CN100551587C - 制备焊锡球的装置 - Google Patents

Abstract

制备焊锡球的装置，属于电子产品封装材料技术领域。装置包括给料系统、液体分散机构、液滴固化成型系统。给料系统包括熔池(1)和给料罐(24)，通过管路和阀门的控制，能够实现生产过程中的连续给料；能保证较稳定的给料流量。液滴固化成型系统包括一个与气体分布环(13)和一个与之相连的成型柱(15)，通过气流控制，可以在焊锡液滴的行程空间上形成温度不同的两层气流，保证焊锡液滴的收圆和凝固。液体分散机构包括一个与分配器(9)和气体分布环(13)密封连接的波纹补偿器(11)，分配器(9)与可上下振动的连杆(28)相连，该机构结构简单而实用。本发明实现了生产的连续性，提高了产品的成品率，且设备紧凑便于操作。

Description

制备焊锡球的装置

技术领域

本发明涉及一种制备电子封装用焊锡球的装置，特别是制备BGA及CSP封装用焊锡球的装置，属于电子产品封装材料技术领域。

背景技术

电子产品的轻薄短小、高频、高效率及多功能的需要使BGA(Ball Grid Array)及CSP(Chip Scale Package)封装技术得到迅速的发展，它们正逐步取代传统的插脚封装、导线架封装技术。焊锡球则是用于BGA、CSP封装、起电气互连及机械支撑作用的材料。所用焊锡球尺寸一般为0.2-1.2mm，在真圆度、公差上都有较高的要求。

焊锡球的制备工艺包括剪切热熔成型法、抛射法、熔融液滴固化法等。

剪切热熔成型法是目前市售焊锡球的主要生产方法，工艺流程包括焊锡原料拉丝或轧板、剪切或冲板、在有温度梯度的热介质中熔融并成型、过滤、洗涤、干燥、筛选。该方法工艺流程长且设备投资较大，另外所生产产品规格有限，很难生产0.3mm以下的焊锡球。

专利文献CN1476954A所公开的抛射法是将熔融焊锡注入旋转的带孔容器中，在离心作用下将焊锡抛射进冷却介质中成型。该方法生产的焊锡球球形度难以保证，且颗粒大小不均匀，成品率较低。

根据液滴产生形式不同，熔融液滴固化法可以分为流体自然断裂法(JP2002-192383A、JP2001-340992A)和振动分散法(US6517602B2、US6312498B1、US5266098、US6554166B2、US6540129B2、CN1309529C)。流体自然断裂法是通过压力将熔融焊锡从小孔中挤出，在重力作用下断裂成液滴，液滴在表面张力作用下收圆，而后在冷却介质中凝固，该方法很难控制焊锡球的大小。振动分散法是将熔融焊锡从小孔中压出形成喷射流，喷射流在一定频率的外力扰动作用下断裂形成液滴，液滴通过表面张力收圆，而后在冷却介质中凝固成球。因振动分散能较均匀控制液滴大小而成为研发的焦点。

但目前所公开的振动分散法存在以下的缺点：(1)用气体压力控制流量，随着熔融焊锡的消耗，焊锡液面动态下移，这样，喷嘴处压力随焊锡消耗而逐渐减小，从而使流量逐渐减小，最终导致焊锡球尺寸分布不均；(2)不能连续给料，一批料用完后需要重新加料、抽真空、充压，影响生产效率；(3)当分散液滴在液体介质中固化成型时，需要洗涤干燥，工艺复杂，流程较长，成本较高；当分散液滴在室温惰性气体中成型时，液滴行程大(如文献CN1309529C，成型柱长达7-9m)，设备庞大操作不便，而且颗粒在容器底部冲击大，易使颗粒变形。

另外，振动分散法在设备上存在的一个难点就是如何解决固定的成型系统与动态的喷嘴之间的密封连接。

发明内容

本发明的目的是提供一种连续给料且能较精确控制给料流量的给料系统，以解决振动分散法制备焊锡球时因压力变化导致熔融焊锡流量不稳的问题以及生产中不能连续给料的问题。

本发明的另一目的是提供一种结构紧凑、工艺简单的熔融焊锡液滴固化成型系统，以解决焊锡液滴在液体介质中固化成型使工艺复杂的问题以及在室温惰性气体中固化成型而使设备庞大的问题。

本发明还有一个目的是提供一种结构简单的连接喷嘴与成型装置的密封机构。

本发明制备焊锡球的装置包括给料系统、液体分散机构和液滴固化成型系统。给料系统将焊锡料熔融后通过气体压力经过管道输送至位于液滴固化成型系统上方的液体分散机构，液体分散机构将熔融焊锡均匀分散成颗粒，颗粒通过表面张力作用成球状，并通过液滴固化成型系统冷却凝固成球。

所述的给料系统包括熔池、给料罐、连接熔池与给料罐的电磁阀、真空管道及阀门、给压管道及阀门。

本发明的给料系统主体包括一个用于溶解固体焊锡料的熔池1和一个用于向喷嘴10给料的给料罐24。熔池1和给料罐24都可以通过电热丝加热并能进行温度控制。给料罐24位于熔池1下部，给料罐24与熔池1之间有一个泄料阀25。泄料阀25可以为电磁阀，由置于给料罐24中的第一料位计26和第二料位计27控制其开合。熔池1和给料罐24的上端都有气体管道引出，两个罐体经过分流阀3、充压阀6通过管道相连。熔池1与分流阀3之间的管道上有一支管，支管上装有一个放压阀2；放压阀2与分流阀3之间的管道上有一支管，支管上装有排气阀4，排气阀4的另一端与真空泵相连；分流阀3与充压阀6之间的管道上有一支管，支管上装有进气阀5，进气阀5的另一端与气源相连。给料罐24与分配器9之间通过管道连接，管道外包有保温材料，管道上装有给料阀23。

给料是通过如下操作实现的：将焊锡料加入熔池1，此时，放压阀2、进气阀5、给料阀23为关闭状态；分流阀3、排气阀4、充压阀6、泄料阀25为开启状态。接着开启真空泵对熔池1和给料罐24抽真空；待真空度达到要求，关闭排气阀4，开进气阀5，向熔池1和给料罐24充入惰性气体；在惰性气体的保护下将熔池1和给料罐24加热到设定温度使熔池内焊锡熔融，在此过程中，熔池1中的熔融焊锡会流到给料罐24中，当给料罐24中的焊锡液面到达24-1处时，泄料阀25自动关闭；在保温10min以上后，开启给料阀23并调节惰性气体压力至合适值，此时，给料罐24中的熔融焊锡在压力作用下经过管道传输至分配器9，分配器9再将焊锡液分配给各个喷嘴10。

喷嘴10处熔融焊锡的流量可以用公式1表示：

Q＝f(n，Φ，P_g，H_Sn)                    (1)

式(1)中Q表示每个喷嘴的熔融焊锡流量；n表示分配器9所配的喷嘴数；Φ表示喷嘴孔径；P_g表示给料罐24中惰性气体压力；H_Sn表示给料罐24中熔融焊锡液面至喷嘴10之间的垂直距离。

可见，当喷嘴数目n和喷嘴孔径Φ一定时，气压P_g和H_Sn决定了熔融焊锡的流量Q。而当给料罐24内气压一定时，将H_Sn稳定在一定范围内就能保证熔融焊锡的流量在允许范围内波动，从而保证焊锡球尺寸在允许公差范围内。

喷嘴10处熔融焊锡的流量控制是通过以下来实现的：本发明所述的给料罐24配有第一料位计26和第二料位计27。第一料位计26和第二料位计27所感应的液面分别为24-2和24-1。液面24-1与24-2之间的距离经过计算得出，能保证所制备的焊锡球在允许公差范围内。随着给料的进行，给料罐24中熔融焊锡的液面逐渐下降，当液面降至24-2时，第一料位计26将感应信号传给泄料阀25，泄料阀25自动开启使熔池1中的熔融焊锡流入给料罐24中；当给料罐24中熔融焊锡液面到24-1时，第二料位计27将感应信号传给泄料阀25，泄料阀25自动关闭。这样，能保证给料罐24中的液面保持在24-1与24-2之间，最终能确保焊锡球尺寸在允许公差范围内。

连续给料是通过如下操作实现的：当熔池1中的焊锡用尽时，需要向熔池1中添加固体焊锡料。首先关闭分流阀3，然后开启放压阀2，待熔池1中压力为零，关闭放压阀2、打开熔池1的密封盖并加入焊锡料。接着盖上熔池1的密封盖、开启排气阀4对熔池1抽真空；当熔池1内真空度达到所需值，关闭排气阀4，开启分流阀3对熔池1充压直到压力稳定。这样就可以在不停止对分配器9给料的情况下实现对给料罐24的加料。

本发明所述的熔融焊锡液滴固化成型系统包括一个气体分布环、一个与气体分布环下端相连的成型柱。所述的气体分布环用来输送常温的惰性气体，以防止从喷嘴出来的熔融焊锡被氧化；所述的成型柱用来通入低温的惰性气体，以保证熔融焊锡液滴在较短行程内凝固。之所以使用气体分布环，是为了保证焊锡液滴有足够空间通过表面张力收圆，否则，成型柱中的低温气体容易导致液滴未收圆即凝固或使喷嘴出口处焊锡凝固而使喷嘴堵塞。为了提供足够的收圆空间，本发明所述的气体分布环高度不小于20cm。这样，在焊锡液滴的行程范围内形成了双层气流，上层为常温惰性气体，下层为低温惰性气体。

所述的气体分布环13为中空的环形圆柱体，分布环13的空腔在水平方向上被分隔为上下两层，上下两层内壁都均匀分布有气孔；上下层的外壁分别与进气管12和出气管21相连，进气管12与出气管21最好处于同一垂直平面的相对位置。

所述的成型柱15与气体分布环13相连，所述的成型柱15为双层夹套16结构，可以抽成真空以防止内外气体通过器壁热传递。在成型柱上部和下部分别有气流导向环14、17，其结构为中空环形柱状，内侧均匀分布有气孔。下部气流导向环17与进气管19相连，用于向成型柱15中导入分布均匀的低温的惰性气体；上部的气流导向环14与出气管20相连，用于将成型柱15中的气体导出，防止低温气体进入气体分布环13中。出气管20可与出气管21相连通。成型柱底端可以为锥形，以利于收集凝固的焊锡球；锥形底部装有放料阀18，用于将成型柱15中的焊锡球放出。本发明的成型柱中的热交换介质为惰性气体，如氮气、氩气、氮气与氢气混合气、氩气与氢气的混合气等，其温度为2-8℃。由于介质温度低，可以缩短液滴凝固过程的行程，所以本发明的成型柱高度比用常温气体进行热交换的成型柱短了很多，约1-3m。

本发明所述的喷嘴与成型装置之间的连接是通过波纹补偿器实现的，如图1所示，所述的波纹补偿器11底部与气体分布环13通过密封垫圈连接，上部与分配器9通过密封垫圈连接。所述的密封垫圈需耐高温，材质可为石墨或铜。生产时，信号接收器8接收信号发生器7的信号使连杆28作上下运动，由于波纹补偿器11具有弹性，连杆28带动分配器9及喷嘴10一起上下振动，从而将喷嘴10处的焊锡流体均匀分散成液滴22。

本发明所述的焊锡球的制备装置克服和解决了目前本技术领域存在的一些缺点，实现了生产的连续性，提高了产品的成品率，且设备紧凑便于操作。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。其中，1.熔池，2.放压阀，3.分流阀，4.排气阀，5.进气阀，6.充压阀，7.信号发生器，8.信号接收器，9.分配器，10.喷嘴，11.波纹补偿器，12.进气管，13.气体分布环，14.气体导向环，15.成形柱，16.夹套，17.气体导向环，18.放料阀，19.进气管，20.出气管，21.出气管，22.液滴，23.给料阀，24.给料灌，25.泄料阀，26.第一料位计，27.第二料位计，28.连杆，24-1.焊锡液面，24-2.焊锡液面；所述给料系统包括：1、2、3、4、5、6、23、24、24-1、24-2、25、26、27；液体分散机构包括：7、8、9、10、11、28；液滴固化成型系统包括：12、13、14、15、16、17、18、19、20、21。

具体实施方式

下面结合实施例说明本发明。

实施例一：

图1为本发明的结构示意图。包括给料系统、液滴分散机构、液滴固化成型系统。其中给料系统包括熔池1、给料罐24、连接熔池1与给料罐24的泄料阀25、连接给料罐24与分配器9的管道、给料阀23以及连接于熔池1和给料罐24之间的气路。液滴分散机构包括一个信号发生器7、接收信号发生器7的信号并带动连杆28运动的信号接收器8，与连杆28相连并装有喷嘴10的分配器9、连接分配器9和气体分布环13的波纹补偿器11。液滴固化成型系统包括气体分布环13、成型柱15及与它们相连的管道12、20、21、19。

整个制备过程通过如下操作实现的：将焊锡料加入熔池1，此时，放压阀2、进气阀5、给料阀23为关闭状态；分流阀3、排气阀4、充压阀6、泄料阀25为开启状态。接着开启真空泵对熔池1和给料罐24抽真空；待真空度达到要求，关闭排气阀4，开进气阀5，向熔池1和给料罐24充入氮气；在氮气的保护下将熔池1和给料罐24加热到设定温度使熔池内焊锡熔融，在此过程中，熔池1中的熔融焊锡会流到给料罐24中，当给料罐中的焊锡液面到达24-1处时，泄料阀25自动关闭；保温10min。

与此同时，将气体分布环13、成形柱15抽真空，气流通过管21、管20输出；待成型柱15内真空度达到要求，从管道12通入常温的氮气、从管道19通入温度为2-8℃氮气，同时开启连接出气管20的抽气装置。此时，气体分布环13内走的为常温氮气流；对成型柱15，低温氮气从进气管19进入气流导向环17，气流导向环17将低温氮气均匀向上传输，最后经过气流导向环14从排气管20排出。保持成形柱中压力稳定后，开信号发生器7和信号接收器8，通过连杆28带动分配器9振动。开给料阀23并调节给料罐的压力至合适值，熔融焊锡经阀门23流向分配器9，最后将焊锡液分配给各个喷嘴10。此时，熔融焊锡以喷射流的形式喷出，在振动作用下被均匀切割成液滴，液滴在表面张力作用下成球22。熔融锡球22在成形柱15中下落过程中，与低温氮气发生热交换而凝固成焊锡球。最后，焊锡球在成形柱15下端收集，通过放料阀18放出。

实施例二：

制备成品焊锡球的工艺步骤包括：原料熔融、锡球成型、筛分、分选、检验、包装。按照实施例一所制备的焊锡球接着用滚筒筛筛选，剔除过大和过小的焊锡球，使焊锡球在允许公差范围内。将尺寸合格的焊锡球用振动台分选，可以将真圆度合格的焊锡球颗粒与畸形颗粒分离。所述的畸形颗粒包括扁颗粒、异形颗粒、连体颗粒。分选后的颗粒经检验合格，最后采用真空包装以防止氧化。

Claims (4)

1.制备焊锡球的装置，包括给料系统、液体分散机构、液滴固化成型系统，其特征在于，所述给料系统包括一个熔池(1)和一个位于熔池(1)下部的给料罐(24)，熔池(1)和给料罐(24)温控加热，熔池(1)与给料罐(24)之间有一个泄料阀(25)，熔池(1)和给料罐(24)的上端的气体管道经过分流阀(3)、充压阀(6)相连；熔池(1)与分流阀(3)之间有一装有放压阀(2)的支管，放压阀(2)与分流阀(3)之间有一装有排气阀(4)的支管，分流阀(3)与充压阀(6)之间有一装有进气阀(5)的支管，给料罐(24)与分配器(9)之间经过给料阀(23)通过管道连接。

2.如权利要求1所述的制备焊锡球的装置，其特征在于，所述液滴固化成型系统包括一个气体分布环(13)和一个与气体分布环(13)下端相连的成型柱(15)，所述的气体分布环(13)为中空的环形圆柱体，气体分布环(13)的空腔被一水平面分隔为上下两层，上下两层内壁分布有气孔，上下层的外壁分别与第一进气管(12)和第二出气管(21)相连，所述的成型柱(15)为双层夹套(16)，在成型柱(15)上部和下部都有气流导向环(14、17)，其结构为中空环形柱状，内侧分布有气孔，下部的气流导向环(17)与第二进气管(19)相连，上部的气流导向环(14)与第一出气管(20)相连，第一出气管(20)与第二出气管(21)相连通，所述成型柱(15)底端装有放料阀(18)。

3.如权利要求1或2所述的制备焊锡球的装置，其特征在于，所述液体分散机构包括波纹补偿器(11)和连杆(28)；波纹补偿器(11)分别与给料系统分配器(9)及所述液滴固化成型系统的气体分布环(13)密封连接，连杆(28)一端连接给料系统中分配器(9)，另一端连接信号接收器(8)。

4.如权利要求1所述的制备焊锡球的装置，其特征在于，所述给料系统中的泄料阀(25)为电磁阀，由置于给料罐(24)中的第一料位计(26)控制其开，由第二料位计(27)控制其关。

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