专利名称：一种卵式合金焊球的制备装置及其制备方法
技术领域：
本发明涉及合金金属粉末的制备技术，具体来说，涉及一种复合合金焊球的制备装置及其制备方法。
背景技术：
现在电子工业中，球栅阵列封装(BGA封装)已逐渐成为电子封装技术的主流，该技术就是采用合金焊球代替以往的引脚来满足电子元器件之间的电路互连及机械互连要求的电子封装方式，其核心技术就是高质量合金焊球的制备。合金金属粉末的制备方法大体可以分为物理化学法和机械法两大类，其中机械法主要是机械粉碎法和金属熔体直接物化法，包括机械研磨、冷气流粉碎、离心粉碎和雾化等方法。日本东京大学的C. P. Wang和X. J. Liu等人在2002年提出利用喷雾法制备特定成分的合金球时，在冷却成型过程中会形成多相分层结构。他们把这种现象归结为Marangoni 效应。利用这种方法制备的合金焊球具有很好的刚性和焊接性能，与传统的焊球相比，这种焊球的多相分层结构具备很多工业应用优点。但由于喷雾的方法不好控制形成球的尺寸， 而且在冷却成型过程中，冷却速率控制不足会使成品率降低。卵式结构合金球的形成是因为Cu-Sn-Bi合金为三元偏晶合金，从其相图分析可知，快速凝固时在其难混熔区发生液固两相分离，根据Marangoni运动，富Cu相向合金焊球的中心移动，富Sn-Bi相向合金焊球的外围移动，从而形成卵式结构(如附图1)。在美国麻省理工学院(MIT)和I^assow提出的喷射技术缺少良好的冷却环境，而Marangoni运动需要较大的温度梯度，因此影响了卵式结构的形成，其冷却环境非常有必要改进，以制备出结构性能良好的合金焊球来满足当前BGA封装技术的需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，利用现有均勻液滴喷射装置，增加了圆柱形内螺旋液氮循环冷却装置，提供良好的冷却环境，使液滴在下落过程中形成较大的温度梯度，从而促进核壳结构的快速形成，获得有较好综合性能性能的合金焊球。本发明的目的还在于提供一种利用上述装置制备合金球的方法。本发明的目的通过下述技术方案予以实现一种卵式合金焊球的制备装置，包括真空腔室、熔融容器、气压控制器、压电振荡器、信号发生器、加电极板、冷却装置，其中所述熔融容器设置在真空腔室的上面，与真空腔室之间密闭连接；所述真空腔室和熔融容器分别通过各自的输气管和阀门与气压控制器相连，在所述真空腔室和熔融容器中设置有压力传感器，所述气压控制器根据压力传感器的输入信号调节真空腔室和熔融容器中的气体压力，所述真空腔室和熔融容器分别通过各自的输气管和阀门与惰性气体储藏装置相连；所述熔融容器的底部设置有与真空腔室相连通的微型喷嘴，所述压电振荡器的振动头设置在微型喷嘴的上方，所述信号发生器在微机控制系统的控制下产生振荡信号，并将振荡信号加载到所述压电振荡器上；所述加电极板设置在微型喷嘴的下方，其上设置有与微型喷嘴位置相应的开口 ；所述冷却装置为圆筒形状，其筒壁上设置有螺旋管道；所述冷却装置设置在加电极板的下方，其中冷却装置的储存装置与回收装置分别与螺旋管道的底部和顶部相连。所述真空腔室的侧壁上设置有与微机控制系统相连接的摄像装置和闪频器，用以获得熔融液滴从微型喷嘴流出的形态，根据分析获得的液滴直径，反馈调节压电振荡器的频率。所述微型喷嘴是直径在0. 050-5. OOmm之间的小孔。所述压电振荡器的振动频率范围在l_20kHz。所述熔融容器的外壁上设置有加热器，其中熔融液体中设置有测温元件，所述测温元件将温度信号传递给控温装置，所述控温装置控制加热器的开关，以维持熔融容器中熔融液体的温度。在所述加电电极和冷却装置之间优选设置有挡板，挡板通过固定装置连接在真空腔室的腔壁上。在所述冷却装置下部设置有收集器。在所述圆筒形状冷却装置的螺旋管道中装有液氮。一种利用上述装置制备卵式合金焊球的方法，按照下述步骤进行(1)密封真空腔室和熔融容器，并对其抽真空，并对其中充入惰性气体；(2)加热熔融容器，熔化其中的金属合金材料；(3)利用压力控制器控制惰性气体的充入量，使熔融容器和真空腔室之间达到稳定的压力差，从而使熔融金属合金从微型喷嘴中以层流射流的形式射出，并在压电振荡器振动头的作用下，使流出的金属合金射流断裂为均勻的液滴；(4)给加电极板加以电压，使其与熔融容器间产生电场，以使通过加电极板上开口的液滴带上相同电荷，达到液滴的均勻分散；(5)使断裂的均勻的液滴通过冷却装置冷却，凝固成型，最后进行收集。在制备方法中，通过与微机控制系统相连接的摄像装置和闪频器，用以获得熔融液滴从微型喷嘴流出的形态，根据分析获得的液滴直径，反馈调节压电振荡器的频率，如 l-20kHz。同时可以根据液滴直径，反馈调节冷却装置中液氮的流速(如通过流量计控制)。在制备方法中，测温元件将温度信号传递给控温装置，控温装置控制加热器的开关，以维持熔融容器中熔融液体的温度。收集成型后的卵式复合焊球进行清洗和干燥，例如用超声清洗机清洗3-5次，超声清洗剂为乙醇；然后在温度为50-100°C，真空度为5-lOKPa条件下烘干20-40分钟。在本发明的技术方案中，让合金金属焊球在下落过程中通过冷却速率适当的螺旋型冷却装置，如图2。螺旋管中充满流动的液态氮，可以通过调节液氮的流速以控制其气氛的温度，以使冷却装置内的温度保持在合适的范围内。当高温液滴态的合金金属焊球进入螺旋型冷却装置时，液滴态合金金属焊球通过外部与腔内空气发生热传递，使焊球的内核与外壳间形成温度梯度，如图1。这种温度梯度促使焊球形成分层卵式结构[C.P.Wang， X. J. Liu, I. Ohnuma, et al.，Science, 297-9 (2002) 990]。同时腔内的空气与螺旋型冷却装置同样会发生热传递，热量进入冷却管中的液氮，随后与之一起进入压缩机冷却。本发明的合金焊球制备装置和方法，工艺可控性强，其最为突出的特点是，具有优良的冷却系统，从而使液滴达到更好的分层效果，为制备新型卵式复合合金焊球提供一个可行的方案。相对于目前制备金属颗粒的其他方法，本发明可直接生产在大小，形状和热力学条件等方面的均一化的颗粒，工艺流程短，产品质量好，大大降低了设备投资。
图1是卵式结构合金球的形成机理示意图。图2是本发明中螺旋型冷却装置的结构示意图。图3是本发明的制备装置结构示意图。图4是利用本发明方案制备的合金焊球的剖面背散射图片(BSED)。
具体实施例方式下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。以附图3所示，本发明的制备装置包括熔融容器(例如坩埚1)，压电振荡器2，加电极板6，螺旋形冷却装置10，液氮储存装置38，液氮回收装置39，收集器11，真空腔室12， 在坩埚1上设置有压电振荡器2，压电振荡器2通过控制线与信号发生器36连接，坩埚1的底部镶嵌有微型喷嘴5，该压电振荡器2的振动头3设置在微孔5的上部，坩埚1外侧壁有加热器4，在坩埚1的下面有加电极板6，加电极板6中间相对于喷嘴处有一个开口 7。坩埚1顶部和真空腔室12顶部连接有输气管16，17分别与阀门18，19连接，，通过输气管20和阀门40与惰性气体储藏装置15相连，阀门18、19通过控制线22，21与气压控制器34连接。气压控制器34有两个压力传感器23J4分别置于坩埚1和真空腔室12内部。真空腔室12右侧通过输气管32与真空阀25相连，通过输气管33与真空泵沈连接， 液氮回收装置38与冷却装置10螺旋管道的顶部相连，液氮存储装置39与冷却装置10螺旋管道的底部相连，以实现与下落的熔融液滴之间的逆向换热。本发明主要是使用惰性气体(如氮气)注入坩埚与真空腔室中，利用压力控制系统使坩埚与真空腔室达到稳定压差，使金属熔体从坩埚底部微型喷嘴中以层流射流的形式喷出，根据Rayleigh射流不稳定性原理，用压电振荡器产生的振动扰动金属射流，使金属射流断裂为均勻的液滴。为收集合金焊球，在真空腔室12的底部设置有收集器11，其上部与冷却装置相连；为获得稳定均勻的液滴，避免前期不稳定的层流射流下落到冷却装置中， 可在冷却装置10的上方设置挡板8，通过支架9固定在真空腔室12的底部。当然也可以根据腔室中的布置需要，将挡板8连接在腔壁或者腔顶上。坩埚1内置有测温元件-热电偶13，通过连线与控温装置14连接，加热器4通过控制线与控温装置14连接，这样以来可以控制坩埚1中的温度，避免温度的波动影响。真空腔室12侧壁有一个闪频器27，相对处有摄像装置28。闪频器27通过控制器 29,与信号发生器37相连。摄像装置28通过连线与微机控制设备30的图像采集卡35连接。微机控制系统30中的主要部件信号发生器37通过主板36，与图像采集卡35相连。这样以来，闪频器27、摄像装置观、压电振荡器2都是利用信号发生器37的同一个信号进行工作，就可以直接获取真空腔室中熔融液滴的形态，并可根据摄像装置拍摄到的图片分析其中熔融液滴的实时尺寸，以此为依据调整信号发生器37的频率。一般来说，熔融液滴粒径较大时，可增大信号发生器37的频率，以使粒径变小；反之亦然。这样以来，通过摄像装置结合计算机图像分析软件产生液滴的参数，就可以实现对参数的最佳化选择，减小产生的金属液滴与设定液滴尺寸的误差，以获得均勻粒径的液滴。加电极板6通过导线与电源31连接，这样以来，喷射出来的金属液滴经加电极板感应带电，从而避免在下落过程中相互凝聚，产生的均一合金金属液滴。在通过螺旋形冷却装置进行快速冷却，使内外形成较大的温度差。一般而言，熔融液滴的温度在800-1000°C 左右，而冷却装置中的温度在零下150°C到零下200°C之间，由于微型喷嘴的直径在 0. 050-5. OOmm之间，这样以来就会使进入冷却装置中的合金液滴的核与表面之间形成较大的温差，如文献 C. P. Wang, X. J. Liu, I. Ohnuma, et al.，Science, 297-9 (2002) 990 所述，产生促使焊球形成分层卵式结构的温度梯度，根据Marangoni效应合金金属液滴将形成两相分层合金焊球。以Cu-Sn-Bi合金为例，说明利用上述装置制备卵式合金焊球的方法如下(1)密封真空腔室和熔融容器，对其抽真空，并对其中充入惰性气体氮气；(2)加热熔融容器，熔化其中的金属合金材料，并利用热电偶温控使其温度保基本持恒定；(3)利用压力控制器控制惰性气体的充入量，使熔融容器和真空腔室之间达到稳定的压力差80kPa，从而使熔融金属合金从微型喷嘴中以层流射流的形式射出；(4)通过与微机控制系统相连接的摄像装置和闪频器，获得熔融液滴从微型喷嘴喷出的实时形态，根据分析获得的液滴直径，反馈调节压电振荡器的频率，使流出的金属合金射流断裂为均勻的液滴。其中设定的初始振荡频率为17kHz。(5)给加电极板加以电压，使其与熔融容器间产生电场，以使通过加电极板上开口的液滴带上相同电荷，达到液滴的均勻分散，此时液滴的下落速度为3m/s ；(6)使断裂的均勻的液滴通过冷却装置冷却，凝固成型，通过流量计调节液氮的流速为lm/s ；(7)收集成型后的卵式复合焊球进行清洗和干燥，以去除杂质，例如可采用超声清洗和真空干燥的方法如下用超声清洗机清洗3-5次，超声清洗剂为乙醇；然后在温度为 50-100°C，真空度为5-10KPa条件下烘干20-40分钟。将制备的复合焊球剖开进行背散射电子显微测试，以观察制备的复合焊球内部的相分布情况，使用的电子显微镜型号为美国FEI公司的Nova Nanosem 430，使用其背散射探头(BSED)，调整真空度(高真空度)、工作距离8mm)、工作电压(MKeV)、束斑直径 (3. 5)和放大倍数(600X)，结果由附图4所示，图中位于剖面中心的深颜色区域为富铜相 (即Cu-rich)，周围浅色区域为富锡铋相即(Sn，Bi)-rich，这说明利用本发明的技术方案成功制备卵式复合焊球。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种卵式合金焊球的制备装置，包括真空腔室、熔融容器、气压控制器、压电振荡器、 信号发生器、加电极板、冷却装置，其特征在于，其中所述熔融容器设置在真空腔室的上面，与真空腔室之间密闭连接；所述真空腔室和熔融容器分别通过各自的输气管和阀门与气压控制器相连，在所述真空腔室和熔融容器中设置有压力传感器，所述气压控制器根据压力传感器的输入信号调节真空腔室和熔融容器中的气体压力，所述真空腔室和熔融容器分别通过各自的输气管和阀门与惰性气体储藏装置相连；所述熔融容器的底部设置有与真空腔室相连通的微型喷嘴，所述压电振荡器的振动头设置在微型喷嘴的上方，所述信号发生器在微机控制系统的控制下产生振荡信号，并将振荡信号加载到所述压电振荡器上；所述加电极板设置在微型喷嘴的下方，其上设置有与微型喷嘴位置相应的开口 ；所述冷却装置为圆筒形状，其筒壁上设置有螺旋管道；所述冷却装置设置在加电极板的下方，其中冷却装置的储存装置与回收装置分别与螺旋管道的底部和顶部相连。
2.根据权利要求1所述的一种卵式合金焊球的制备装置，其特征在于，所述熔融容器的外壁上设置有加热器，其中熔融液体中设置有测温元件，所述测温元件将温度信号传递给控温装置，所述控温装置控制加热器的开关，以维持熔融容器中熔融液体的温度。
3.根据权利要求1或2所述的一种卵式合金焊球的制备装置，其特征在于，所述真空腔室的侧壁上设置有与微机控制系统相连接的摄像装置和闪频器，用以获得熔融液滴从微型喷嘴流出的形态，根据分析获得的液滴直径，反馈调节压电振荡器的频率。
4.根据权利要求3所述的一种卵式合金焊球的制备装置，其特征在于，所述微型喷嘴是直径在0. 050-5. OOmm之间的小孔；所述压电振荡器的振动频率范围在l_20kHz。
5.根据权利要求3所述的一种卵式合金焊球的制备装置，其特征在于，在所述加电电极和冷却装置之间优选设置有挡板，挡板通过固定装置连接在真空腔室的腔壁上。
6.根据权利要求1所述的一种卵式合金焊球的制备装置，其特征在于，在所述冷却装置下部设置有收集器。
7.根据权利要求1所述的一种卵式合金焊球的制备装置，其特征在于，在所述圆筒形状冷却装置的螺旋管道中装有液氮。
8.一种利用权利要求3所述的装置制备卵式合金焊球的方法，其特征在于，按照下述步骤进行(1)密封真空腔室和熔融容器，并对其抽真空，并对其中充入惰性气体；(2)加热熔融容器，熔化其中的金属合金材料；(3)利用压力控制器控制惰性气体的充入量，使熔融容器和真空腔室之间达到稳定的压力差，从而使熔融金属合金从微型喷嘴中以层流射流的形式射出，并在压电振荡器振动头的作用下，使流出的金属合金射流断裂为均勻的液滴；(4)给加电极板加以电压，使其与熔融容器间产生电场，以使通过加电极板上开口的液滴带上相同电荷，达到液滴的均勻分散；(5)使断裂的均勻的液滴通过冷却装置冷却，凝固成型，最后进行收集。
9.根据权利要求8所述的一种制备卵式合金焊球的方法，其特征在于，通过与微机控制系统相连接的摄像装置和闪频器，用以获得熔融液滴从微型喷嘴流出的形态，根据分析获得的液滴直径，反馈调节压电振荡器的频率和调节冷却装置中液氮的流速。
10.根据权利要求8所述的一种制备卵式合金焊球的方法，其特征在于，测温元件将温度信号传递给控温装置，控温装置控制加热器的开关，以维持熔融容器中熔融液体的温度。
全文摘要
本发明公开了一种制备卵式复合合金焊球的制备装置及其制备方法，利用现有均匀液滴喷射装置，增加了圆柱形内螺旋液氮循环冷却装置，螺旋管中充满流动的液态氮，可以将冷却装置内的温度保持在合适的范围内。当高温液滴态的合金金属焊球进入螺旋型冷却装置时，液滴态合金金属焊球通过外部与腔内空气发生热传递，使焊球的内核与外壳间形成温度梯度，这种温度梯度促使焊球形成分层卵式结构。利用本发明的技术方案可使液滴态的合金金属焊球在下落过程中形成中心为Cu核，外部为Sn-Bi合金的球壳的分层结构，从而促进核壳结构的快速形成，获得有较好综合性能性能的合金焊球。
文档编号B22F9/06GK102210998SQ20111013138
公开日2011年10月12日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者吕顺鹏, 吴萍, 周伟, 张一平, 李宝凌, 穆文凯, 陆遥 申请人:天津大学