一种静电效应下制备100μm以下均一焊球的装置及方法

一种静电效应下制备100
μ
m以下均一焊球的装置及方法
技术领域
1.本发明涉及焊球制备装置领域，尤其涉及一种静电效应下制备100μm以下均一焊球的装置及方法。


背景技术：

2.目前，电子封装技术由bga(焊锡球阵列封装)向wlp(晶圆级封装)和csp(芯片尺寸封装)方向发展，对封装所需微焊球的尺寸要求更小，质量要求更高。大规模集成电路封装均采用均一焊球以实现芯—芯和芯—板之间信号传递和机械连接。连续喷射技术(也称射流扰动技术)是制备均一焊球的手段之一，其原理如下：基于射流不稳定理论，当人为施加的纵向扰动传递到射流液柱表面时，通过合理地调整扰动频率和气压的大小，可控制射流液柱端头断裂形成均一焊球。
3.影响射流扰动技术的关键因素包括喷嘴孔径，自由液面所施加的气压和射流液柱上所施加的均一扰动。自由液面上易于施加的恒定气压。采用电磁射流的扰动方式作用于金属溶液制备均一微焊球是目前容易实现且效率较高的技术之一。电磁扰动的原理：当高频脉冲电流流经处于恒定磁场的驱动腔内的液态金属时，将会以液态金属为介质在腔体内产生可周期性变化的脉冲电磁扰动，从而把扰动力传递到从喷嘴出口处射流而出的射流液柱表面。喷嘴孔径控制射流扰动断裂形成的均一焊球大小，且喷嘴孔径越小，形成的焊球越小，但随着喷嘴孔径的持续减小，喷嘴内流道的阻力变大，容易堵塞喷嘴，造成生产力低下，且难以制备出粒径小于100μm的微焊球。
4.因此，如何使喷嘴孔径不减小的情况下能够高频高质地制备芯片级封装用微焊球成为本领域内技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种静电效应下制备100μm以下均一焊球的装置及方法，解决随着喷嘴孔径的持续减小，喷嘴内流道的阻力变大，容易堵塞喷嘴，造成生产力低下，且难以制备出粒径小于100μm的微焊球的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.本发明一种静电效应下制备100μm以下均一焊球的装置，包括电磁扰动发生器和高压静电发生装置，所述电磁扰动发生器包括扰动电磁发生腔和熔化腔，所述熔化腔设置在所述扰动电磁发生腔的上方，所述熔化腔的上方设置有与气压控制系统相连的气孔，所述扰动电磁力发生腔与熔化腔之间通过连接孔连通，所述扰动电磁发生腔的两侧设置有不锈钢电极板，两块所述不锈钢电极板相互平行，两块所述不锈钢电极板之间设置有永磁铁提供的磁场，所述磁场的磁场强度恒定，两块所述不锈钢电极板通过功率放大器与所述信号源连接，所述扰动电磁发生腔和熔化腔的外侧设置有熔化加热线圈；所述高压静电发生装置包括静电发生器和金属板，所述扰动电磁发生腔的下端设置有喷嘴，所述静电发生器的正极与所述喷嘴连接，所述静电发生器的负极与所述金属板连接，所述金属板位于喷嘴
的正下方，所述金属板上开设有与所述喷嘴配合的圆孔。
8.进一步的，所述扰动电磁发生腔的下端为成球腔，所述喷嘴和金属板均设置在所述成球腔内，所述金属板的下方设置有与成球介质储存腔配合的加热线圈，所述成球介质储存腔上设置有焊球收集开关，所述成球介质储存腔的下方设置有焊球收集容器。
9.进一步的，所述熔化腔内设置有第一温度传感器，所述第一温度传感器与第一智能pid控温仪电连接，所述第一智能pid控温仪与所述熔化加热线圈电连接；所述成球介质储存腔内设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器与第二智能pid控温仪电连接，所述第二智能pid控温仪与所述加热线圈电连接。
10.进一步的，所述气压控制系统包括氮气罐、稳压罐和plc集成控制系统，所述氮气罐通过电动阀连接所述稳压罐，所述稳压罐通过精密气体稳压阀与所述气孔连接，所述电动阀和精密气体稳压阀与所述plc集成控制系统电连接，所述稳压罐上的第一气压传感器和成球腔上的第二气压传感器与所述plc集成控制系统电连接。
11.进一步的，所述成球腔连接有氧含量分析仪；所述成球腔连接有真空泵；所述成球腔设置有排气装置。
12.进一步的，所述成球腔上设置有观察窗口。
13.进一步的，所述成球腔通过管路通过三通连接所述精密气体稳压阀和气孔的连接管路，所述成球腔与三通之间的管路上设置有气门开关。
14.进一步的，所述成球介质储存腔内设置有成球介质花生油，所述成球介质储存腔的上部为成球介质的高温球化区间，所述成球介质储存腔的下部为成球介质的低温成球区间。
15.采用如上所述静电效应下制备100μm以下均一焊球的装置制备100μm以下均一焊球的方法，包括如下步骤：
16.s1、降低成球环境中的氧含量：
17.打开微型电动阀、精密气体稳压阀，利用真空泵对熔化腔、扰动电磁力发生腔、稳压罐、成球腔及连接管道抽真空，当第一气压传感器和第二气压传感器的读数达到-99.99kpa时，关闭真空泵，打开气门开关，使熔化腔、扰动电磁力发生腔、成球腔内部之间保持相同压力，利用氮气罐对熔化腔、扰动电磁力发生腔、稳压罐和成球腔内部充气，当整个装置内的气压达到0kpa时，关闭微型电动阀19，多次重复上述过程使得熔化腔、扰动电磁力发生腔、稳压罐和成球腔内部的氧含量降低到300ppm以下，最后关闭气门开关；
18.s2、设置熔化温度和球化温度：
19.通过熔化系统的熔化加热线圈、第一温度传感器和第一智能pid温控仪使熔化腔和扰动电磁力发生腔内的金属熔化为液态金属，且使气体聚焦腔体内的温度与熔化腔和扰动电磁力发生腔内的温度相同，通过第一智能pid温控仪的多次调节，使温度波动幅值小于1℃，满足本装置的要求，通过成球系统的加热装置的加热线圈、第二温度传感器和第二智能pid温控仪使成球介质的高温球化区间中的成球介质花生油的温度达到金属的熔点温度，从喷嘴下来的金属微滴通过成球介质花生油时实现球化处理，通过第二温度传感器和第二智能pid温控仪的配合确定温度是否到达设定温度；
20.s3、施加气控参数：
21.调节过程包括粗调节和细调节，粗调节是通过plc集成控制系统中的plc控制微型
电动阀的通断间接控制稳压罐内的气压大小，细调节过程是当传感器获取的气压信号与plc设定的信号一致时，plc发出信号关闭微型电动阀，由于电磁阀的关闭需要时间，因此稳压罐内获取的压力值要稍大于所设定的气压，此时稳压罐内的气压与熔化腔自由液面所需的气压相差不大，再通过精密气体稳压阀使稳压罐内的气体缓慢充入熔化腔内，从而达到精确控制气压的目的，排气装置起到调节成球腔内部气压的作用，即当成球腔内的气压超过设定值时，成球腔内的气体将会自动排出，以保持成球腔体内气压稳定；
22.s4、设置高压静电参数：
23.喷嘴和金属板保持着一定的距离，调节静电发生器的高压供电器参数，逐渐增大电压值，金属液滴在电场力的作用下，产生形变继而形成泰勒锥，随电压增大，流体克服表面张力从泰勒锥尖产生一段带电喷射流，通过调节静电发生器的高压供电器的电压值以产生稳定的锥射流和控制射流液柱的直径；
24.s5：施加电磁扰动参数：
25.待金属熔化温度和成球温度稳定在相应的数值附近时，在扰动电磁力发生腔的两相对的侧面各设有一个不锈钢电极板，两不锈钢电极板平行相对，在扰动电磁力发生腔内两平行相对的不锈钢电极板之间加有永磁铁提供的恒定磁场，恒定磁场的磁场方向平行于不锈钢电极板，当信号源和功率放大器产生的高频脉冲电流信号，通过不锈钢电极板、扰动电磁力发生腔内的液态金属形成通路时，将会以液态金属为载体形成脉冲电磁力，从而在扰动电磁力发生腔内形成均一扰动；
26.s6、制备焊球：
27.通过以上调节准备工作完成，扰动电磁力发生腔内的液态金属从喷嘴向下形成喷射流，喷嘴处滴落的微滴经过金属板的圆孔，再通过成球介质花生油的高温球化区间完成球化处理，最终制备出直径100μm以下的均一微焊球，打开焊球收集开关，喷嘴处滴落的微滴经过金属板的圆孔、成球系统球化后再用焊球收集容器收集制备的均一焊球，收集的均一焊球需要放入酒精或丙酮溶液中进行超声清洗，清洗干净的焊球随后通过烘干装置进行烘干处理。
28.与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
29.本发明静电效应下制备100μm以下均一焊球的装置及方法通过调节静电电压来实现对锥射流液柱直径的控制；通过调节电磁扰动频率以实现对微焊球制备频率的控制；通过电磁扰动与高压静电的组合实现对微焊球直径和频率的协调控制，最终制备出直径100μm以下的均一焊球，能够应用于当今日趋小型化电子产品的芯片与芯片用锡球连接，具有极大的应用价值，解决了在喷嘴孔径不减小的情况下能够高频高质地制备芯片级封装用微焊球的技术难题。
附图说明
30.下面结合附图说明对本发明作进一步说明：
31.图1为本发明静电效应下制备100μm以下均一焊球的装置电磁扰动发生器和高压静电发生器原理图；
32.图2为本发明静电效应下制备100μm以下均一焊球的装置原理图；
33.图3为本发明静电效应下制备100μm以下均一焊球的装置成球介质储存腔原理图。
34.附图标记说明：1、电子扰动发生器；2、高压静电发生装置；3、不锈钢电极板；4、磁场；5、扰动电磁力发生腔；6、连接孔；7、熔化腔；8、功率放大器；9、信号源；10、喷嘴；11、金属板；12、圆孔；13、静电发生器；14、气孔；15、熔化加热线圈；16、第一温度传感器；17、第一智能pid控温仪；18、氮气罐；19、电动阀；20、稳压罐；21、第一气压传感器；22、精密气体稳压阀；23、气门开关；24、plc集成控制系统；25、真空泵；26、第二气压传感器；27、成球腔；28、观察窗口；29、含氧量分析仪；30、加热线圈；31、第二温度传感器；32、第二智能pid温控仪；33、成球介质储存腔；34、排气装置；35、成球介质花生油；36、成球介质的高温球化区间；37、成球介质的低温成球区间；38、焊球收集开关；39、焊球收集容器。
具体实施方式
35.如图1所示，一种静电效应下制备100μm以下均一焊球的装置，包括电磁扰动发生器1和高压静电发生装置2。
36.所述电磁扰动发生器1包括扰动电磁发生腔5和熔化腔7，所述熔化腔7设置在所述扰动电磁发生腔5的上方，所述熔化腔7的上方设置有与气压控制系统相连的气孔14，所述扰动电磁力发生腔5与熔化腔2之间通过连接孔6连通，所述扰动电磁发生腔5的两侧设置有不锈钢电极板3，两块所述不锈钢电极板3相互平行，两块所述不锈钢电极板3之间设置有永磁铁提供的磁场4，所述永磁铁提供的磁场4的磁场强度恒定，两块所述不锈钢电极板3通过功率放大器8与所述信号源9连接，所述扰动电磁发生腔5和熔化腔7的外侧设置有熔化加热线圈15。两不锈钢电极板3的相对的面与金属熔液是面连接的。
37.所述高压静电发生装置2包括静电发生器13和金属板11，所述扰动电磁发生腔5的下端设置有喷嘴10，所述静电发生器13的正极与所述喷嘴10连接，所述静电发生器13的负极与所述金属板11连接，所述金属板11位于喷嘴10的正下方，所述金属板11上开设有与所述喷嘴10配合的圆孔12。静电发生器13可控制两端电压大小。
38.如图2所示，所述扰动电磁发生腔5的下端为成球腔27，所述喷嘴10和金属板11均设置在所述成球腔27内，所述金属板11的下方设置有与成球介质储存腔33配合的加热线圈30，所述成球介质储存腔33上设置有焊球收集开关38，所述成球介质储存腔33的下方设置有焊球收集容器39。
39.所述熔化腔7内设置有第一温度传感器16，所述第一温度传感器16与第一智能pid控温仪17电连接，所述第一智能pid控温仪17与所述熔化加热线圈15电连接；所述成球介质储存腔33内设置有第二温度传感器31，所述第二温度传感器31与第二智能pid控温仪32电连接，所述第二智能pid控温仪32与所述加热线圈30电连接。
40.所述气压控制系统包括氮气罐18、稳压罐20和plc集成控制系统24，所述氮气罐18通过电动阀19连接所述稳压罐20，所述稳压罐20通过精密气体稳压阀22与所述气孔14连接，所述电动阀19和精密气体稳压阀22与所述plc集成控制系统24电连接，所述稳压罐20上的第一气压传感器21和成球腔27上的第二气压传感器26与所述plc集成控制系统24电连接。
41.所述成球腔27与所述精密气体稳压阀22和气孔14的连接管路上设置有气门开关23。
42.所述成球腔27连接有氧含量分析仪29；所述成球腔27连接有真空泵25；所述成球
腔27设置有排气装置34。
43.所述成球腔27上设置有观察窗口28。
44.如图3所示，所述成球介质储存腔33内设置有成球介质花生油35，所述成球介质储存腔33的上部为成球介质的高温球化区间36，所述成球介质储存腔33的下部为成球介质的低温成球区间37。
45.为了使喷嘴孔径不减小的情况下可以高频高质地制备芯片级封装用微焊球。
46.本发明利用静电效应在喷嘴10出口处形成锥形射流液柱，当喷嘴10上方的电磁扰动传递到射流液柱表面时，可控制锥形射流液柱断裂形成远小于喷嘴10孔径的均一焊球。静电效应下的锥射流形成原理：利用高压静电场的电场力使喷嘴10出口处的金属液体带上高压静电，当电场力足够大时，喷嘴10出口处的金属液体将会克服表面张力形成锥射流(即泰勒锥)。静电效应下电磁扰动技术制备均一焊球的原理：利用静电效应在喷嘴10出口处形成锥形射流液柱，当喷嘴10上方的电磁扰动传递到锥射流液柱表面时，可控制锥形射流液柱断裂形成远小于喷嘴孔径的均一微滴，通过其后的成球装置可制备出直径远小于喷嘴孔径的均一焊球。同时该技术也适用于金属颗粒或金属微滴的高频高质制备。
47.本发明的动作过程如下：
48.s1、降低成球环境中的氧含量：
49.打开微型电动阀19、精密气体稳压阀22，利用真空泵25对熔化腔7、扰动电磁力发生腔5、稳压罐20、成球腔27及连接管道抽真空，当第一气压传感器21和第二气压传感器26的读数达到-99.99kpa时，关闭真空泵25，打开气门开关23，使熔化腔7、扰动电磁力发生腔5、成球腔27内部之间保持相同压力，利用氮气罐18对熔化腔7、扰动电磁力发生腔5、稳压罐20和成球腔27内部充气，当整个装置内的气压达到0kpa时，关闭微型电动阀19，多次重复上述过程使得熔化腔7、扰动电磁力发生腔5、稳压罐20和成球腔27内部的氧含量降低到300ppm以下，最后关闭气门开关23；
50.s2、设置熔化温度和球化温度：
51.通过熔化系统的熔化加热线圈15、第一温度传感器16和第一智能pid温控仪17使熔化腔7和扰动电磁力发生腔5内的金属熔化为液态金属，且使气体聚焦腔体内的温度与熔化腔7和扰动电磁力发生腔5内的温度相同，通过第一智能pid温控仪17的多次调节，使温度波动幅值小于1℃，满足本装置的要求，通过成球系统的加热装置的加热线圈30、第二温度传感器31和第二智能pid温控仪32使成球介质的高温球化区间36中的成球介质花生油35的温度达到金属的熔点温度，从喷嘴(10)下来的金属微滴通过成球介质花生油(35)时实现球化处理，通过第二温度传感器(31)和第二智能pid温控仪(32)的配合确定温度是否到达设定温度；
52.s3、施加气控参数：
53.气控系统由氮气罐18、微型电动阀19、稳压罐20、气压传感器21、精密气体稳压阀22和plc集成控制系统24组成，由于喷嘴10孔径较小，熔化后的金属溶液难以自主充满喷嘴10，通过在自由液面施加恒定气压以使扰动电磁力发生腔5内的液态金属充满喷嘴10且在喷嘴10出口处形成微液面，其自由液面施加稳定的气压是关键，调节过程包括粗调节和细调节，粗调节是通过plc集成控制系统24中的plc控制微型电动阀19的通断间接控制稳压罐20内的气压大小，细调节过程是当传感器获取的气压信号与plc设定的信号一致时，plc发
出信号关闭微型电动阀19，由于电磁阀的关闭需要时间，因此稳压罐20内获取的压力值要稍大于所设定的气压，此时稳压罐20内的气压与熔化腔7自由液面所需的气压相差不大，再通过精密气体稳压阀22使稳压罐20内的气体缓慢充入熔化腔7内，从而达到精确控制气压的目的，排气装置34起到调节成球腔27内部气压的作用，即当成球腔27内的气压超过设定值时，成球腔27内的气体通过排气装置34，自动排出，以保持成球腔体内气压稳定；
54.s4、设置高压静电参数：
55.喷嘴10和金属板11保持着一定的距离，调节静电发生器13的高压供电器参数，逐渐增大电压值，金属液滴在电场力的作用下，产生形变继而形成泰勒锥，随电压增大，流体克服表面张力从泰勒锥尖产生一段带电喷射流，通过调节静电发生器13的高压供电器的电压值以产生稳定的锥射流和控制射流液柱的直径；
56.s5：施加电磁扰动参数：
57.待金属熔化温度和成球温度稳定在相应的数值附近时，在扰动电磁力发生腔5的两相对的侧面各设有一个不锈钢电极板3，两不锈钢电极板3平行相对，在扰动电磁力发生腔5内两平行相对的不锈钢电极板3之间加有永磁铁提供的恒定磁场4，恒定磁场4的磁场方向平行于不锈钢电极板3，当信号源9和功率放大器8产生的高频脉冲电流信号，通过不锈钢电极板3、扰动电磁力发生腔5内的液态金属形成通路时，将会以液态金属为载体形成脉冲电磁力，从而在扰动电磁力发生腔5内形成均一扰动；
58.s6、制备焊球：
59.通过以上调节准备工作完成，扰动电磁力发生腔5内的液态金属从喷嘴10向下形成喷射流，喷嘴10处滴落的微滴经过金属板11的圆孔12，再通过成球介质花生油35的高温球化区间36完成球化处理，最终制备出直径100μm以下的均一微焊球，打开焊球收集开关38，喷嘴10处滴落的微滴经过金属板11的圆孔12、成球系统球化后再用焊球收集容器38收集制备的均一焊球，收集的均一焊球需要放入酒精或丙酮溶液中进行超声清洗，清洗干净的焊球随后通过烘干装置进行烘干处理。
60.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。