 히터에 의해 내열성 연속상 액체와 저융점 합금 분말을 가열하여, 저융점 합금 분말을 용융시켜도 된다. 요컨데, 분산 기구에서는 내열성 연속상 액체 속에 용융 상태의 저융점 합금 분말이 균일하게 분산된 혼합물로 되어 있다는 것이다.

분산 기구 (30) 에서 용융 상태가 된 저융점 합금 분말과 내열성 연속상 액체의 혼합물은, 액송 펌프 (31) 로 압송되어 막상 다공질체 (32) 를 투과하여 입자가 갖추어진 용융 상태의 저융점 합금 입자가 된다. 그 후, 저융점 합금 입자는 냉각 기구 (33) 로 냉각되고, 고체의 저융점 합금 입자가 되어 적절하게 회수 기구에 의해 회수된다.

도 3, 4 는 도 2 의 기본 구조로부터 더욱 저융점 합금 입자의 입도를 균일화하기 위한 제조 장치의 개념도이다. 도 2 와 동일 부분은 동일 부호를 붙여, 그 설명은 생략한다. 도 3 에서는 내열성 연속상 액체와 저융점 합금 입자의 혼합물을 복수의 막상 다공질체 (32) … 로 투과시키도록 한 것으로서, 혼합물이 복수의 막상 다공질체를 투과하는 동안에 더욱 입도가 균일해진다. 또한 도 4 는 혼합물을 하나의 막상 다공질체 (32) 에 대해서 반복해서 투과시킴으로써, 역시 입도가 균일해진다.

도 5 의 제조 장치의 실시예의 개념도에서는, 1 이 분산 기구가 되는 혼합실, 2 가 냉각 기구의 일부가 되는 성형실, 3 이 막상 다공질체를 나타내고 있다. 도 5(1) 는, 하부에 혼합실 (1) 이 있고, 그 위에 막상 다공질체 (3) 를 개재하여 성형실 (2) 이 상방향으로 배치되어 있다. 여기에서는 액체 금속 분말과 내열성 연속상 액체의 혼합물이 하방으로부터 상방으로 압송되어 막상 다공질체를 투과할 때에 액상 금속 입자가 된다. 도 5(2) 는, 상부에 혼합실 (1) 이 있고, 그 아래에 막상 다공질체 (3) 를 개재하여 성형실 (2) 이 하방향으로 배치되어 있는 것으로, 혼합물은 상방으로부터 하방으로 압송된다. 도 5(3) 는, 혼합실 (1), 막상 다공질체 (3), 성형실 (2) 이 순차적으로 가로 방향으로 병설된 것으로, 혼합물은 도면 중에서 우방으로부터 좌방으로 압송된다. 도 5(4) 는, 성형실 (2) 내에 막상 다공질체 (3) 를 상부에 설치한 혼합실 (1) 이 수납되어 있다. 여기에서는 성형실 (2) 내의 혼합실 (1) 로부터 상방으로 혼합물이 압송되고, 성형실로 압송할 때에 액체 금속 입자가 된다.

그 다음에, 도 5(1) 의 개념도에 근거한 구체적인 제조 장치를 도 6 에서 설명한다. 실시예의 제조 장치는, 혼합실 (1), 성형실 (2), 막상 다공질체 (3), 가압 용기 (4), 냉각 용기 (5) 로 구성되어 있다. 혼합실 (1) 은 바닥이 있는 통 형상이며, 상단 외측에 수나사 (6) 가 나선 형성되어 있고, 상단 내측에는 원형의 패임 (7) 이 형성되어 있다. 또한 혼합실의 하부 측벽에는 도중에 볼 밸브 (8) 를 갖는 연결 파이프 (9) 가 접속되어 있고, 그 파이프의 타단은 가압 용기 (4) 에 접속되어 있다. 혼합실 (1) 의 외부에는 전열 히터 (10) 가 감겨져 있고, 또한 그 전열 히터의 외측은 단열재 (11) 로 덮여 있다. 혼합실 (1) 의 내측 하부에는 교반 장치인 교반자 (12) 가 놓여져 있다. 교반자 (12) 는 혼합실 (1) 의 외측 하부에 배치된 도시하지 않는 마그넷 로터에 의해 회전하게 되어 있다.

성형실 (2) 은 천정이 높은 덮개 형상으로 되어 있고, 내측에는 전술한 혼합실 (1) 의 수나사 (6) 와 나선 결합하는 암나사 (13) 가 나선 형성되어 있다. 성형실 (2) 의 중간 정도에는 전술한 혼합실의 패임 (7) 보다도 큰 직경의 내측 플랜지 (l4) 가 형성되어 있다. 또한 성형실 (2) 의 측벽에는 구멍 (15) 이 뚫려 있고, 그 구멍에는 배출 파이프 (16) 가 접속되어 있다.

막상 다공질체 (3) 는 상기 혼합실 (1) 의 패임 (7) 에 끼워 맞춰질 수 있는 원반 형상이다.

가압 용기 (4) 의 외측에는, 전열 히터 (l0) 가 감겨져 있고, 또한 그 전열 히터의 외측은 단열재 (11) 로 덮여 있다. 가압 용기 (4) 의 상부에는, 기체 유입 파이프 (18) 를 접속시킨 덮개 부재 (19) 가 나선 결합 되어 있고, 그 기체 유입 파이프는 도시하지 않는 기체 압축원에 접속되어 있다. 또한 가압 용기 (4) 의 내측 하부에도 교반 장치인 교반자 (12) 가 놓여져 있다. 교반자 (l2) 는 가압실 (4) 의 외측 하부에 배치된 도시하지 않는 마그넷 로터에 의해 회전하게 되어 있다.

냉각 용기 (5) 는, 바닥이 있는 용기로서, 그 용적은 혼합실 (1) 과 성형실 (2) 및 가압 용기 (4) 의 용적을 더한 것보다도 크게 되어 있다. 냉각 용기 (5) 의 외측은 워터 쟈켓 (20) 으로 덮여 있다. 워터 쟈켓 (20) 에는, 도시하지 않는 유입구로부터 냉수가 유입되고, 역시 도시하지 않는 유출구로부터 배수되어, 냉각 용기 (5) 의 외측을 물로 냉각하게 되어 있다.

또한 본 발명에 사용하는 막상 다공질체는, 혼합실과 성형실의 형상이나 위 치 관계에 따라 원반형에 한정하지 않고, 그 밖의 형상, 예를 들어 원통형 등의 막상 다공질체도 사용 가능하다. 또한 가열 방법이나 분산 방법, 가압 방법, 냉각 방법 등은 실질적으로 본 발명의 내용을 좌우하는 것이 아니고, 필요로 하는 제조 능력 등에 따라 최적인 것을 선택하면 된다.

다음으로, 상기 구조를 갖는 장치를 이용한 저융점 금속 입자의 제조 방법에 대해 설명한다.

연결 파이프 (9) 의 볼 밸브 (8) 를 닫은 상태로 해두고, 상기의 내열성 액체와 분산 안정제를 혼합한 내열성 연속상 액체 (R) 을 혼합실 (1) 과 가압실 (4) 에 넣고, 각각의 교반자 (12) 로 교반함과 함께 히터 (11) 로 가열한다. 그리고 내열성 연속상 액체 (R) 의 온도가 저융점 금속 분말의 융점 부근이 된 시점에서, 혼합실 (1) 의 내열성 연속상 액체에 고체 금속 분말을 투입하고, 또한 고체 금속 분말의 융점 이상이 될 때까지 가열한다. 내열성 연속상 액체 속에서 액상이 된 액체 금속 분말 (P) 이 교반자 (12) 의 교반으로 내열성 연속상 액체로 균일하게 분산되어 혼합물 (K) 이 된다. 이 혼합물 (K) 의 온도가 일정하게 된 것을 확인하고 나서 가압실 (4) 의 기체 유입 파이프 (18) 로부터 질소 가스 봄베를 가압원으로하여 가압실 (4) 의 내열성 연속상 액체에 필요한 가스압을 가하고, 연결 파이프 (9) 의 볼 밸브 (8) 를 연다. 그러면 가압실 (4) 의 내열성 연속상 액체는 연결 파이프 (9) 로부터 혼합실 (1) 로 유입되고, 혼합물 (K) 을 막상 다공질체에 대해서 단번에 투과시켜 성형실 (2) 로 유입시킨다. 성형실 (2) 로 유입된 내열성 연속상 액체와 액체 금속 입자는, 성형실 (2) 의 구멍 (15) 에 접속된 배출 파이프 (16) 를 거쳐서 냉각 용기 (5) 안으로 들어간다. 냉각 용기 (5) 는 주위가 워터 쟈켓 (20) 으로 냉각되어 있기 때문에, 냉각 용기 (5) 로 들어간 내열성 연속상 액체와 저융점 금속 입자는 식혀지고, 액체 금속 입자는 고화한다.

계속하여 본 발명의 저융점 합금 입자를 제조하는 실시예에 대해 설명한다.

(실시예1)

먼저, 저융점 금속으로서 44.7Bi-22.6Pb-8.3Sn-5.3Cd-l9.1In (융점 46.8℃, (주) 니라코 제조) 을 사용하여, 본 발명 출원인 중의 한 명이 제안한 막상 다공질체에 액체 금속을 투과시켜 액체 연속상 중에 액체 금속 입자를 분산시키는 막유화법 (일본 특허출원 2001-328672호) 에 의해 평균 입경 37㎛ 의 저융점 금속 분말을 준비해 둔다. 본 발명의 저융점 금속 입자의 제조 장치에 사용하는 막상 다공 질체는, 평막상 친수성 다공질 유리막 (SPG 테크노사 제조) 으로, 구멍 직경이 20.2㎛, 10.9㎛, 5.5㎛ 의 3 종류를 이용하였다. 내열성 연속상 액체는 톨루엔이고, 분산 안정제는 테트라 글리세린 축합 리시놀레인산 에스테르 TGCR (사카모토 약품공업(주) 제조) 을 5질량％ 의 농도로 사용하였다.

실시예 1 에서는, 막상 다공질체의 구멍 직경이 20.2㎛, 10.9㎛, 5.5㎛ 에 대해서, 각각 0.5MPa, 1.35MPa, 3.5MPa 의 압력으로 압입하였다. 막상 다공질체를 투과하여 형성된 저융점 금속 입자와 내열성 연속상 액체를 냉각 용기로 보내 냉각하고, 액상의 저융점 금속 입자를 고화시킨 후, 연속상을 디캔테이션에 의해 제거하고, 남은 저융점 금속 입자를 톨루엔으로 세정하고 나서 진공 건조기에 의해 건조시켰다. 본 발명으로 얻어진 저융점 금속 입자의 입경은 모두 평균 입경은 각각 11.5㎛, 7.9㎛, 4.8㎛ 이며, 이용한 막상 다공질체의 구멍 직경과 동일한 정도, 혹은 그 이하였다. 즉, 본 발명에서는, 사용하는 막상 다공질체의 구멍 직경의 선택에 따라, 희망하는 입경의 저융점 금속 입자를 제조할 수 있다.

(실시예 2)

본 발명에 있어서는, 같은 구멍 직경의 막상 다공질체를 이용해도, 막상 다공질체에 대한 투과 유속이 변화하면, 얻을 수 있는 저융점 금속 입자의 입경 분포도 변화한다. 막상 다공질체의 구멍 직경이 같은 경우, 동일 조건으로 막상 다공질체를 투과시키면, 가압력을 높게 함으로써 투과 유속은 상승한다. 따라서 아래와 같이 가압력을 변화시켰다. 저융점 금속으로서는 실시예 1 과 동일한 저융점 금속 분말을 이용하고, 막상 다공질체에는 구멍 직경이 20.2㎛ 인 평막상 친수성 다공질 유리, 내열성 연속상 액체로서는 톨루엔에 분산 안정제인 테트라그리세린 축합 리시놀레인산 에스테르 TGCR 을 5질량％ 의 농도로 사용하여, 실시예 1 의 순서로 제조를 실시하였다. 단, 가압력은 0.4MPa, 0.7MPa, 1.35MPa 의 3 방법으로 실시하였다. 얻어진 입자의 평균 입경은 각각 13.5㎛, 10.0㎛, 6.7㎛ 였다. 이 결과로부터, 막상 다공질체의 구멍 직경이 동일한 경우, 투과 유속이 커짐에 따라, 입경 분포는 유지한 상태에서, 작은 입경 측으로 시프트 되어 있는 것을 알았다.

(실시예 3)

저융점 금속으로서 63Sn∼Pb 의 공정 땜납 (융점 183℃) 을 사용하고, 가스 아토마이즈법에 의해 조제된 평균 입경 37㎛ 의 땜납 분말을 저융점 금속 분말로서 이용하였다. 막상 다공질체에는 구멍 직경 20.2㎛ 의 평막상 친수성 다공질 유리를 이용하여 내열성 액체로서 시판되는 윤활유를 사용하여, 실시예 l 과 동일한 순서로 저융점 금속 입자를 제조하였다. 단, 막상 다공질체를 투과시키기 직전의 온도는 200℃ 로 설정하고, 가압력은 1.45MPa 로 하였다. 얻어진 땜납 입자의 평균 입경은 9.3㎛ 이었다. SEM 사진으로 관찰한 결과, 본 발명에서 얻어지는 저융점 금속 입자는, 형상이 진구에 가까운 것을 알 수 있었다.

(실시예 4)

본 발명에서는, 저융점 금속 입자를 막상 다공질체에 반복 투과시킴으로써, 입경이 보다 고른 입자를 얻을 수도 있다. 따라서 막상 다공질체를 1회 투과시켜 얻어진 저융점 금속 입자를 다시 투과시켜, 입경에 주는 영향을 검토하였다.

저융점 금속로서 납프리 땜납 (M705:Sn-3Ag-0.5Cu, 융점 2l7∼220℃, 센주 금속 공업(주) 제조) 을 사용하고, 가스 아토마이즈법에 의해 조제된 평균 입경 37㎛의 땜납 분말을 저융점 금속 분말로서 이용하였다. 막상 다공질체에는 구멍 직경 6.0㎛ 의 파이프 형상 친수성 다공질 유리를 이용하고, 내열성 연속상 액체는 시판되는 윤활유, 분산 안정제는 자당 지방산 에스테르 (상품명 ER290, 미츠비시 화학 푸즈(주) 제조) 를 5질량％ 의 농도로 사용하여, 실시예 1 과 동일한 순서로 저융점 금속 입자의 제조를 실시하였다. 단, 막상 다공질체를 투과시키기 직전의 혼합물의 온도는 240℃ 로 설정하고, 가압력은 4MPa 로 하였다. 평균 입경 7.3㎛ 의 얻어진 저융점 금속 입자를 다시 저융점 금속 분말로서 이용하여 l회째와 완전히 동일한 조건으로 구멍 직경 6.0㎛ 의 파이프 형상 친수성 다공질 유리를 투과시켰다. 파이프 형상 친수성 다공질 유리를 2회 투과시킨 후의 저융점 금속 입자는, 평균 입경이 4.9㎛ 가 되어, 1회만 투과시킨 저융점 금속 입자와 비교해서, 입경 분포는 보다 샤프하게 되고, 또한 작은 입경 측으로의 시프트가 확인되었다.

(실시예 5)

본 발명에 있어서는, 구멍 직경이 고른 막상 다공질체이면, 상기 다공질 유리에 한정되는 것은 아니다. 따라서 다공질 유리 이외의 것을 이용한 실시예 에 대해 설명한다.

저융점 금속 분말로서 실시예 4 의 평균 입경 37㎛ 의 저융점 금속 분말을 이용하여 막상 다공질체에 스킨층의 공칭 미세 구멍 직경이 3㎛ 인 파이프 형상 비 대칭 세라믹스막 (조성 Al₂O₃, 도시바 세라믹스(주) 제조), 내열성 액체는 시판되는 윤활유, 분산 안정제로서 자당 지방산 에스테르 (상품명 ER290, 미츠비시 화학 푸즈(주) 제조) 를 5질량％ 의 농도로 사용하여, 실시예 1 과 동일한 순서로 저융점 금속 입자의 제조를 실시하였다. 단, 막상 다공질체를 투과시키기 직전의 온도는 240℃ 로 설정하고, 가압력은 4MPa 로 실시하였다. 얻어진 저융점 금속 입자는, 평균 입경이 2.6㎛ 이며 입경 분포도 비교적 고른 것이 얻어진다.

본 발명의 실시예에서는, 땜납 입자의 입경 조정에 대해 설명했지만, 본 발명은, 땜납 입자에 한정되지 않고 내열성 액체의 사용 가능한 온도에서 용융하는 금속 입자이면 어떠한 금속 입자의 입경도 조정할 수 있다.

Claims (7)

1. 용융 상태의 저융점 액체 금속 분말과 그 저융점 금속의 융점 이상의 온도가 된 내열성 연속상 액체로 이루어지는 혼합물에 압력을 가하고, 연통 구멍을 2개 이상 갖는 막상 다공질체의 연통 구멍을 통해 상기 혼합물을 투과시킴으로써, 액체 금속 분말을 이 분말보다 직경이 작은 액체 금속 입자로 성형하고, 그 후, 그 액체 금속 입자와 내열성 연속상 액체를 저융점 금속의 융점 이하로 냉각함으로써 고체 금속 입자를 얻는 것을 특징으로 하는 저융점 금속 입자의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   액체 금속 분말의 막에 대한 투과 속도를 제어함으로써, 얻어지는 액체 금속 입자의 입경을 막상 다공질체의 미세 구멍 직경 이하의 직경으로 조정하는 것을 특징으로 하는 저융점 금속 입자의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   생성된 액체 금속 입자를 반복하여 2회 이상 막상 다공질체에 투과시킴으로써, 1회만 투과시킨 경우보다 입경이 더 고른 액체 금속 입자를 얻는 것을 특징으로 하는 저융점 금속 입자의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 내열성 연속상 액체는, 광물유, 식물유, 글리콜류 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 저융점 금속 입자의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   내열성 연속상 액체에는, 분산 안정제가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 저융점 금속 입자의 제조 방법.
6. 적어도, 액체 금속 분말과 내열성 연속상 액체를 가열·분산시키는 분산 기구와 연통 구멍을 2개 이상 갖는 막상 다공질체, 및 막상 다공질체의 연통 구멍을 투과한 액체 금속 입자를 냉각하는 냉각 기구로 구성되는 것을 특징으로 하는 저융점 금속 입자의 제조 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 막상 다공질체는, 비대칭 구조를 갖는 다공질 유리, 다공질 무기 세라믹스, 금속 다공질체 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 저융점 금속 입자의 제조 장치.

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