一种快速高效筛选均一焊球的装置及方法

1.本发明涉及焊球生产设备领域，尤其涉及一种快速高效筛选均一焊球的装置及方法。


背景技术：

2.均一焊球作为先进封装中不可缺少的重要材料，可用来代替ic元件封装结构中的引脚，从而满足电性互连以及机械连接要求的一种连接件。bga(球栅阵列封装)和csp(晶片级封装)封装件的发展顺应了技术发展的趋势并满足了人们对电子产品短、小、轻和薄的要求。但当前利用射流扰动技术制备均一焊球时，所收集的焊球包括焊球制备起初阶段和焊球制备过程结束阶段所产生的不均匀金属焊球，需通过后期的多级筛分筛除不符合要求的焊球，这在一定程度上增加了焊球制备工艺，提高了焊球制备成本，因此，提出一种在焊球制备过程中筛除焊球制备初期和后期产生的不均一焊球的装置，具有重要的价值和意义。
3.中国专利cn110842209a，公布了一种压差调控+电磁扰动制备均一金属颗粒的装置，实现了非接触直驱式、连续喷射技术制备均一金属颗粒的方法，该装置中的焊球在花生油中成球，未涉及焊球分离装置。中国专利cn1899732a，公布了一种精密焊球的制备方法及装置，利用压电激振器产生振动激振金属射流并使金属射流断裂为均匀的液滴来制备均一颗粒，断裂的均匀液滴进入专门凝固成型设备，该设备中装有凝固液可控制凝固过程的温度梯度和凝固速度，使金属液滴凝固形成真圆度高的焊球，但是该装置未涉及焊球筛选，不能在生产过程中精准筛除设备制备期间由于设备不稳定而产生的劣质焊球。
4.现有的利用射流扰动技术制备焊球中的成球冷却装置，大多在特定介质中成球，成球区间长，并且不具备分离筛选功能，不能够及时分离优劣焊球，影响制球效率，只能依靠后期的多次筛分实现，在一定程度上增加了焊球制备工艺，提高了焊球制备成本。因此如何开发一种快速高效筛选均一焊球的装置及方法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快速高效筛选均一焊球的装置及方法，解决现有的利用射流扰动技术制备焊球中的成球冷却装置，大多在特定介质中成球，成球区间长，并且不具备分离筛选功能，不能够及时分离优劣焊球，影响制球效率，只能依靠后期的多次筛分实现，在一定程度上增加了焊球制备工艺，提高了焊球制备成本的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.本发明一种快速高效筛选均一焊球的装置，包括均一金属微滴制备器和快速冷却管，所述均一金属微滴制备器的两侧设置有熔化加热线圈，所述均一金属微滴制备器内设置有温度传感器，所述熔化加热线圈和温度传感器与智能pid温控仪电连接，所述均一金属微滴制备器的下端设置有成球腔，所述均一金属微滴制备器的喷嘴延伸到成球腔内，所述快速冷却管的上端延伸到成球腔内并与所述喷嘴配合，所述快速冷却管上设置有冷却器，所述冷却器与冷冻机连接，所述快速冷却管的下端设置有筛分开关，所述筛分开关的下端
设置有成球储存仓和劣球储存仓。
8.进一步的，所述成球腔的两侧设置有观察窗。
9.进一步的，还包括气压控制系统，所述气压控制系统包括氮气罐、稳压罐和plc集成控制系统，所述氮气罐通过管路连接所述稳压罐，所述氮气罐和稳压罐的连接管路上设置有微型电动阀，所述稳压罐通过管路连接所述均一金属微滴制备器，所述稳压罐和均一金属微滴制备器的连接管路上设置有精密气体稳压阀；所述均一金属微滴制备器的上端设置有第二气压传感器，所述均一金属微滴制备器的底部设置有压力传感器，所述稳压罐上设置有第一气压，所述第一气压传感器、第二气压传感器、压力传感器、微型电动阀和精密气体稳压阀与所述plc集成控制系统电连接。
10.进一步的，所述成球腔连接有真空泵和氧含量分析仪。
11.进一步的，所述筛分开关与所述plc集成控制系统电连接。
12.进一步的，所述冷冻机的制冷剂为乙二醇，所述快速冷却管为恒温-20℃。
13.采用如上所述的快速高效筛选均一焊球的装置筛选均一焊球的方法，包括如下步骤：
14.s1、降低成球环境中的氧含量：
15.首先，打开微型电动阀、精密气体稳压阀，利用真空泵对均一金属微滴制备器、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；然后，利用氮气罐对均一金属微滴制备器、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，多次重复上述过程使得均一金属微滴制备器、稳压罐、成球腔内部的氧含量降低到300ppm以下；
16.s2、设置熔化温度：
17.通过熔化加热线圈，温度传感器和智能pid温控仪使均一金属微滴制备器内的金属熔化为液态金属，通过智能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；
18.s3、施加气控参数：
19.气控系统由氮气罐、微型电动阀、稳压罐、气压传感器、精密气体稳压阀和plc集成控制系统组成，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，其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均一金属微滴制备器1内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冲入均一金属微滴制备器内，从而达到精确控制气压的目的；
20.s4、施加成球参数：
21.通过射流扰动技术控制射流液柱端头断裂形成均一微滴，打开焊球收集开关，均一微滴进入冷却器所涉及冷却区域，在冷却区域凝固成球，冷却器所涉及冷却区间由冷冻机及其内装有液体乙二醇所产生，乙二醇设置温度为-20℃循环灌入冷却器中，使快速冷却管温度恒为-20℃；筛选开关与plc集成控制系统连接，在t1时间段，筛分开关向劣球储存仓开启，超过t1时plc集成控制系统中显示均一金属微滴制备器内的气压变化曲线呈线性稳定变化时，筛分开关向成球储存仓开启；设置压力阈值，通过压力传感器检测均一金属微滴
制备器内液体含量，液位过低时，射流扰动不稳定，此时制备的焊球均一性差，筛分开关导向劣球储存仓开启，实现冷却收集形状规则大小均一的合格焊球。
22.与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
23.本发明快速高效筛选均一焊球的装置及方法通过在射流扰动技术制备焊球后，加装冷却分离装置和筛分开关实现了向劣球储存仓输送实验前期和实验后期均一性差的焊球，向成球储存仓输送实验稳定期间的均一性焊球。通过合理调节均一金属微滴制备器内压力和冷却器筛分开关时间来实现精准筛除焊球制备起初阶段和焊球制备过程结束阶段所产生的不均匀金属焊球，避免了二次筛分，节约了生产成本，对0.3mm以下焊球快速高效成球和自动化筛选焊球效果最优，有效解决了现有技术中不能够及时分离优劣焊球，影响制球效率，只能依靠后期的多次筛分实现的问题。
附图说明
24.下面结合附图说明对本发明作进一步说明：
25.图1为本发明快速高效筛选均一焊球的装置原理图。
26.附图标记说明：1、均一金属微滴制备器；2、熔化加热线圈；3、温度传感器；4、智能pid温控仪；5、成球腔；6、观察窗口；7、氧含量分析仪；8、氮气罐；9、微型电动阀；10、稳压罐；11、第一气压传感器；12、精密气体稳压阀；13、plc集成控制系统；14、真空泵；15、第二气压传感器；16、快速冷却管；17、收集开关；18、冷却器；19、筛分开关；20、成球储存仓；21、劣球储存仓；22、冷冻机；23、压力传感器。
具体实施方式
27.如图1所示，一种快速高效筛选均一焊球的装置，包括均一金属微滴制备器1和快速冷却管16。
28.所述均一金属微滴制备器1的两侧设置有熔化加热线圈2，所述均一金属微滴制备器1内设置有温度传感器3，所述熔化加热线圈2和温度传感器3与智能pid温控仪4电连接。
29.所述均一金属微滴制备器1的下端设置有成球腔5所述成球腔5的两侧设置有观察窗6。
30.所述均一金属微滴制备器1的喷嘴延伸到成球腔5内，所述快速冷却管16的上端延伸到成球腔5内并与所述喷嘴配合，所述快速冷却管16上设置有冷却器18，所述冷却器18与冷冻机22连接，所述冷冻机22的制冷剂为乙二醇，所述快速冷却管16为恒温-20℃。
31.所述快速冷却管16的下端设置有筛分开关19，所述筛分开关19的下端设置有成球储存仓20和劣球储存仓21。所述筛分开关19与所述plc集成控制系统13电连接。
32.还包括气压控制系统，所述气压控制系统包括氮气罐8、稳压罐10和plc集成控制系统13，所述氮气罐8通过管路连接所述稳压罐10，所述氮气罐8和稳压罐10的连接管路上设置有微型电动阀9，所述稳压罐10通过管路连接所述均一金属微滴制备器1，所述稳压罐10和均一金属微滴制备器1的连接管路上设置有精密气体稳压阀12；所述均一金属微滴制备器1的上端设置有第二气压传感器15，所述均一金属微滴制备器1的底部设置有压力传感器23，所述稳压罐10上设置有第一气压11，所述第一气压传感器11、第二气压传感器15、压力传感器23、微型电动阀9和精密气体稳压阀12与所述plc集成控制系统13电连接。
33.所述成球腔5连接有真空泵14和氧含量分析仪7。
34.本发明的原理：在射流扰动技术制备焊球后，加装冷却分离装置，通过冷冻机22降温液体乙二醇，将其循环灌入冷却器18中，使成球快速冷却管16内温度保持在-20℃左右，使焊球微滴快速冷却为焊球颗粒。在快速冷却管16底端加装筛分开关19，筛分开关19与plc集成控制系统13连接，通过plc集成控制系统13控制开关时间实现焊球筛分剔除焊球包括实验前期由于气压不足导致的不合格焊球以及实验后期均一金属微滴制备器1中液位低，稳定性不够导致的不合格焊球；通过设置开始筛分开关19导向劣球储存仓21时间t1来筛除前期不合格焊球，t1后实验进入稳定期，筛分开关19自动导向成球储存仓20；设置均一金属微滴制备器1内液位低时的压力阈值，通过压力传感器23检测传递给plc集成控制系统13，控制筛分开关19筛除后期的不合格焊球。最终实现精准剔除焊球包括实验前期由于气压不足导致的不合格焊球以及实验后期均一金属微滴制备器1中液位低，稳定性不够导致的不合格焊球。
35.本发明的动作过程如下：
36.s1、降低成球环境中的氧含量：
37.首先，打开微型电动阀9、精密气体稳压阀12，利用真空泵14对均一金属微滴制备器1、稳压罐10、成球腔5及连接管道抽真空，当第一气压传感器11和第二气压传感器15的读数达到-99.99kpa时，关闭真空泵14；然后，利用氮气罐8对均一金属微滴制备器1、稳压罐10和成球腔5内部充气，当整个装置内的气压达到0kpa时，关闭微型电动阀9，多次重复上述过程使得均一金属微滴制备器1、稳压罐10、成球腔5内部的氧含量降低到300ppm以下；
38.s2、设置熔化温度：
39.通过熔化加热线圈2，温度传感器3和智能pid温控仪4使均一金属微滴制备器1内的金属熔化为液态金属，通过智能pid温控仪4的多次调节，使温度波动幅值小于1℃，满足本装置的要求；
40.s3、施加气控参数：
41.气控系统由氮气罐8、微型电动阀9、稳压罐10、气压传感器11、精密气体稳压阀12和plc集成控制系统13组成，通过在自由液面施加恒定气压以使均一金属微滴制备器1内的液态金属从喷嘴出口处射流而出形成射流液柱，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13中的plc控制微型电动阀9的通断间接控制稳压罐10内的气压大小，其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9，由于电磁阀的关闭需要时间，因此稳压罐10内获取的压力值要稍大于所设定的气压，此时稳压罐10内的气压与均一金属微滴制备器1内自由液面所需的气压相差不大，再通过精密气体稳压阀12使稳压罐10内的气体缓慢冲入均一金属微滴制备器1内，从而达到精确控制气压的目的；
42.s4、施加成球参数：
43.通过射流扰动技术控制射流液柱端头断裂形成均一微滴，产生均一扰动的方法包括压电扰动，电磁扰动和机械振动等，打开焊球收集开关17，均一微滴进入冷却器18所涉及冷却区域，在冷却区域凝固成球，冷却器18所涉及冷却区间由冷冻机22及其内装有液体乙二醇所产生，乙二醇设置温度为-20℃循环灌入冷却器18中，使快速冷却管16温度恒为-20℃；筛选开关19与plc集成控制系统13连接，在t1时间段，筛分开关19向劣球储存仓21开启，
超过t1时plc集成控制系统13中显示均一金属微滴制备器1内的气压变化曲线呈线性稳定变化时，筛分开关19向成球储存仓20开启；设置压力阈值，通过压力传感器23检测均一金属微滴制备器1内液体含量，液位过低时，射流扰动不稳定，此时制备的焊球均一性差，筛分开关19导向劣球储存仓21开启，实现冷却收集形状规则大小均一的合格焊球。
44.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。