(57)【要約】【課題】溶融した金属材料を吐出するノズルヘッドにおいて、溶融した状態の金属材料の温度分布が大きくなり、結果、吐出した金属材料の組成の偏りや体積を不安定であった。【解決手段】溶融金属を吐出するノズルと、ノズルに通じ前記溶融金属を吐出する為の圧力を生成する圧力室と、圧力室に溶融金属を供給する供給室と、圧力室と供給室とにまたがって位置し、圧力を伝達するピストンと、ピストンを可動させる加圧部と、を備えたノズルヘッドであって、圧力室および供給室を加熱する第１の加熱機構と、ピストンを加熱する第２の加熱機構と、を設けたノズルヘッドを用いる。また、上記ノズルヘッドを用いた金属粒子製造装置を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属を吐出するノズルと、
前記ノズルに通じ前記溶融金属を吐出する為の圧力を生成する圧力室と、
前記圧力室に前記溶融金属を供給する供給室と
前記圧力室と前記供給室とにまたがって位置し、圧力を伝達するピストンと、
前記ピストンを可動させる加圧部と、
を備えたノズルヘッドであって、
前記圧力室および前記供給室を加熱する第１の加熱機構と、
前記ピストンを加熱する第２の加熱機構と、
を設けたことを特徴とするノズルヘッド。
【請求項２】
前記第１の加熱機構による前記圧力室および前記供給室の温度を、
前記第２の加熱機構による前記ピストンの加熱温度よりも、
高い温度とする請求項１に記載のノズルヘッド。
【請求項３】
前記高い温度は、２℃以上高い請求項２記載のノズルヘッド。
【請求項４】
前記ピストンの先端部の形状が尖塔状である
請求項１から３のいずれか１項に記載のノズルヘッド。
【請求項５】
前記尖塔状の先端の角度は、３０度〜１５０度である請求項４記載のノズルヘッド。
【請求項６】
前記ピストンと前記圧力室との間に隙間がある請求項１〜５のいずれか１項に記載のノズルヘッド。
【請求項７】
前記隙間の開口面積は、前記ノズルの開口面積より大きい請求項６記載のノズルヘッド。
【請求項８】
前記隙間の開口部分の最小距離は、前記ノズルの直径より小さい請求項６または７記載のノズルヘッド。
【請求項９】
前記隙間は、５０μｍから１００μｍである請求項６〜８のいずれか１項に記載のノズルヘッド。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載のノズルヘッドを用いた金属粒子製造装置。
【請求項１１】
金属を供給する供給室と前記金属を加圧する圧力室とを加熱し、前記金属を溶融する第１の加熱工程と、
前記圧力室と前記供給室とにまたがって位置するピストンを加熱する第２の加熱工程と、
前記ピストンで前記溶融した金属を加圧する加圧工程と、
前記圧力室のノズルより、前記溶融した金属を吐出する吐出工程と、を含む金属粒子作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液状の材料を吐出するノズルヘッドとそれを利用した装置、方法に関する。特に、溶融金属材料を吐出し、均一な寸法を有する粒子を製造するノズルヘッドとそれを用いた装置、方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
形状の揃った均一な粒子は、その材質を問わず、電気製品をはじめとする様々な分野で広く用いられている。例えば、ゾルゲル法にて製造される二酸化珪素の均一粒子は、液晶パネルにおいて、ガラス板の間隔を精度良く確保する手段として広く用いられている。
【０００３】
また、半導体ＩＣパッケージの回路基板への接続のため、その電極部分にはんだ粒子が用いられている。このはんだ粒子は、半導体ＩＣパッケージの電極配置が格子状であることから、ボールグリッドアレイと呼ばれている。
【０００４】
このはんだ粒子を製造する手段としては、特許文献１で示されているように、高温の油の中に溶融はんだを吐出し、表面張力により球形化させる油中アトマイズ法が一般に用いられている。しかしながら、溶融はんだが油による抵抗を受けて、その真球度が低下してしまう。このことを解決するため、特許文献２では、圧電アクチュエータにより気中に溶融金属を吐出する提案がなされている。
【０００５】
図６のノズルヘッド３００の断面図を用いて、特許文献２のはんだ粒子を製造する方法を説明する。図６では、ノズルヘッド３００の内部で、金属材料３５２を溶融する。この溶融した金属材料３５２をピストン３２０で押し、ノズル３０３から、金属材料３５２を吐出する。吐出後、金属材料３５２が固まり、球の半田粒子が、作製される。ピストン３２０は、圧電素子３３０で押される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−２０７４９３号公報
【特許文献２】特開２００２−１５５３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、金属材料３５２を溶融させる場合、溶融させるための槽には温度分布が生じ、溶融した金属材料３５２の温度が安定しない。それにより溶融した金属材料３５２の成分が均質化せず、吐出される金属材料３５２の組成に偏りが生じる。そのため、凝固した時の半田粒子の形状が安定しないという課題を有している。
【０００８】
さらに溶融した金属材料３５２の粘度は、その温度により変化する。このため、その温度が安定しないと、粘度が変化し吐出される溶融した金属材料３５２の体積が安定しない。従って、形成される半田粒子の直径がばらつくという課題があった。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、吐出される溶融金属の成分を常に均質にするとともに、吐出体積を一定に保つことのできるノズルヘッドと、そのノズルヘッドを用いた金属粒子製造装置と、金属粒子の製造方法とを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、溶融金属を吐出するノズルと、ノズルに通じ前記溶融金属を吐出する為の圧力を生成する圧力室と、圧力室に溶融金属を供給する供給室と、圧力室と供給室とにまたがって位置し、圧力を伝達するピストンと、ピストンを可動させる加圧部と、を備えたノズルヘッドであって、圧力室および供給室を加熱する第１の加熱機構と、ピストンを加熱する第２の加熱機構と、を設けたノズルヘッドを用いる。
【００１１】
また、上記ノズルヘッドを用いた金属粒子製造装置を用いる。
【００１２】
金属を供給する供給室と金属を加圧する圧力室とを加熱し、金属を溶融する第１の加熱工程と、圧力室と供給室とにまたがって位置するピストンを加熱する第２の加熱工程と、ピストンで溶融した金属を加圧する加圧工程と、圧力室のノズルより、溶融した金属を吐出する吐出工程と、を含む金属粒子作製方法を用いる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば、溶融した金属材料を圧力室内で常に対流させ、溶融金属の温度分布を常に一定の状態に保つことができるノズルヘッドを構成できる。そのため、常に一様な組成で、かつ吐出される溶融した金属材料の体積を一定化することができる。また、所望の金属組成による球形成を高い精度で行うことができる。従って、均質で、形状の良く揃った金属球の製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係るノズルヘッドの構造を示す断面図
【図２】（ａ）本発明のノズルヘッドにおける圧力室および供給室へ金属材料を供給した状態を示す断面図、（ｂ）本発明のノズルヘッドにおける圧力室および供給室で金属材料を溶融した状態を示す断面図、（ｃ）本発明のノズルヘッドの駆動ユニットを挿入する状態を示す断面図、（ｄ）本発明のノズルヘッドで金属材料を溶融した状態を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態に係る圧力室内の金属材料の状態を示す断面図
【図４】溶融した金属材料の粘度と温度の関係を示すグラフ
【図５】本発明の実施の形態に係るピストンの変形例を示す断面図
【図６】従来のノズルヘッドの構造を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
＜構成＞
図１は、実施の形態におけるノズルヘッドを正面から見た断面構造を示す模式図である。ノズルヘッド１００には、素材となる金属材料を蓄える供給室１０２が設けられる。供給室１０２の周囲には加熱機構１４１が備えられ、金属材料をその融点以上に加熱し溶融させる。また、ノズルヘッド１００は、溶融した金属を吐出するノズル１０３を備える。さらに、ノズル１０３に連通し、溶融した金属材料を吐出するための圧力を生成する圧力室１０４が備えられる。供給室１０２と圧力室１０４は、ピストン１２０によって隔てられている。従って、加熱機構１４１により供給室１０２と同時に圧力室１０４が外側より加熱される。また圧力室１０４の上方は隔壁１０７で密閉されている。
【００１７】
また、このピストン１２０は、推力を発生させる圧電素子１３０と接続されており、圧電素子１３０の推力を圧力室１０４に伝達する作用を担う。圧電素子１３０は、ブラケット１０５により固定されている。また、圧電素子１３０は外部電源１３１と電気的に接続され、外部電源１３１により駆動することができる。ピストン１２０の圧力室１０４側の先端部１２１は尖塔状に加工が施されている。さらに、ピストン１２０には加熱機構１４２が備えられ、ピストン１２０を加熱する。このことにより、供給室１０２および圧力室１０４を内側から加熱することができる。
【００１８】
ノズルヘッド１００は、固定具１０６によりテーブル（図示せず）等に固定されている。
＜金属材料の供給＞
次に、ノズルヘッド１００への材料の供給方法について説明する。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、ノズルヘッド１００のうち、圧力槽２０２、すなわち、供給室１０２および圧力室１０４を正面から見た断面構造を示す模式図である。
【００１９】
図２（ａ）において、圧力室１０４および供給室１０２には、所望の組成による吐出を行うための、金属材料１５１が導入される。ここでは、金属材料１５１について、はんだ材料を例として説明するが、銅あるいはシリコン等の材料でも同様である。導入された金属材料１５１は、圧力室１０４および供給室１０２の周囲に備えられた加熱機構１４１により加熱される。
【００２０】
一般的な電子回路の実装に用いられる、錫−銀−銅の組成からなる、はんだ材料では、その融点が２２１℃であるので、それ以上の温度に加熱することで、溶融することができる。
【００２１】
図２（ｂ）は、この溶融した金属材料１５２により、圧力室１０４および供給室１０２の下部が満たされた状態を表している。尚、ここでは予め粒状に加工した金属材料１５１を供給した図を示しているが、リボン状あるいはインゴットの形態でも、融点以上の加熱によって逐次溶融することで、圧力室１０４および供給室１０２に溶融した金属材料１５２が満たされていくため、問題なく使用することができる。
【００２２】
次いで、図２（ｃ）において、ノズルヘッド１００を、ピストン１２０を圧力室１０４に挿入する。さらに、図２（ｄ）は、溶融した金属材料１５２を、吐出させている状態を示す。
【００２３】
この状態において、圧力室１０４と供給室１０２がピストン１２０で隔てられる。なお、圧力室１０４と供給室１０２は、完全には独立しておらず、圧力室１０４とピストン１２０の間は、予め所定の隙間１０８を設けるように加工されている。
【００２４】
これにより、圧力室１０４内の金属材料１５２の吐出による減少分を、供給室１０２から補充することができ、常に一定量の金属材料１５２を圧力室１０４内に保持することができる。
【００２５】
また、ピストン１２０にも加熱機構１４２が設けられており、ピストン１２０の挿入により、溶融した金属材料１５２が凝固し、ピストン１２０の挿入が阻害されることが無いよう、金属材料１５１の融点以上に予め加熱してある。
【００２６】
尚、ノズル１０３は円形である。ノズル１０３の直径は最大でも０．５ｍｍ程度であり、溶融した金属材料１５２が持つ高い表面張力の効果によって、ノズル１０３から重力により滴下してしまうことは無い。ノズル１０３は円形に限られず、楕円形状でもよい。
【００２７】
＜駆動＞
次に、ノズルヘッド１００の駆動機構について説明する。図２（ｄ）において、ピストン１２０の後端部１２２は圧電素子１３０と接着剤または与圧機構などで接続がされており、圧電素子１３０の推力が伝達されるようになっている。ここで、圧電素子１３０が外部電源１３１により駆動されると、その動作はピストン１２０を通じ、圧力室１０４に伝達される。ピストン１２０の動作は圧力室１０４内の圧力を高める作用を生じ、その圧力は、開放端であるノズル１０３からの、溶融した金属材料１５２の吐出へと至る。この時、圧力室１０４とピストン１２０には、圧力室１０４へ溶融した金属材料１５２を供給するための隙間１０８が存在するが、その流路抵抗はノズル１０３の流路抵抗よりも大きく、圧力室１０４内の圧力は、ほとんどノズル１０３からの吐出として機能する。
【００２８】
吐出された金属材料１５２は、その表面張力により球形となり、気中にて冷却されて球形成がなされる。このとき、表面の酸化を抑制するために、窒素等の不活性ガス雰囲気中へ吐出および冷却されることが望ましい。
【００２９】
＜金属材料の状態＞
次に、圧力室１０４における、溶融した金属材料１５２の状態について詳述する。図３は、圧力室１０４を拡大した断面図である。ここでは、加熱機構１４１による圧力室１０４の金属材料１５２の温度が、加熱機構１４２によるピストン１２０の温度よりも高くなる様に調節する。
【００３０】
例として、金属材料として錫と銀および銅の合金から形成された場合を示す。錫と銀および銅の合金はについて、その融点は２２１℃である。ここで、加熱機構１４１、１４２の温度は、それぞれが２４５℃および２３５℃となるよう設定する。この場合においては、加熱機構１４２、１４１の温度差は圧力室１０４内の溶融した金属材料１５２を介して滑らかに温度勾配が生成するため、溶融金属自身には中央部から端部にかけて、５℃程度の温度差が生じ、有効な対流生成に必要な２〜３℃以上の温度差を与えることができる。少なくとも２℃以上、好ましくは、３℃以上温度差があればよい。
【００３１】
これにより、圧力室の周囲の溶融した金属材料１５２の温度が高くなり、上昇流１６１が発生する。上昇流１６１はやがて、ピストンの先端部１２１に到達する。ここでは、ピストン１２０の温度が圧力室１０４の温度よりも低く設定されていることから、僅かながら冷却され、上昇流１６１は下降流１６２へと移行する。このときピストン１２０の先端部１２１は尖塔状に形成されていることで、周囲からの上昇流１６１が尖塔状の先端部１２１の形状に沿う形で、圧力室中心部へと下降流１６２として導かれ、上昇流から下降流への移行は澱みなく行われる。これにより、圧力室１０４内で溶融した金属材料１５２は安定した対流を生成することが可能となる。従って、溶融した金属材料１５２は圧力室１０４内で、その温度分布を常に一定に保つことが可能となる。
【００３２】
この安定した対流生成は、安定した攪拌となり、溶融した金属材料１５２の組成を常に一定に保つことにつながる。特に金属材料が複合材料からなる場合には、含まれる成分ごとの比重の違いから生じる各種材料の偏在を抑制することができる。このことは、常に均質な金属材料を吐出することに繋がる。
【００３３】
さらに、温度分布が安定して得られることから、溶融した金属材料の粘度を一定に保つことができる。
【００３４】
図４は、金属材料１５２としての錫−銀−銅からなる、はんだ材料における溶融粘度と温度との関係を示したグラフである。
【００３５】
図４のグラフが示す様に、金属材料１５２は、融点である２２０℃で溶融し、固体から液体へと状態変化する。このことで、急激に金属材料１５２の粘度が下がる。この金属材料１５２の溶融物をノズル１０３から吐出させるのは、金属材料１５２の融点から２０℃程度昇温した温度域である。これは、温度分布のムラなどにより、完全に溶融し液体化せず、固体または固溶体の状態で存在する材料が一部に含まることを確実に避けるためである。また、この部分は、粘度の変化が激しい。よって温度を一定に保つ必要があることがわかる。より高い温度にすると、材料の変性、装置の劣化など悪影響があるので、融点から２０℃程度にする。
【００３６】
ここで、上記に示した圧電素子１３０を用いたノズルヘッド１００の場合、粘度により吐出抵抗が変化することで、吐出される体積が変化してしまうため、安定した体積確保のためには、粘度の安定化が重要である。
【００３７】
金属材料１５２の溶融温度は通常、室温よりも高い温度域であるため、温度を一様に保つことは困難であり、必ず温度分布が生じてしまう。しかしながら、本実施の形態においては、この不可避な温度分布を無くすのではなく、逆に、図３で示したように、積極的に対流を生成することにより、この温度分布が常に一定に保たれ、変化しない様にしたものである。これにより、吐出対象となるノズル１０３付近の金属材料の温度が、常に一定に保たれることで、吐出体積の安定化を図ることが可能となっている。
【００３８】
ここで、図２（ｄ）に示したように、吐出により減少した圧力室内の金属材料１５２の補充が、圧力室１０４とピストン１２０との隙間１０８を通って、供給室１０２からなされるために、温度変化の生じることが懸念される。しかし、ノズルジェットにおいて、生成した圧力により吐出される材料の体積は、概ね１００ピコリットルから、最大でも１マイクロリットル程度である。これは、１〜１０ミリリットルの圧力室体積と比較して、十分に小さく、金属材料の補充による温度変化は問題とはならない。
【００３９】
このとき、図２（ｄ）において、ピストン１２０は直径８ｍｍであり、隙間１０８が５０μｍ〜１００μｍ程度となるよう圧力室が形成されている。金属材料１５２の補充は、ピストン１２０が前進して金属材料１５２を吐出させた後、初期位置へと後退する際に行われ、吐出した体積に相当する金属材料１５２が隙間１０８を通じて圧力室へと補充される。
【００４０】
なお、隙間１０８の部分の開口面積は、ノズル１０３の開口面積より大きいのが好ましい。この理由は、吐出される溶融金属の体積の安定性を確保するためである。また、ノズル１０３の直径は、隙間１０８の開口部分の最小隙間距離より大きいことが好ましい。
【００４１】
＜変形例＞
図１では、ピストン１２０の先端部１２１形状として、円錐形の形状を示したが、図５に示すように、先端部１２３は、半球状でもよい。楕円形、紡錘形、円錐台など、下に凸状で、中心線を基線とした回転対象であれば、同様の効果が得られる。
【００４２】
また、圧力室１０４の下部は、ノズル１０３に至るにつれ、細く絞るような構造を有しているが、これはピストン１２０の推力により生成された圧力がノズル１０３に集中するよう設計したものである。図１では、圧力室１０４の下部は、ピストン１２０と相似形状であったが、これに限られない。
圧力室１０４の下部を円錐とした場合、その頂角は、３０度〜１５０度程度が適当であり、好適には９０度±１０度程度とすることが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明のノズルヘッドでは、金属材料を溶融し、吐出させるに当たり、その組成を均質化し、さらに、常に安定した体積を吐出させることが可能となった。特に溶融金属による球形成を行う場合などでは、高い直径精度で製造することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１００  ノズルヘッド
１０２  供給室
１０３  ノズル
１０４  圧力室
１０５  ブラケット
１０６  固定具
１０７  隔壁
１０８  隙間
１２０  ピストン
１２１  先端部
１２２  後端部
１２３  先端部
１３０  圧電素子
１３１  外部電源
１４１  加熱機構
１４２  加熱機構
１５１  金属材料
１５２  金属材料
１６１  上昇流
１６２  下降流
２０２  圧力槽
３００  ノズルヘッド
３０３  ノズル
３２０  ピストン
３３０  圧電素子
３５２  金属材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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