专利名称：一种制备低熔点焊球的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于低熔点球形微粒子制备的技术领域，特别涉及一种利用小孔喷射制备 低熔点焊球的方法。
背景技术：
对于使用低熔点材料制备的焊球，目前应用最广的就是用于电子封装领域的锡球 粒子。近年来，随着电子器件向轻小化、集成化的方向发展，对微电子封装业的精密程度和 多领域化提出了更高的要求，多组元高精度锡球成为现代微电子封装领域的关键材料，因 此对锡球的组分和精度要求日趋严格。而目前我国微电子封装厂使用的锡球大多从国外进 口，与我国庞大的封装产业形成了鲜明的反差，锡球供需量严重不足，市场缺口巨大，直接 导致了我国在先进封装领域始终处于受制于人的被动局面，因此建立拥有自主知识产权的 精密锡球制造技术具有十分重要的意义。目前国内外用于电子封装锡球的生产方法主要有(1)雾化法主要包括包括离心雾化法和气雾化法两类，主要原理是将液态锡用 高速气流雾化、粉碎、形成微细液滴，经冷却、凝固，形成锡球。但雾化法制备锡球的分散度 较宽，必须通过多次筛分及检测才能得到能够满足使用要求的颗粒。(2)切丝或打孔重熔法首先要将材料加工成线或箔，剪切机械将之裁切成均勻 的小段或圆片。将分段浸入适当温度的热油使之熔化、凝固成为球形颗粒，经过筛分、清洗、 检验从而得到满足要求的锡球。但该方法对于小粒径的锡球或塑性加工不好的材料比较困 难，此外还必须将制得的锡球进行脱脂处理。(3)均一液滴成型法主要采用对液态锡的射流施加特定频率的扰动，使射流在 扰动作用下断裂为均勻的液滴，液滴凝固后即为所需的锡球。该方法在制造锡球时精度不 稳定，必须进行多次筛分才能满足要求。在众多制备低熔点均一粒子锡球的方法中，雾化法、切丝打孔重熔法、均一液滴成 型法均属于较传统的方法，应用比较广泛，但是需要通过多次筛分及检测才能满足使用要 求，不能节约人力物力，并且制备的粒子尺寸均一性差，不适应近年来高精度锡球行业的发 展。因此，能够稳定、连续制备出组织成分均一、大小一致、圆球度高的锡球，是世界各国竞 相追逐的热点和难点。已知由闫焉服，张向民，张柯柯，文九巴，杨涤心，陈拂晓，陆永民，陈 慧敏，刘重喜发明的申请号为CN200510130406. 2的“一种振动喷射式高密封装用钎焊球的 加工设备及工艺方法”专利，目的是研发一种振动喷射式设备来制备高密封装用钎焊球，但 该专利没有涉及压电陶瓷，精度不能保证，无法实现粒子大小一致。已知的发明专利中上尚 没有应用脉冲小孔喷射法制备低熔点均一焊球的方法。
发明内容
本发明要解决的技术难题是利用小孔喷射法，制备粒径均一、直径为百微米的低 熔点焊球，从而满足近年来电子封装行业的需求。
本发明采用的技术方案是在通入惰性气体Ar气产生背压的条件下，通过加热器 将低熔点材料加热至熔融状态，然后利用压电陶瓷在脉冲驱动信号的激励下产生向下的位 移，并由传动棒及压片传递给熔化后的液体，从而使一定量的微小液体通过坩埚下部的小 孔射出，射出的液体在降落过程中无容器凝固形成均一焊球的方法，其步骤如下首先将低熔点材料放入左、右两熔池4’、4中，低熔点材料的装入量分别为左、右 两熔池4’、4容积的50%-70%，关闭顶盖1 ；将带中心孔坩埚11通过左、右连通管10’、10 和左、右熔池4’、4连通起来，其安放位置为左、右熔池4’、4对称中心的正下方，之后将直径 尺寸为300 μ m的喷射孔安置到带中心孔坩埚11的中心孔12中；然后抽取真空先用机械泵26将喷射部腔室28、熔池4’、4、石英降落管14以及回 收室16抽到低真空5-lOPa，再用扩散泵27将喷射部腔室28、熔池4’、4、石英降落管14以 及回收室16抽到高真空0. 001-0. OlPa ；利用气体通管25通入惰性气体Ar，使喷射部腔室 28、熔池4’、4、石英降落管14以及回收室16内压力达到0. IMPa，之后关闭扩散泵27和机 械泵26 ；熔化原材料设置环形加热器7的功率为300-500W、加热温度为300-400°C，接通 环形加热器7加热左、右熔池4’、4，使预先放置好的原材料熔化为左、右两熔池4’、4中的熔 体6 ；通过左、右供气管3’、3向左、右熔池4’、4中通入惰性气体Ar气，和喷射部腔室28产 生背压l_30kPa，使得熔体6通过左、右连通管10，、10填满带中心孔坩埚11 ；其次将外部脉冲驱动信号施加给压电陶瓷29，在其激励作用下，压电陶瓷29产生 向下位移1-15 μ m，由传动棒5及压片8传递给带中心孔坩埚11中的液体，从而使得微小液 体通过带中心孔坩埚11下部的中心孔12射出，喷射速度为l-5m/s ；射出的长条液体22由 于重力和表面张力的作用在石英降落管14中无容器凝固形成初步球形粒子21，最后降落 到回收室16的回收仓18中；同时压片8和传动棒5旋即恢复成初始态，每次射出液体结束 后带中心孔坩埚11通过左、右连通管10’、10补充新的熔体6，以保证带中心孔坩埚11处于 填满状态；连续发射脉冲喷射液体制备所需焊球19 ；最后，喷射制备焊球19结束后，依次关闭外部脉冲信号、环形加热器7，待温度降 至室温，打开回收室16的侧盖20，取出回收仓18，得到所需焊球19 ；再用机械泵26将喷射 部腔室28、熔池4’、4、石英降落管14以及回收室16抽到低真空5_10Pa，使装置停用时处于
真空状态。该装置由上部的喷射部位组件和下部的回收室组件组成，喷射部位组件通过左支 撑块23和右支撑块13固定在四角支架15上；在喷射部组件内安装有左、右两个熔池4’、4， 根据制备焊球量的多少来开通任意一个熔池或全部开通；喷射部位组件由顶盖1和不锈钢 圆筒2构成装置的外壳，机械泵26、扩散泵27、以及气体通管25分别安装在不锈钢圆筒2的 左下部位；不锈钢圆筒2的内腔即为喷射部腔室28，喷射部腔室28内装有左、右熔池4’、4、 环形加热器7、压电陶瓷29、传动棒5、压片8、带中心孔12的坩埚11，其中，左、右熔池4’、4 固定安装在左支架24和右支架9上，左支架24、右支架9分别和设备外壳焊牢；左、右熔池 4’、4的上部接有左、右背压气体通管3’、3，左、右熔池4’、4的外侧装有环形加热器7，环形 加热器7固定在左支架24和右支架9上；带中心孔坩埚11安置在左、右熔池4’、4对称中 心的正下方，左、右熔池4’、4和带中心孔坩埚11通过左、右连通管10’、10相连；在带中心 孔坩埚11正上方安装有压片8和传动棒5，压电陶瓷29固定在传动棒5之上；回收室组件中的回收室16由侧门20和回收室内腔17组成；在回收室16顶部的中心、四角支架15顶部的中心以及真空圆筒2底部的中心正对开孔，悬挂、固定石英降落管 14，石英降落管14上端正对带中心孔坩埚11的中心孔12，下端正对回收室16中的回收仓 18，回收仓18中装有制备的焊球19。本发明的显著效果是首次将小孔喷射法与材料制备紧密结合起来，利用外部脉冲 电压、压电陶瓷、传动棒和压片的震动及小孔孔径控制粒子尺寸，通过控制凝固时间及在表 面张力和重力作用下形成高精度锡球，这种方法制备出的粒子大小一致、组织成分均一、粒 径可控、圆球度高，并且适合于熔点满足要求的各种材料，可以满足生产的连续性和稳定 性，生产效率极大提高，完全满足现代微电子封装行业的要求和发展。
附图1为一种制备低熔点焊球的装置，附图2为附图1中的A-A剖视图。图中 1-顶盖，2-不锈钢圆筒，3-右背压气体通管，3’ -左背压气体通管，4-右熔池，4’ -左熔池， 5_传动棒，6-熔体，7-环形加热器，8-压片，9-右支架，10-右连通管，10’-左连通管，11-带 中心孔坩埚，12-中心孔，13-右支撑块，14-石英降落管，15-四角支架，16-回收室，17-回 收室内腔，18-回收仓，19-所制备焊球，20-回收室侧门，21-初步凝结的球形粒子，22-喷出 的长条状液体，23-左支撑块，24-左支架，25-气体通管，26-机械泵，27-扩散泵，28-喷射 部位腔室，29-压电陶瓷。附图3为实施方式中利用小孔喷射法制备锡球粒子的扫描图像。附图4为实施方式中利用小孔喷射法制备锡球粒子的粒度分布。η-横坐标表示粒 度(μ m)，f_纵坐标表示频率分布(% )。
具体实施方案下面结合技术方案及附图详细说明本方案的具体实施。本发明的工作原理是在通入惰性气体Ar气产生背压的条件下，通过加热器将低 熔点材料加热至熔融状态，然后利用压电陶瓷在脉冲驱动信号的激励下产生向下的位移， 并由传动棒及压片传递给熔化后的液体，从而使一定量的微小液体通过坩埚下部的小孔射 出，射出的液体在降落过程中无容器凝固形成均一焊球的方法。本实施例中使用的带中心孔坩埚11和中心孔12的材料必须与实验所用低熔点材 料润湿性低；低熔点材料可以采用金属锡、铋、铅，本实施例采用金属锡作为实验原材料，制 备粒径均一、直径为百微米的低熔点焊球。首先将金属锡放入左、右两熔池4’、4中，锡的装入量分别为左、右两熔池4’、4容 积的50%，见附图1、附图2，关闭顶盖1 ；将带中心孔坩埚11通过左、右连通管10’、10和 左、右熔池4’、4连通起来，其安放位置为左、右熔池4’、4对称中心的正下方，之后将直径尺 寸为300 μ m的喷射孔安置到带中心孔坩埚11的中心孔12中；然后抽取真空先用机械泵 26将喷射部腔室28、熔池4’、4、石英降落管14以及回收室16抽到低真空5Pa，再用扩散泵 27将喷射部腔室28、熔池4’、4、石英降落管14以及回收室16抽到高真空0. OOlPa ；利用气 体通管25通入惰性气体Ar，使喷射部腔室28、熔池4’、4、石英降落管14以及回收室16内 压力达到0. IMPa，之后关闭扩散泵27和机械泵26 ；熔化原材料设置环形加热器7的功率 为300W、加热温度为300°C，接通环形加热器7加热左、右熔池4’、4，使预先放置好的原材料熔化为左、右两熔池4’、4中的熔体6 ；通过左、右供气管3’、3向左、右熔池4’、4中通入 惰性气体Ar气，和喷射部腔室28产生背压lkPa，使得熔体6通过左、右连通管10，、10填 满带中心孔坩埚11 ；其次将外部脉冲驱动信号施加给压电陶瓷29，在其激励作用下，压电 陶瓷29产生向下位移1 μ m,由传动棒5及压片8传递给带中心孔坩埚11中的液体，从而 使得微小液体通过带中心孔坩埚11下部的中心孔12射出，喷射速度为lm/s ；射出的长条 液体22由于重力和表面张力的作用在石英降落管14中无容器凝固形成初步球形粒子21， 最后降落到回收室16的回收仓18中；同时压片8和传动棒5旋即恢复成初始态，每次射出 液体结束后带中心孔坩埚11通过左、右连通管10’、10补充新的熔体6，以保证带中心孔坩 埚11处于填满状态；连续发射脉冲喷射液体制备所需焊球19 ；最后，喷射制备焊球19结束 后，依次关闭外部脉冲信号、环形加热器7，待温度降至室温，打开回收室16的侧盖20，取出 回收仓18，得到所需焊球19 ；再用机械泵26将喷射部腔室28、熔池4’、4、石英降落管14以 及回收室16抽到低真空5Pa，使装置停用时处于真空状态。附图3是在15KV的条件下，利 用扫描电镜观测的所制备锡球的图片，由锡球的微观形貌可以看出所制备锡球具有大小一 致、成分均一、圆球度高等特点。在附图4中，横坐标用η表示粒度，纵坐标用f表示频率分 布，在η = 220时，f值最大，表示制备的焊球的粒径主要为220 μ m,粒径均一效果好。
本发明将小孔喷射法与材料制备紧密结合起来，利用外部脉冲电压的激励、压电 陶瓷、传动棒及压片的阵动及小孔孔径可以控制粒子尺寸，通过控制凝固时间及在表面张 力和重力作用下形成高精度锡球，这种方法制备出的粒子大小一致、组织成分均一、粒径可 控、圆球度高，并且适合于熔点合适的各种材料，可以满足生产的连续性和稳定性，生产效 率极大提高，完全满足现代微电子封装行业的要求和发展。
权利要求
一种制备低熔点焊球的方法，其特征是，在通入惰性气体Ar气产生背压的条件下，通过加热器将低熔点材料加热至熔融状态，然后利用压电陶瓷在脉冲驱动信号的激励下产生向下的位移，并由传动棒及压片传递给熔化后的液体，从而使一定量的微小液体通过坩埚下部的小孔射出，射出的液体在降落过程中无容器凝固形成均一焊球的方法，其步骤如下首先将低熔点材料放入左、右两熔池(4’、4)中，低熔点材料的装入量分别为左、右两熔池(4’、4)容积的50％ 70％，关闭顶盖(1)；将带中心孔坩埚(11)通过左、右连通管(10’、10)和左、右熔池(4’、4)连通起来，其安放位置为左、右熔池(4’、4)对称中心的正下方，之后将直径尺寸为300μm的喷射孔安置到带中心孔坩埚(11)的中心孔(12)中；然后抽取真空先用机械泵(26)将喷射部腔室(28)、熔池(4’、4)、石英降落管(14)以及回收室(16)抽到低真空5 10Pa，再用扩散泵(27)将喷射部腔室(28)、熔池(4’、4)、石英降落管(14)以及回收室(16)抽到高真空0.001 0.01Pa；利用气体通管(25)通入惰性气体Ar，使喷射部腔室(28)、熔池(4’、4)、石英降落管(14)以及回收室(16)内压力达到0.1MPa，之后关闭扩散泵(27)和机械泵(26)；熔化原材料设置环形加热器(7)的功率为300 500W、加热温度为300 400℃，接通环形加热器(7)加热左、右熔池(4’、4)，使预先放置好的原材料熔化为左、右两熔池(4’、4)中的熔体(6)；通过左、右供气管(3’、3)向左、右熔池(4’、4)中通入惰性气体Ar气，和喷射部腔室(28)产生背压1 30kPa，使得熔体(6)通过左、右连通管(10’、10)填满带中心孔坩埚(11)；其次将外部脉冲驱动信号施加给压电陶瓷(29)，在其激励作用下，压电陶瓷(29)产生向下位移1 15μm，由传动棒(5)及压片(8)传递给带中心孔坩埚(11)中的液体，从而使得微小液体通过带中心孔坩埚(11)下部的中心孔(12)射出，喷射速度为1 5m/s；射出的长条液体(22)由于重力和表面张力的作用在石英降落管(14)中无容器凝固形成初步球形粒子(21)，最后降落到回收室(16)的回收仓(18)中；同时压片(8)和传动棒(5)旋即恢复成初始态，每次射出液体结束后带中心孔坩埚(11)通过左、右连通管(10’、10)补充新的熔体(6)，以保证带中心孔坩埚(11)处于填满状态；连续发射脉冲喷射液体制备所需焊球(19)；最后，喷射制备焊球(19)结束后，依次关闭外部脉冲信号、环形加热器(7)，待温度降至室温，打开回收室(16)的侧盖(20)，取出回收仓(18)，得到所需焊球(19)；再用机械泵(26)将喷射部腔室(28)、熔池(4’、4)、石英降落管(14)以及回收室(16)抽到低真空5 10Pa，使装置停用时处于真空状态。
2.如权利要求1所述的一种制备低熔点焊球的方法，其采用的装置的特征是，该装置 由上部的喷射部位组件和下部的回收室组件组成；喷射部位组件通过左支撑块(23)和右 支撑块(13)固定在四角支架(15)上；在喷射部组件内安装有左、右两个熔池(4’、4)，根据 制备焊球量的多少来开通任意一个熔池或全部开通；喷射部位组件由顶盖(1)和不锈钢圆 筒(2)构成装置的外壳，机械泵(26)、扩散泵(27)、以及气体通管(25)分别安装在不锈钢 圆筒(2)的左下部位；不锈钢圆筒(2)的内腔即为喷射部腔室(28)，喷射部腔室(28)内 装有左、右熔池(4’、4)、环形加热器(7)、压电陶瓷(29)、传动棒(5)、压片(8)、带中心孔 (12)的坩埚(11)，其中，左、右熔池(4，、4)固定安装在左支架(24)和右支架(9)上，左支架 (24)、右支架(9)分别和设备外壳焊牢；左、右熔池(4’、4)的上部接有左、右背压气体通管(3’、3)，左、右熔池(4’、4)的外侧装有环形加热器(7)，环形加热器(7)固定在左支架(24) 和右支架(9)上；带中心孔坩埚(11)安置在左、右熔池(4’、4)对称中心的正下方，左、右熔 池(4，、4)和带中心孔坩埚(11)通过左、右连通管(IOMO)相连；在带中心孔坩埚(11)正 上方安装有压片(8)和传动棒(5)，压电陶瓷(29)固定在传动棒(5)之上；回收室组件中的回收室(16)由侧门(20)和回收室内腔(17)组成；在回收室(16)顶 部的中心、四角支架(15)顶部的中心以及真空圆筒(2)底部的中心正对开孔，悬挂、固定石 英降落 管(14)，石英降落管(14)上端正对带中心孔坩埚(11)的中心孔(12)，下端正对回 收室(16)中的回收仓(18)，回收仓(18)中装有制备的焊球(19)。
全文摘要
本发明一种制备低熔点焊球的方法及装置属于低熔点球形微粒子制备的技术领域，特别涉及一种利用小孔喷射制备低熔点焊球的方法。本方法为在通入惰性气体Ar产生背压的条件下，通过加热器将低熔点材料加热至熔融状态，然后利用压电陶瓷在脉冲驱动信号的激励下产生向下的位移，并由传动棒及压片传递给熔化后的液体，从而使一定量的微小液体通过坩埚下部的小孔射出，射出的液体在降落过程中无容器凝固形成均一焊球的方法。该装置由上部的喷射部位组件和下部的回收室组件组成。本方法制备出的焊球大小一致、组织成分均一、粒径可控、圆球度高，并且适合于熔点合适的各种材料，能满足生产的连续性和稳定性，生产效率高，满足现代微电子封装行业的要求。
文档编号B22F9/08GK101934374SQ20101024207
公开日2011年1月5日 申请日期2010年7月29日 优先权日2010年7月29日
发明者李颖, 董伟, 谭毅 申请人:大连理工大学