(57)【要約】【課題】高溶融率かつ高真円の無機質粉末を生産性良く製造すること。【解決手段】複合管構造ノズルの中心管から無機質粉末原料を炉内に噴射し、その内管に隣接した外管から燃料ガスを内管に対し螺旋流を形成させるように噴射し、更にそのノズルの外周部から燃料ガスの燃焼に足り得る十分な助燃ガスを炉内に供給し、高温火炎を形成させながら無機質粉末原料を球状化させることを特徴とする球状無機質粉末の製造方法。この場合において、 無機質粉末原料を、助燃ガス及び不活性ガスの少なくとも一方に搬送させて供給するか、更には水スラリーとして供給することが好ましい。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合管構造ノズルの中心管から無機質粉末原料を炉内に噴射し、その内管に隣接した外管から燃料ガスを内管に対し螺旋流を形成させるように噴射し、更にそのノズルの外周部から助燃ガスを炉内に供給し、高温火炎を形成させながら無機質粉末原料を球状化させることを特徴とする球状無機質粉末の製造方法。
【請求項２】
無機質粉末原料を、助燃ガス及び不活性ガスの少なくとも一方に搬送させて供給することを特徴とする請求項１記載の球状無機質粉末の製造方法。
【請求項３】
無機質粉末原料を、水スラリーとして供給することを特徴とする請求項１又は２記載の球状無機質粉末の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球状無機質粉末の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体産業においては、半導体の高集積化が進むにつれ、半導体チップの封止材の高性能化が求められ、特に電気絶縁性、低膨張率などの機能が要求されている。これらの要求を満たすため、合成樹脂特にエポキシ樹脂に、溶融処理された無機質粒子、特に溶融シリカ粒子の充填された封止材が一般に用いられている。そして、この無機質粒子が球状の形状を持ったものであると、高充填することができ、しかも封止する際の流動性の向上に役立っている。中でも真球に近いものほど充填性、流動性、耐金型摩耗性に優れているので、高球形度の無機質粒子が賞用されている。
【０００３】
球状無機質粒子は、一般的には、溶融炉内の溶融ゾーンに高温火炎を形成し、そこに無機質粉末原料を噴射する工程を経て製造される。この方法においては、通常、無機質粉末原料は、燃料ガスの供給手段、助燃ガスの供給手段及び無機質粉末原料の供給手段を備えてなるバーナーから一定量づつ高温火炎中に供給され、溶融もしくは半溶融され、表面張力により球状化される。次いで、溶融球状粒子は、溶融ゾーンに連続した冷却ゾーンを通過させて冷却固化し、捕集系に送られる。捕集系では、例えば重力沈降室、サイクロン及びバグフィルター等の少なくとの一つの捕集機が設置され、所望粒度の粒子が段階的に取得できるようになっている。
【０００４】
しかしながら、上記製造方法においては、無機質粉末原料の融点以上の温度領域の形成される部分は、高温火炎近傍の一部分だけとなるので、捕集系で取得された製品には、高温火炎を通過しない未溶融粒子や球状化が十分でない粒子が不規則に混在し、用途に制約を受けたり、再溶融処理が必要であった。
【０００５】
この問題を解決するため、微粒品から粗粒品までの広い粒度範囲の球状品を一本のバーナーで製造するべくバーナー構造を改良すること（特許文献１、２）、高温火炎と無機質粉末原料とを溶融炉内に噴射することのできるバーナーを予備燃焼室に設けると共に、予備燃焼室と溶融炉の連接部周辺には補助バーナーを設けてなる装置を用いて球状化すること（特許文献３）、などが提案されている。このような提案によって、上記問題はかなり改善されたが、高溶融率の球状粒子の量産化という点では、まだ十分に満足できるものではなかった。
【０００６】
とくに、無機質粉末原料中の微粉粒子を単独の球状粒子として回収することが困難であった。原料粉末が微粉になると、原料粉同士が凝集しているため、溶融時に合着結合し、所望の粒径より大きくなってしまったり、いびつな球形を持つ粒子になってしまったり、更には凝集している内部の粒子が溶融されなかったりすることがある。
【０００７】
これを解決するため、特許文献４のように、無機質原料粉末を高速で噴射すれば、原料粒子の凝集が解かれ合着結合を抑制させることが可能となるが、多量の原料搬送用ガスの使用や、耐圧供給機の設置などコスト高となった。
【０００８】
一方、特許文献５には、複合管構造ノズルの任意内管から助燃ガスにて搬送された無機質粉末原料を、旋回させた燃料ガスにて分散させることで、球形度の高い球状粒子を得ることできると記載されている。しかし、原料粉末の分散に見合った量の燃料ガス量を供給する際、無機質粉末原料を搬送する助燃ガス量が少ないと燃料ガスを十分に燃焼させることができず、燃焼効率が低くなる問題があった。
【特許文献１】特開平６−５６４４５号公報
【特許文献２】特開平４−１２６５３３号公報
【特許文献３】特開平４−１２６５３７号公報
【特許文献４】特開平１３−０８９１３０号公報
【特許文献５】特開２００３−１７５３２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上記に鑑み、高溶融率かつ高真円の無機質粉末を生産性良く製造することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、複合管構造ノズルの中心管から無機質粉末原料を炉内に噴射し、その内管に隣接した外管から燃料ガスを内管に対し螺旋流を形成させるように噴射し、更にそのノズルの外周部から助燃ガスを炉内に供給し、高温火炎を形成させながら無機質粉末原料を球状化させることを特徴とする球状無機質粉末の製造方法である。この場合において、無機質粉末原料を、助燃ガス及び不活性ガスの少なくとも一方に搬送させて供給することが好ましい。また、無機質粉末原料を、水スラリーとして供給することが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によって製造された球状無機質粉末は、高溶融率かつ高真円度、例えば溶融率が９８％以上で、真円度が０．８５以上のものとなる。本発明の製造方法によれば、球状無機質粉末の生産性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明が適用できる無機質粉末原料を例示すれば、金属酸化物粉末、高温で酸化物となる金属粉末等であるが、特に融点が１０００℃以上であるシリカ、アルミナ、チタニア等の単体ないしはそれらを成分とする複合物がよく適合する。無機質粉末原料の平均粒径としては、例えば１００μm以下であり、粉末同士が凝集しやすい１μm以下の微粉末を多く含有したものであってもよい。また、無機質粉末原料の融点以上の高温火炎、例えば約１７００℃以上の高温部を有する火炎を形成するための燃料ガスとしては、例えばプロパン、ブタン、プロピレン、アセチレン、水素等が使用され、また助燃ガスとしては、例えば空気、酸素等が使用される。
【００１３】
本発明においては、燃料ガスによる螺旋流が溶融炉内に形成するように燃料ガスを溶融炉内に噴射する。図１〜４にその概念図を示す。図１〜４は、本発明で使用される多重に組み合わせた複合管構造ノズルの一例を示す概略斜視図である。
【００１４】
図１において、無機質粉末原料３は複合管構造ノズルの中心管１（以下、「無機質原料粉末供給管」ともいう。）の上部供給口４に導入され、炉側の開放部から炉内に供給される。燃料ガス５は、中心管１の外側の外管２（以下、「燃料ガス供給管」ともいう。）の上部供給口６に導入され、炉側の開放部から炉内に供給される。燃料ガスの螺旋流７は、無機質粉末原料を供給する中心管１の周りで形成させ、そのまま炉内に導入することが好ましい。螺旋流を吐出させる燃料ガスの速度は、無機質粉末原料の供給速度に対し、１〜２０倍、特に１．５〜１０倍とすることが好ましい。このような速度とすることによって、無機質粉末原料は良好な分散状態を維持して溶融されるので、高溶融率、高真円度の球状無機質粉末が得られやすくなる。なお、図１に示された複合管構造ノズルは、無機質粉末原料を供給する中心管１と燃料ガスを供給する外管２とは、同心円状に設置されており、この構造によればより安定した螺旋流を得るのに好ましいが、何も同心円状にする必要はない。
【００１５】
本発明で重要なことは、燃料ガスによる螺旋流の外側に助燃ガスを供給して燃料ガスを燃焼させ、溶融炉内を螺旋する高温火炎を形成することである。ここで、「螺旋流の外側に」という意味は、例えば「螺旋流の最も外側の輪郭部に近接させて」、ということであり、その一例を図２、図３に示した。
【００１６】
図２に示される複合管構造ノズルは、燃料ガスを供給する外管２０２の外側にさらに管２０８を設け、その管２０８から助燃ガス２０９を供給する構造である。また、図３の複合管構造ノズルは、燃料ガスを供給する外管３０２に助燃ガス供給管３０８を数本隣接し、そこから助燃ガス３０９を供給する構造である。いずれにおいても、助燃ガスを供給するに際しては、燃料ガスによって形成された螺旋流を乱すことがあってもできるだけそれが少なくなるように供給することが肝要である。
【００１７】
本発明で使用される複合管構造ノズルは、少なくとも二重管構造をとるが、三重管、四重管・・等の多重管構造をとることもできる。これらの多重管構造においては、最も内側の管すなわち中心管が無機質粉末供給管となり、その外側に隣接する管が燃料ガス供給管となる。たとえば、三重管構造であるときは、その最も外側の管が、燃料ガス、助燃ガス又はそれらの混合ガスの供給管となるが、図２のように助燃ガス２０９の供給管となることが好ましい。四重管以上の構造ノズルであるときも、燃料ガスを供給する管の外側に追加された管は、燃料ガス、助燃ガス又はそれらの混合ガスのいずれかの供給管となることが好ましい。
【００１８】
無機質粉末供給管（中心管）の内部は、何の工夫もない直管で十分であるが、その外側に隣接する燃料ガスの供給管には、燃料ガスを溶融炉に噴射したときに、溶融炉に燃料ガスによる螺旋流が形成するように工夫が施されている。その工夫を例示すれば、噴射口付近に風車を設ける、噴射管の内部の一部又は全部を螺旋構造とする、両者の組み合わせ、などである。中でも、燃料ガスを供給する外管内にガイドを均一な角度を付けて風車状に数枚取り付けることによって簡単に螺旋流を形成することができる。とくに、燃料ガスと助燃ガスとの混合、及び無機質粉末原料の分散などの効果を高めるために、ガイドの枚数を増やし螺旋流の形成を強めることが好ましい。また、燃料ガスを供給する外管は図４のように多重に組み合わせても良く、その外側から助燃ガス量を適正量流すことで、燃料ガスの螺旋流をより効果的に形成させることができる。
【００１９】
助燃ガスは、溶融炉の一箇所又は複数の箇所から供給されるが、その合計の供給量は燃料ガスの理論燃焼量に対し、１．１〜２．０倍とすることが好ましい。１．１倍よりも著しく少ないと、燃料ガスの不完全燃焼が起こるため、製造コストを無駄に消費するのに加え、発生した未燃のススが捕集粉に異物として混入する恐れがある。また、２．０倍よりも著しく多くすることは、無駄に助燃ガスを供給することになる。
【００２０】
無機質原料粉末は中心管（無機質原料粉末供給管）から供給されるが、供給はそのままピストン等の機械的手段で搬送させることもできるし、また助燃ガス及び不活性ガスの少なくとも一方に同伴させて搬送することもできる。後者によれば、無機質原料粉末をより安定して供給することができ、特に不活性ガスに同伴させる場合は粉塵爆発の危険性がなくなる。不活性ガスとしては、コスト面から例えば窒素ガスが好ましい。また、安定供給かつ粉塵爆発防止の点から、無機質粉末原料を水スラリーとして搬送することもできる。
【００２１】
本発明で使用される装置は、例えば複合管構造ノズルが設置された溶融炉と、溶融処理物の捕集系とからなっている。溶融炉は、高温火炎の形成と無機質粉末粉末の溶融・球状化を行う溶融ゾーンと、自然に又は強制的に溶融球状粒子の冷却固化が行われる冷却ゾーンとから構成されている。冷却ゾーンでは、捕集系における操作が容易となる程度の温度、例えば１０００℃以下の温度までに溶融球状粒子が冷却される。強制冷却を行わない場合には、その温度に達する時間の間、溶融球状粒子が滞留するよう冷却ゾーンの長さが設計されている。
【００２２】
本発明の製造方法によって、平均粒径が１０μｍ以下の微細な球状粒子を製造するには、溶融ゾーンで形成された溶融球状粒子が合着し、粒子が変形ないしは粗粒化させないよう速やかに冷却するために、強制冷却を行うことが好ましい。その強制冷却は、溶融ゾーンと冷却ゾーンとの接続部近傍に空気等の冷却ガスを送給することによって行うことが望ましく、これによって球状粒子を捕集系にガス輸送できる利点もある。捕集系では、例えば重力沈降室、サイクロン、バグフィルター等の少なくとも一つの捕集機が設置され、それらの捕集機の性能に応じた所望粒度の粒子を段階的に取得される。
【実施例】
【００２３】
実施例１
図５に示される装置を用いて無機質粉末の球状化試験を行った。すなわち、無機質粉末原料供給管５０１、燃料ガス供給管５０２、助燃ガス供給管５０３が接続されている、図２に示される複合管構造ノズル５０４を取付台座５０５の中心に設置した。複合管構造ノズル５０４の中心管（すなわち無機質粉末原料供給管２０１）からは無機質粉末原料が溶融炉内に供給され、その隣接する外管（すなわち燃料ガス供給管２０２）に設置したガイドにより燃料ガスを螺旋流として炉内に供給した。助燃ガスは燃料ガスの外側の管（すなわち助燃ガス供給管２０８）より炉内に供給した。台座５０５は溶融炉５０６の頂部に設置され、溶融炉５０６から排出された球状粒子が、重力沈降室５０７、サイクロン５０８、バグフィルター５０９、ブロワー５１０からなる捕集系に空気輸送されるように直列に接続されている。このような装置を用いて無機質粉末の球状化試験を行った。
【００２４】
燃料ガス供給管からは、燃料ガスとしてＬＰＧ：１０Ｎｍ３／ｈｒを螺旋流として供給し、また無機質粉末原料供給管からは、無機質粉末原料としてシリカ質粉末（平均粒径１２μｍ）の５０ｋｇ／ｈｒを助燃ガスＯ２：１０Ｎｍ３／ｈｒに同伴させて溶融炉内に搬送した。助燃ガス供給管からは助燃ガスＯ２：５０Ｎｍ３／ｈｒを噴射して球状化処理を行った。重力沈降室から捕集された球状無機質粉末について真円度と溶融率を以下に従い測定した。また、無機質粉末と球状無機質粉末の平均粒径を以下に従い測定した。それらの結果を表１に示す。
【００２５】
（１）真円度
実体顕微鏡「モデルＳＭＺ−１０型」（ニコン社製）にて撮影した粒子像を画像解析装置（日本アビオニクス社製）に取り込み、次のようにして測定した。すなわち、写真から粒子の投影面積（Ａ）と周囲長（ＰＭ）を測定する。周囲長（ＰＭ）に対応する真円の面積を（Ｂ）とすると、その粒子の真円度はＡ／Ｂとして表示できる。そこで、試料粒子の周囲長（ＰＭ）と同一の周囲長を持つ真円を想定すると、ＰＭ＝２πｒ、Ｂ＝πｒ２であるから、Ｂ＝π×（ＰＭ／２π）２となり、個々の粒子の球形度は、球形度＝Ａ／Ｂ＝Ａ×４π／（ＰＭ）２として算出することができる。このようにして得られた任意の粒子２００個の真円度を求めその平均値を以て粉末の真円度とした。
【００２６】
なお、球状無機質粉末の真円度を上げれば半導体封止材中での転がり抵抗が少なくなり、粘度が低下、流動性が向上する傾向にあるので、本発明においては真円度が０．８５以上であることが好ましい。
【００２７】
（２）溶融率
粉末Ｘ線回折装置「モデルＭｉｎｉ  Ｆｌｅｘ」（ＲＩＧＡＫＵ社製）を用い、ＣｕＫα線の２θが２６°〜２７．５°の範囲において、Ｘ線回折分析を行った。結晶シリカの場合は、２６．７°に主ピークが存在するが、溶融シリカではこの位置には存在しない。溶融シリカと結晶シリカが混在していると、それらの割合に応じて２６．７°のピーク高さが変化する。そこで、結晶シリカ標準試料のＸ線強度に対する試料のＸ線強度の比から、結晶シリカ混在率（測定物質のＸ線強度／結晶シリカのＸ線強度）を算出し、式、溶融率（％）＝（１−結晶シリカ混在率）×１００から溶融率を求めた。
【００２８】
（３）平均粒径
レーザー回折光散乱法による粒度測定に基づく値であり、粒度分布測定機として、「モデルＬＳ−２３０」（ベックマンコールター社製）にて測定した。測定に際しては、溶媒には水を用い、前処理として、１分間、ホモジナイザーを用いて２００Ｗの出力をかけて分散処理させた。また、ＰＩＤＳ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）濃度を４５〜５５％になるように調製した。なお、水の屈折率には１．３３を用い、粉末の屈折率については粉末の材質の屈折率を考慮した。たとえば、非晶質シリカについては屈折率を１．５０として測定した。
【００２９】
実施例２〜５
表１に示すように、各種のガス条件、無機質粉末原料の供給方法を種々変更したこと以外は、実施例１と同様にして球状溶融シリカ粉末の製造を行った。
【００３０】
比較例１、２
燃料ガス供給管２０２に設置したガイドを取り外し、燃料ガスの螺旋流を形成させないようにした、つまり中心管２０１と燃料ガス供給管２０２の間から燃料ガスを直線状に供給したこと以外は、実施例１又は２と同様にして球状溶融シリカ粉末の製造を行った。
【００３１】
比較例３
複合管構造ノズルの助燃ガス供給管２０８からの助燃ガスの供給を停止し、その分の助燃ガスを無機質粉末原料の搬送ガスとしたこと以外は、実施例１と同様にして球状溶融シリカ粉末の製造を行った。
【００３２】
比較例４
燃料ガス量を１０Ｎｍ３／ｈｒから２０Ｎｍ３／ｈｒに増加させ、それに見合った量の助燃ガスを無機質粉末原料の搬送ガスとして供給したこと以外は、比較例３と同様にして球状溶融シリカ粉末の製造を行った。
【００３３】
【表１】
2005288399.tif 000002
【００３４】
表１から、実施例１〜５では、比較例１〜３に比べて、溶融率と真円度がいずれも高い球状溶融シリカ粉末が得られていることがわかる。また、実施例１〜５は比較例４に比べて、燃料ガス量も抑えることが可能であり、生産性が優れていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によって製造された球状無機質粉末は、例えば半導体樹脂封止用充填材として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】複合管構造ノズルの一例を示す概略斜視図
【図２】複合管構造ノズルの一例を示す概略斜視図。
【図３】複合管構造ノズルの一例を示す概略斜視図。
【図４】複合管構造ノズルの一例を示す概略斜視図。
【図５】球状無機質粉末の製造装置の一例を示す概略図
【符号の説明】
【００３７】
１、２０１、３０１、４０１  中心管（無機質粉末原料供給管）
２、２０２、３０２          外管（燃料ガス供給管）
３、２０３、３０３          無機質粉末原料
４、２０４、３０４          無機質粉末原料の供給口
５、２０５、３０５          燃料ガス
６、２０６、３０６          燃料ガスの供給口
７、２０７、３０７          燃料ガスの螺旋流
２０８、３０８              助燃ガス供給管
２０９、３０９              助燃ガス
２１０、３１０              助燃ガスの供給口
４０２                      複合管構造ノズルの外管
４０３                      複合管構造ノズルの別の外管
４０４                      助燃ガス供給管
４０５                      燃料ガスの螺旋流
４０６                      燃料ガスの別の螺旋流
５０１                      無機質原料粉末供給管
５０２                      燃料ガス供給管
５０３                      助燃ガス供給管
５０４                      複合管構造ノズル
５０５                      取付台座
５０６                      竪型溶融炉
５０７                      重力沈降室
５０８                      サイクロン
５０９                      バグフィルター
５１０                      ブロワー
【図１】
2005288399.tif 000003
【図２】
2005288399.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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