专利名称：一种精密焊球的制备装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及先进电子封装用精密焊球的制备，属于一种精密焊球的制备装置，同样本发明也可以用于低熔点金属或其合金球形颗粒或粉体的制备。
背景技术：
目前，随着终端消费性电子产品朝“轻、薄、短、小”及多功能化方向的发展，迫使集成电路封装技术向高密度化、小型化、集成化的方向演变。随着集成电路集成化的不断提高，电子封装形式也逐渐从四边引脚(QFP)向BGA(Ball Grid Array)、CSP(Chip Scale Package)等面阵列封装形式发展，在BGA和CSP封装工艺中使用精密焊球替代引脚，实现电路基板与芯片之间电连接和机械连接。精密焊球是直径范围在0.2～0.76mm之间的焊料合金小球。上述先进封装对精密焊球的直径误差、球形度和表面质量等方面的要求都非常严格，从而对传统的金属颗粒和粉末制备技术提出了新的挑战。目前，市场上主流的精密焊球制备方法是-切丝重熔法、喷雾法和滴注法等。切丝重熔法首先通过拉丝-剪切或箔片-冲压等机械加工方式把焊料合金加工成均匀质量的微小合金单元，然后把加工好的合金单元放入某一高温球化溶液中重熔成形，在表面张力的作用下，合金单元最终凝结成需要的球形。上述方法的主要优点是生产工艺可控性好，产品的成品率高。但它同时具有明显的缺点生产工序繁多，所需设备投资大，并且在多次加工的过程中容易引进各种杂质。喷雾法是从传统粉体制备技术延伸而来，其特点是生产能力强，但工艺可控性差，产品合格率低。
本实用新型的目的是提供一种可控性好，设备投资少，生产效率高，产品质量稳定，性能好的精密焊球的制备装置。
为实现上述目的，本实用新型采取以下设计方案一种精密焊球的制备装置，其特征在于它包括熔炼坩埚、中间包、凝固腔体、压电激振器、收集器，在熔炼坩埚内的下部设置有石英微孔滤板，在熔炼坩埚与中间包连接输送管，在中间包上设置有压电激振器，在中间包的底部连接有超微喷嘴，该压电激振器的振动头进入中间包内设置在超微喷嘴的上部，在中间包的下部设置有凝固腔体，在凝固腔体内加入有凝固液，该凝固腔体的上部为开口状，在凝固腔体的上端部与中间包下端部之间设置有喷射封闭腔体，在凝固腔体的下部连接有球阀，该球阀的下部连接有收集器。
本精密焊球的制备装置它还包括有压差变送器，控制压差变送器工作的两个传感器，一个通过连线设置在熔炼坩埚内，另一个通过连线设置在喷射封闭腔体内，在熔炼坩埚的上盖上设置有进入熔炼坩埚内的压力保护气输气管，在该输气管上连接有电磁阀，该电磁阀通过控制线与压差变送器连接，在输送管上连接有流量泵，该流量泵通过控制线与压差变送器连接。
所述的熔炼坩埚的外侧壁设置有加热器，在中间包的外侧壁设置有加热护套，在凝固腔体的外侧壁设置有从上到下形成温度梯度分布的加热护套。
在中间包的侧壁上连接有气管，该气管分别与真空阀连接和保护气输气管连接；在喷射封闭腔体的侧壁上连接有另一气管，该气管分别与另一真空阀连接和另一保护气输气管连接；两个真空阀通过气管与真空泵连接。
在收集器的上侧壁连接有凝固液输送管，该输送管的另一端液压马达连接，该液压马达与凝固液储槽连接；在凝固腔体的底侧壁穿入有一根溢流管，该溢流管沿凝固腔体的内侧壁设置，该溢流管的顶端略低于凝固腔体的顶端；在喷射封闭腔体的底壁连接有另一溢流管，该两个溢流管的下端连通后与冷凝器的回液管连接，该冷凝器与凝固液储槽连接形成循环系统。
所述的超微喷嘴是单孔或多孔，其超微喷嘴的直径范围在0.050～5.000mm之间，长径比在1∶2～6；压电激振器的振动频率范围在1～20kHz之间。
本发明的精密焊球的制备装置的结构主要包括熔炼坩埚、熔炼坩埚中的熔体净化装置，熔体流动控制系统、中间包、激振器、超微喷嘴、凝固成型腔、真空惰性气体保护系统和凝固剂循环系统组成。其主要特点是熔炼坩埚具有熔体净化装置和熔体流速控制装置。熔体净化装置为石英微孔滤板，同时用压差变送器控制熔炼炉和中间包间的压差保证熔体流速不变，提高了工艺的可控性，并大大降低了合金中的氧化物夹杂和其他杂质的含量；中间包外设电加热保温护套，在炉体侧壁设有保护气体进出口，容器底部中心镶嵌有单孔或多孔喷嘴，多孔喷嘴的数目最多可达50个之多。喷嘴直径在0.05～5.00mm之间，喷嘴的长径比在2～6之间；振动器安装在中间包的顶部，下端振动头的直径远远大于喷嘴直径，并大于多孔喷嘴的分布边缘直径，以保证振动头完全覆盖并将振动均匀辐射到多孔喷嘴周围，并在金属射流表面产生表面波，使金属射流在振动产生的表面波作用下断裂为均匀液滴。
在本实用新型的实施过程中，喷嘴下端设有专用凝固成型设备，凝固成型设备外设有分段加热装置，可以控制凝固过程的温度梯度和凝固速度。另外在凝固腔体中装有溢流管，可以使凝固剂的液面在整个生产流程中保持恒定不变，而且可以根据工艺的变化调节溢流管的高低。凝固液主要为粘度可调的硅油，并在硅油中加入增加金属表面张力的活性剂、混合松香和调节凝固剂密度的矿物油等。金属液滴在凝固液中凝固成型可以完全隔离空气，减少氧化的程度，同时具有一定粘度的凝固液可以使金属液滴下降的速度缓慢，增加了金属凝固的时间，从而可以通过控制控制凝固液的温度梯度来控制金属液滴的凝固过程，达到最佳的组织结构。另外金属液滴在一定粘度凝固液中相对比较长的时间内保持液态状态，一方面可以通过阻力克服部分金属的重力，而且有足够的时间使金属液滴在表面张力的作用下回复到表面张力最小的球体状态，从而使金属液滴凝固形成真圆度非常高的焊料小球。
本发明中在熔炼和中间包中都采用氮气保护，在冷凝腔中采用氮气加氢气的保护氛围。在熔炼到凝固成型的全程都采用保护气体保护，使最终得到的产品的含氧量非常低，金属表面具有足够的表面光洁度。
本实用新型具有以下优点1、相对机械加工重熔装置，本实用新型从金属或合金熔炼到颗粒成型通过一个工艺流程可以全部完成，大大提高了生产效率，而且其设备相对简单，设备投资很小。
2、本实用新型的装置中各工艺参数独立性好，工艺可控性强，由温度控制熔炼、压力控制流速到激振条件控制金属射流表面的表面波，从而控制金属射流断裂的均匀性，各工艺参数之间相互影响很小。因此产生的金属颗粒的分布粒度很窄。
3、本实用新型中使金属液滴以液态形式在凝固液中凝固，通过凝固液粘度产生的阻力以及浮力的综合总用抵消重力对凝固成型的影响，充分发挥表面张力的作用，获得球形度非常好的焊料小球。同时通过控制凝固液的温度梯度和粘度可以控制金属液滴的凝固速度以获得组织性能最佳的金属颗粒。
图1为本发明的精密焊球的制备装置结构示意图图2为图1中超微喷嘴结构示意图具体实施方式
参见图1、图2所示一种实施权利上述方法的精密焊球的制备装置，它包括熔炼坩埚3、中间包24、凝固腔体15、压电激振器23、收集器9，在熔炼坩埚3内的下部设置有石英微孔滤板2，在熔炼坩埚3与中间包24连接输送管13，在中间包24上设置有压电激振器23，在中间包24的底部连接有超微喷嘴16，该压电激振器23的振动头22进入中间包内设置在超微喷嘴16的上部，在中间包24的下部设置有凝固腔体15，在凝固腔体内加入有凝固液36，该凝固腔体15的上部为开口状，在凝固腔体15的上端部与中间包24下端部之间设置有喷射封闭腔体20，在凝固腔体15的下部连接有球阀10，该球阀10的下部连接有收集器9，在该收集器下端连接有球阀39，关闭球阀10，打开球阀39，可以将收集器9中的焊料小球输出；关闭球阀39，打开球阀10，可以通过输送管38向凝固腔体15内输送凝固液36；焊料小球可以通过打开的球阀10进入收集器9内。
本精密焊球的制备装置它还包括有压差变送器12，采用TY-1151DP/GP系列变送器，控制压差变送器工作的两个传感器8、19，一个通过连线设置在熔炼坩埚3内，另一个通过连线设置在喷射封闭腔体20内，熔炼坩埚3内的压力为200KPa，喷射封闭腔体20内为101KPa(1个大气压)，在熔炼坩埚3的上盖4上设置有进入熔炼坩埚内7与压差变送器12连接，在输送管13上连接有流量泵18，该流量泵18通过控制线17与压差变送器12连接。
熔炼坩埚3的外侧壁设置有加热器2，在中间包24的外侧壁设置有加热护套21，在凝固腔体15内安装有热电偶11，用于检测、控制凝固液36的温度梯度，在凝固腔体15的外侧壁设置有从上到下形成温度梯度分布的加热护套14。
在中间包24的侧壁上连接有气管26，该气管26分别与真空阀28连接和保护气输气管27连接；在喷射封闭腔体20的侧壁上连接有另一气管26，该气管26分别与另一真空阀29连接和另一保护气输气管32连接；两个真空阀28、29通过气管与真空泵连31接。
在收集器9的上侧壁连接有凝固液输送管38，该输送管38的另一端液压马达40连接，该液压马达40与凝固液储槽37连接；在凝固腔体15的底侧壁穿入有一根溢流管33，该溢流管33沿凝固腔体的内侧壁设置，该溢流管33的顶端略低于凝固腔体15的顶端；在喷射封闭腔体20的底壁连接有另一溢流管30，该两个溢流管的下端连通后与冷凝器35的回液管34连接，该冷凝器35与凝固液储槽37连接形成循环系统。
所述的超微喷嘴是单孔41或多孔，其超微喷嘴的直径范围在0.050～5.000mm之间，长径比在1∶2～6；压电激振器的振动频率范围在1～20kHz之间。
权利要求1.一种精密焊球的制备装置，其特征在于它包括熔炼坩埚(3)、中间包(24)、凝固腔体(15)、压电激振器(23)、收集器(9)，在熔炼坩埚(3)内的下部设置有石英微孔滤板(2)，在熔炼坩埚(3)与中间包(24)连接输送管(13)，在中间包(24)上设置有压电激振器(23)，在中间包(24)的底部连接有超微喷嘴(16)，该压电激振器(23)的振动头(22)进入中间包内设置在超微喷嘴(16)的上部，在中间包(24)的下部设置有凝固腔体(15)，在凝固腔体内加入有凝固液(36)，该凝固腔体(15)的上部为开口状，在凝固腔体(15)的上端部与中间包(24)下端部之间设置有喷射封闭腔体(20)，在凝固腔体(15)的下部连接有球阀(10)，该球阀(10)的下部连接有收集器(9)。
2.根据权利要求1所述的精密焊球的制备装置，其特征在于，它还包括有压差变送器(12)，控制压差变送器工作的两个传感器(8、19)，一个通过连线设置在熔炼坩埚(3)内，另一个通过连线设置在喷射封闭腔体(20)内，在熔炼坩埚(3)的上盖(4)上设置有进入熔炼坩埚内(7)与压差变送器(12)连接，在输送管(13)上连接有流量泵(18)，该流量泵(18)通过控制线(17)与压差变送器(12)连接。
3.根据权利要求1所述的精密焊球的制备装置，其特征在于，熔炼坩埚(3)的外侧壁设置有加热器(2)，在中间包(24)的外侧壁设置有加热护套(21)，在凝固腔体(15)的外侧壁设置有从上到下形成温度梯度分布的加热护套(14)。
4.根据权利要求1所述的精密焊球的制备装置，其特征在于，在中间包(24)的侧壁上连接有气管(26)，该气管(26)分别与真空阀(28)连接和保护气输气管(27)连接；在喷射封闭腔体(20)的侧壁上连接有另一气管(26)，该气管(26)分别与另一真空阀(29)连接和另一保护气输气管(32)连接；两个真空阀(28、29)通过气管与真空泵(31)连接。
5.根据权利要求1所述的精密焊球的制备装置，其特征在于，在收集器(9)的上侧壁连接有凝固液输送管(38)，该输送管(38)的另一端液压马达(40)连接，该液压马达(40)与凝固液储槽(37)连接；在凝固腔体(15)的底侧壁穿入有一根溢流管(33)，该溢流管(33)沿凝固腔体的内侧壁设置，该溢流管(33)的顶端略低于凝固腔体(15)的顶端；在喷射封闭腔体(20)的底壁连接有另一溢流管(30)，该两个溢流管的下端连通后与冷凝器(35)的回液管(34)连接，该冷凝器(35)与凝固液储槽(37)连接形成循环系统。
6.根据权利要求1所述的精密焊球的制备装置，其特征在于，所述的超微喷嘴是单孔或多孔，其超微喷嘴的直径范围在0.050～5.000mm之间，长径比在1∶2～6；压电激振器的振动频率范围在1～20kHz之间。
专利摘要一种精密焊球的制备装置。利用射流断裂的原理，用压电激振器产生的振动激振金属射流并使金属射流断裂为均匀的液滴，产生的金属液滴在具有一定温度梯度的凝固剂中凝固成真圆度非常高的精密焊球。制备的装置主要由以下部分组成压电激振器，激振器的频率范围在1～20kHz；熔炼坩埚；中间包；超微喷嘴和凝固腔体。其主要特点是通过施加一定的压力，使金属熔体从超微喷嘴中以层流射流的形式喷出，以层流射流形式喷出的金属射流在压电激振器的振动作用下断裂为均匀金属液滴，金属液滴在具有一定温度梯度的凝固剂中凝固成型，使得制备的金属小球具有非常高的球形度。本发明具有工艺流程短，可控性好，设备投资少，生产效率高，产品质量好的特点。
文档编号B22F9/08GK2808366SQ20052011408
公开日2006年8月23日 申请日期2005年7月21日 优先权日2005年7月21日
发明者张少明, 何礼君, 张曙光, 朱学新, 徐骏, 石力开 申请人:北京有色金属研究总院