专利名称：熔化金属浇注装置及铸造方法
技术领域：
本发明涉及一种可将熔化的金属浇注入铸模中的装置，并涉及一种铸造具有分散的金属颗粒的焊料产品的方法。
背景技术：
在电气和电子设备的制造中所使用的焊料产品出现广泛的各种形式的形状，诸如锭(ingot)、棒、线材、膏(paste)，以及诸如小球(pellet)及垫圈成形的成型形式。绝大多数焊料产品由在焊接过程期间内熔化的焊料合金整个地构成。然而，当使用由焊料合金单独制成的焊料产品实施焊接时，有时难以在将被彼此焊接的两部件之间保持所需的间隔。
例如，在小片连接(die bonding)中焊料被夹在半导体元件和基片之间然后加热焊料以使其熔化，在这种该连接中，半导体元件作用在熔化的焊料上的重量会将相当量的熔化的焊料挤出半导体元件和基片之间的空间并减小空间的大小。保留在两部件之间的空间中的焊料量的减少导致由焊料形成的结合的显著减少。
为避免正被焊接的部件之间的间隔的此种减少，已经开发出一种焊料产品，该焊料产品包含比焊料熔点更高的金属颗粒(以下称为金属颗粒)。当具有分散的金属颗粒的焊料产品被布置在两部件之间并被加热时，焊料产品熔化但金属颗粒保持大致未熔化，所以金属颗粒可在两部件之间保持合适的间隔以保持充分量的熔化焊料，从而确保部件之间的可靠的连接。包含金属颗粒的焊膏和焊球(solder pellet)两者都已被开发出。
通过将金属颗粒添加到预先加工好的焊膏中并搅拌即可简单地制备具有分散金属颗粒的焊膏。具有分散的金属颗粒的焊球的制造更为复杂。首先，金属颗粒可被装入含有熔化焊料的巨大坩埚中，然后用刮铲(spatula)搅拌熔化的焊料和金属颗粒以分散金属颗粒，并且然后用长柄勺(ladle)将熔化的焊料和分散的金属颗粒从坩埚中挖出并浇注入用于加工中小型坯(billet)的模具。得到的中小型坯然后被挤压装置(extruding apparatus)挤压成板形，板经过轧制，并且然后轧制的板被压力机(press)冲压以形成所需要形状的小球。
发明内容
制造具有分散的金属颗粒的诸如焊料小球的焊料产品的传统方法的问题在于在将金属颗粒装入熔化的焊料中与将熔化的焊料和分散的金属颗粒浇注入模具中之间经过相当多的时间。如果经过长时间，根据焊料的组分，金属颗粒会分散入熔化的焊料中并在尺寸上显著地减小或完全地消失，而无论金属颗粒的熔点如何地高。金属颗粒熔入熔化的焊料对于传统的Sn-Pb焊料不是大问题，由于焊料的高Pb含有量所述传统Sn-Pb不易与金属颗粒熔成合金。对于无铅焊料这是更明显的问题，由于这样的焊料含有Sn作为主成分，并且Sn易与包含在金属颗粒的金属熔成合金。因此，当使用无铅焊料制备具有分散的金属颗粒的焊料产品时，难以确保金属颗粒在完成后的产品中具有所需要的直径。
本发明者意识到如果在将金属颗粒装入熔化的焊料中后立即铸造具有分散的金属颗粒的熔化的焊料，可防止金属颗粒显著地熔入熔化的焊料中，并且可获得具有所需要直径的分散的金属颗粒的优良的焊料产品。
因此，本发明提供了一种用于铸造具有分散的金属颗粒的产品的熔化金属浇注装置。另外，本发明提供了一种铸造具有分散的金属颗粒的焊料产品的方法。
根据本发明的一种形式，熔化金属浇注装置包括能够容纳熔化的金属的储蓄器；布置在储蓄器内的搅拌器；和用于旋转搅拌器的驱动地连接于搅拌器的驱动机构。
根据本发明的另一种形式，一种铸造具有分散的金属颗粒的焊料产品的方法，包括将熔化的焊料放入熔化金属浇注装置的储蓄器中，将高熔点的金属颗粒加到熔化的焊料，利用搅拌器搅拌加有高熔点的金属颗粒的熔化的焊料以将高熔点的金属颗粒均匀地分散在熔化的焊料中，并且将熔化的焊料和分散的金属颗粒浇注入模具中。
利用本发明，即使当由具有金属颗粒易于熔化在其中的Sn作为主要成分的无铅焊料制备焊料产品时，金属颗粒也可被分散在焊料中而基本不减小尺寸。因此，由这样的焊料加工的具有分散的金属颗粒的小球或其它形状的部件可具有均匀地分散在其中的指定尺寸的金属颗粒。当这样的小球用于焊接时，金属颗粒可在正被焊接的部分之间保持指定的间隙，充分量的焊料可被保持在间隙中以获得强焊接连接。
在根据本发明的方法中，熔化的焊料和金属颗粒可从储蓄器被直接地浇注入模具中，在所述储蓄器中执行搅拌，因此在混合熔化的焊料和金属颗粒之后立即执行浇注入模具而金属颗粒未显著地熔入熔化的焊料中。
图1是根据本发明的浇注装置的实施例的轴测投影视图；图2是图1的实施例的垂直的横截面视图；图3A-图3D是图1的实施例在根据本发明的铸造方法的不同步骤的示意性横截面视图。
具体实施例方式
参照附图将说明根据本发明的熔化金属浇注装置的优选实施例。图1和图2中所示的熔化金属浇注装置1的实施例包括能够保持熔化的焊料而不损害自身的储蓄器(reservoir)2。储蓄器2的形状和尺寸不受限制。所示储蓄器2包括圆筒形的壁和平面的顶表面和平面的底表面，并且所述储蓄器2的尺寸使操作人员可容易地举起和操作。储蓄器2的上端可向大气敞开，但优选地是所述上端能够与外部空气基本隔绝以便在搅拌期间能够在储蓄器2内保持惰性气体气氛并且在搅拌或铸造期间防止熔化的焊料溅到储蓄器2的外部。在本实施例中，储蓄器2的上端用盖板4部分地覆盖，所述盖板4固定于储蓄器2的侧壁的上端，并且弧形盖5通过铰链被可枢转地安装在盖板4上以便储蓄器2的上端未被盖板4覆盖的部分可被盖5选择性地打开和封闭。盖板4和盖5一起在储蓄器2的上端的整个表面区域上延伸。盖板4和盖5的相对尺寸不受限制。在所示实施例中，盖板4在储蓄器2的上端的大致2/3区域上延伸。优选地，盖5的区域足够大以便当盖5被打开时允许容易地将熔化的焊料和金属颗粒装入储蓄器2中。
储蓄器2优选地装备有用于熔化的焊料的排出开口以便可将熔化的焊料从储蓄器2直接地浇注入模具中，而不必用长柄勺从储蓄器2中挖出，从而能够更迅速地从储蓄器2中排出熔化的焊料。在本实施例中，排出开口由浇注槽6提供，所述浇注槽6形成在靠近储蓄器2的上端的储蓄器2的侧壁上。
储蓄器2装备有用于搅拌熔化的焊料的搅拌机构从而使金属颗粒均匀地分布在熔化的焊料中。在本实施例中，搅拌机构包括螺旋桨9形式的搅拌器和旋转驱动机构10，所述旋转驱动机构10通过穿过盖板4中的孔7的驱动轴8连接于螺旋桨。旋转驱动机构10并不限于任何特定类型，并且可从诸如电机、液压马达和气动机的各种驱动机构中选择。旋转驱动机构10由支撑架11支撑，所述支撑架11从储蓄器2的盖板4向上延伸。
在储蓄器2中熔化的焊料由搅拌机构搅拌期间，熔化的焊料易于氧化，因此为了防止氧化，优选地在熔化的焊料的表面之上、储蓄器2的上部分中形成惰性气体气氛。惰性气体可以是通常地用于在焊接中形成不氧化气氛的氮气或任意其它惰性气体。为了充分地利用惰性气体，在本实施例中，旋转驱动机构10包括气马达，气马达可由与用于在储蓄器2内部产生惰性气体气氛的惰性气体相同的惰性气体驱动。如附图中所示，气马达的气体入口通过第一气体供应管12连接于压缩惰性气体的供应器15。图2中示意性所示的气体供应器15并不限于任何特定结构，并且可包括通常用于供应压缩气体的任意种类的设备，例如包括惰性气体、压缩机和压力调节器的压缩气体箱(gas tank)。第二气体供应管13的一端连接于气马达的排气口，而另一端与储蓄器2的内部连通。阀14可沿着第一气体供应管12被安装。通过打开和关闭阀14，来自惰性气体供应器的惰性气体流可被打开和关闭以启动和停止气马达的操作。在压缩惰性气体驱动气马达之后，惰性气体流入储蓄器2的内部的上部分中以形成惰性气体气氛。
储蓄器2可以装配一种结构，所装备的结构使操作者在保持距熔化的焊料安全距离的同时能够容易并安全地传送及操作储蓄器2。在所示的实施例中，储蓄器2装备有细长把手3，所述细长把手3固定于储蓄器2的侧壁的上部分并且向上并远离储蓄器2地倾斜。第一气体供应管12沿把手3的底部延伸，并且用于第一气体供应管12的阀14被安装于把手3上以便被抓握把手3的操作者容易地操作。所示把手3相对于浇注槽6被定位从而当操作者右手握持把手3的下部并且左手握持把手3的上部时，浇注槽6与操作者面对相同的方向，从而使熔化的焊料被容易地从浇注槽6浇注入模具中。
接下来将参照图3A-图3D说明使用图1的实施例铸造具有分散的金属颗粒的焊料产品的方法的实例，所述图3A-图3D图示说明了方法中的不同步骤。
1.首先，如图3A中所示，打开熔化金属浇注装置1的储蓄器2的盖5，并且利用长柄勺H将预先在未示出的坩埚中熔化的熔化的焊料S注入储蓄器2中。
2.接下来，如图3B中所示，金属颗粒K被装入储蓄器2内部的熔化的焊料S中。
3.如图3C中所示，在关闭储蓄器2的盖5后，打开气体供应管12上的阀14并且通过气体供应管12将惰性气体供应至气马达。惰性气体驱动气马达并且然后从气马达通过气体供应管13被排出到熔化的焊料上方、储蓄器2的上部分中以形成惰性气体气氛。搅拌器包括由气马达旋转的螺旋桨9，并且通过搅拌金属颗粒K均匀地分布在熔化的焊料S中。
4.如图3D中所示，持握把手3的操作者然后将浇注装置1移动至模具C的附近，并且操作者倾斜储蓄器2以将熔化的焊料S和金属颗粒K的混合物从浇注槽6浇注入模具C中。
如果在第二步中简单地将金属颗粒装入储蓄器2中的熔化的焊料中，金属颗粒不容易被熔化的焊料浸润，并且即使当执行搅拌时，也会浮在熔化的焊料表面上而不是均匀地分散。如果改作金属颗粒首先与焊剂(flux)混合从而以焊剂(flux)覆盖金属颗粒的表面，然后，金属颗粒和焊剂的混合物被装入熔化的焊料中，金属颗粒可被熔化的焊料容易地浸润并通过搅拌均匀地分散。
为了说明本发明的效果，用Sn-Cu-Ni基无铅焊料和直径为80微米的Ni颗粒制备含有分散的金属颗粒的焊料小球。在坩埚中熔化焊料并且然后以图3中所示的方式将焊料浇注入浇注装置的储蓄器2中。为了使Ni颗粒能够被熔化的焊料所浸润，颗粒首先与焊剂混合，并且然后将颗粒和焊剂的混合物装入熔化的焊料中。用搅拌器搅拌储蓄器2的含有物然后将含有物浇注入用于中小型坯的圆筒形模具中。形成的中小型坯被挤压以形成细长板，然后用轧制机将所述细长板轧制为0.1mm厚度。轧制的板然后被冲压以形成尺寸为10×10mm的小球。
为了比较，以传统加工方法制备含有分散的金属颗粒的小球。即，在坩埚中熔化Sn-Cu-Ni基无铅焊料，并且将Ni颗粒和焊剂的混合物装入熔化的焊料中。用金属刮铲搅拌熔化的焊料及混合物并用长柄勺将其从坩埚中舀出并浇注入模具中以形成中小型坯。以与上述方式相同的方式挤压、轧制并冲压形成的中小型胚以形成尺寸为10×10mm的小球。
在显微镜下观察用本发明的方法制备的小球的横截面和用传统方法制备的小球的横截面。在用根据本发明的方法制备的小球中，Ni颗粒的直径大致为70-80μm，意味着Ni颗粒在浇注之前几乎未熔入熔化的焊料中。相反，在用传统的方法制备的小球中，Ni颗粒的直径最多达40微米，意味着在加工小球的过程中颗粒已经显著地熔入熔化的焊料中。
工业应用根据本发明的熔化金属浇注装置适合于将金属颗粒分散在熔化的焊料中，但是它也可用于易于在空气中氧化的金属的熔化或形成合金。
权利要求
1.一种熔化金属浇注装置，包括能够容纳熔化的金属的储蓄器，布置在所述储蓄器中的搅拌器，和驱动地连接于所述搅拌器的旋转驱动机构。
2.根据权利要求1所述的熔化金属浇注装置，包括连接于所述储蓄器的把手。
3.根据权利要求1所述的熔化金属浇注装置，其中所述储蓄器包括浇注槽，从所述浇注槽熔化的金属可被浇注入模具中。
4.根据权利要求1所述的熔化金属浇注装置，其中所述旋转驱动机构包括气马达。
5.根据权利要求1所述的熔化金属浇注装置，包括气体供应管，所述气体供应管连接于所述气马达的排气口并与所述储蓄器的内部连通。
6.根据权利要求5所述的熔化金属浇注装置，包括连接于所述气马达的入口的惰性气体供应器。
7.根据权利要求1所述的熔化金属浇注装置，其中所述储蓄器包括可选择地打开和关闭的盖。
8.一种铸造具有分散的金属颗粒的焊料产品的方法，包括以下步骤将熔化的焊料放入储蓄器中，将高熔点的金属颗粒加到熔化的焊料，搅拌熔化的焊料和金属颗粒以在熔化的焊料中均匀地分散金属颗粒，并且然后将熔化的焊料和金属颗粒直接地从所述储蓄器浇注入模具中。
9.根据权利要求8所述的方法，包括在熔化的焊料之上、所述储蓄器内形成惰性气体气氛。
10.根据权利要求9所述的方法，包括以下步骤供应惰性气体到气马达的入口，所述气马达驱动地连接于布置在所述储蓄器中、搅拌熔化的焊料和金属颗粒的搅拌器；并且将从所述气马达的排气口排出的惰性气体供应到所述储蓄器的内部。
全文摘要
熔化焊料浇注装置包括安装在储蓄器中的搅拌器。该搅拌器由安装在储蓄器上的旋转驱动机构所旋转。熔化的焊料被放入储蓄器中，高熔点的金属颗粒被装入熔化的焊料中，用搅拌器搅拌以将金属颗粒均匀地分散在熔化的焊料中，并且然后将熔化的焊料和分散的金属颗粒浇注入模具中。在将金属颗粒装入熔化的焊料中后可立即执行铸造，因此金属颗粒不显著地熔入熔化的焊料中。
文档编号B22D45/00GK1938112SQ20058001006
公开日2007年3月28日 申请日期2005年3月31日 优先权日2004年4月2日
发明者上岛稔 申请人:千住金属工业株式会社