CN102009180A - 脉冲小孔侧部喷射制备均一粒子的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脉冲小孔侧部喷射制备均一粒子的方法及装置，在熔池内外惰性气体存在压力差的条件下，通过加热器将原料加热至熔融状态，利用压电陶瓷在脉冲驱动信号的激励下产生向带孔坩埚侧的位移，并由传动杆及压片传递给融体，使一定量的微小融体通过坩埚侧部的不同尺寸的小孔射出，继而以不同的初速度作类平抛运动，在降落过程中产生不同的水平位移，从而在底部分层获得不同粒径的均一粒子。利用所述方法及装置制备出的粒子大小一致、组织成分均一、粒径可控、圆球度高，并且适合于熔点较低的各种材料，可以满足生产的连续性和稳定性；尤其是实现底部自动分层的目的，生产效率得到极大提高，完全满足现代微电子封装行业的要求和发展。

Description

脉冲小孔侧部喷射制备均一粒子的方法及装置

技术领域

本发明属于球形微粒子制备的技术领域，特别涉及一种利用小孔侧部喷射实现底部分层制备均一粒子的方法。

背景技术

对于使用低熔点材料制备的均一粒子，目前应用最广的就是用于电子封装领域的锡球粒子。近年来，随着电子器件向轻小化、集成化的方向发展，对微电子封装业的精密程度和多领域化提出了更高的要求，多组元高精度锡球成为现代微电子封装领域的关键材料，因此对锡球的组分和精度要求日趋严格。而目前我国微电子封装厂使用的锡球大多从国外进口，与我国庞大的封装产业形成了鲜明的反差，锡球供需量严重不足，市场缺口巨大，直接导致了我国在先进封装领域始终处于受制于人的被动局面，因此建立拥有自主知识产权的精密锡球制造技术具有十分重要的意义。

目前国内外用于电子封装的锡球的生产方法主要有：

(1)雾化法：主要包括包括离心雾化法和气雾化法两类，主要原理是将液态锡用高速气流雾化、粉碎、形成微细液滴，经冷却、凝固，形成锡球。但雾化法制备锡球的分散度较宽，必须通过多次筛分及检测才能得到能够满足使用要求的颗粒。

(2)切丝或打孔重熔法：首先要将材料加工成线或箔，剪切机械将之裁切成均匀的小段或圆片。将分段浸入适当温度的热油使之熔化、凝固成为球形颗粒，经过筛分、清洗、检验从而得到满足要求的BGA锡球。但该方法对于小粒径的锡球或塑性加工不好的材料比较困难，此外还必须将制得的锡球进行脱脂处理。

(3)均一液滴成型法：主要采用对液态锡的射流施加特定频率的扰动，使射流在扰动作用下断裂为均匀的液滴，液滴凝固后即为所需的锡球。该方法在制造锡球时精度不稳定，必须进行多次筛分才能满足要求。

在众多制备低熔点均一粒子锡球的方法中，雾化法、切丝打孔重熔法、均一液滴成型法均属于较传统的方法，应用比较广泛，但是需要通过多次筛分及检测才能满足使用要求，不能节约人力物力，并且制备的粒子尺寸均一性差，不适应近年来高精度锡球行业的发展。因此，能够稳定、连续制备出组织成分均一、大小一致、圆球度高的锡球，是世界各国竞相追逐的热点和难点。本发明利用侧部喷射初速度不同，从而实现底部分层，生产效率更高，利于产业化发展。已知申请号为CN200510130406.2的专利，目的是研发一种振动喷射式设备来制备高密封装用钎焊球，但该专利存在精密度不够，不能保证粒子大小一致的问题，同时也不能实现底部分层的批量生产目标。

发明内容

鉴于现有技术所存在的上述问题，本发明旨在利用脉冲小孔侧部喷射法，实现在一次喷粒过程中获得不同粒度的粒子，且分别制备出的粒子的粒径均一。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种脉冲小孔侧部喷射制备均一粒子的装置，其特征在于：

它包括可分别开启的密封的真空室和回收仓；回收仓固定放置于真空室的下面；

所述真空室的壳体上设置真空泵和供气管I，真空室内设置有粒子喷射装置和用以支撑所述粒子喷射装置的支架；所述粒子喷射装置包括：

装有加热器的熔池，其上还安装有供气管II，接通到真空室外；

带孔坩埚，其一侧壁上设有一个以上孔径不同的喷射孔，对侧壁上固定有压片，所述压片通过水平设置并仅可沿其轴向产生水平位移的传动杆连接压电陶瓷；所述带孔坩埚位于所述熔池下方并以连通管相互连通；

所述回收仓内设置了与所述喷射孔数量一致的降落管和与所述降落管一一对应并密封连通的回收室；

所述降落管贯通回收仓的上顶和真空室的底部，并对应所述不同孔径的喷射孔喷射出的不同粒度的粒子的下落位置设置；

所述带孔坩埚、喷射孔及降落管的材质的熔点均高于所制备粒子的材质的熔点，并且与所制备粒子的材质的润湿角均大于90°。

进一步的，所述加热器为环形加热器，固定安装于所述熔池的外围。

进一步的，所述降落管为石英降落管。

采用上述的装置制备均一粒子的方法，包括下述步骤：

(1)整个装置包括真空室和回收仓抽高真空后，通过供气管I通入惰性气体，达到0.1Mpa；

(2)在惰性气体保护下，通过加热器将熔池中的原料加热至熔融状态；

(3)继而通过供气管II继续向熔池中通入惰性气体，在熔池内的惰性气体压力大于所述装置熔池外的空间的惰性气体压力2-10kPa的条件下，所述熔融态原料经连通管充满位于其下的带孔坩埚；

(4)利用压电陶瓷在脉冲驱动信号的激励下产生指向所述坩埚侧的的位移，并经由传动杆及压片传递给坩埚中的熔融态原料，而使一定量的熔融态原料经坩埚侧面的孔径不同的喷射孔射出不同粒度的熔融态粒子；

(5)所述熔融态粒子在作类平抛运动过程中，对应其不同的水平位移落入相应的降落管中，并在继续下降的过程中最终凝固后落入各自对应的回收室中加以回收。

进一步的，所述步骤(1)中的高真空度为0.001-0.01Pa以下。

所述惰性气体为氩气。

所述熔池中原料的加入量占熔池容积的50-70％。

本发明利用熔池内外惰性气体存在的压力差，通过加热器将原料加热至熔融状态后，利用压电陶瓷在脉冲驱动信号的激励下产生向带孔坩埚侧的位移，并由传动杆及压片传递给坩埚内的融体，从而使一定量的微小液体通过坩埚左部的不同尺寸的小孔射出，射出的液体由于孔径尺寸不同，在类平抛过程中水平初速度不同，而在降落过程中产生不同的水平位移，从而在底部分层接收不同尺寸的均一粒子。

根据相关运动学和动力学原理，有如下的计算及推导：

不同尺寸的小孔的初始喷射速度可以简单用下列方式推算出：

假设大孔的孔径为500μm，小孔的孔径为300μm，连通管的孔径为200μm。则喷射式在这三个孔径处，都会形成液态球冠，假设球冠高度相同，根据球冠体积公式

V＝πh²(R-h/3)

可知这三个孔径处球冠的体积比粗略为5∶3∶2，则喷射初速度大约与球冠体积成反比，即为6∶10∶15。由此可大略估算出喷射大孔和小孔的喷射初速度。

之后降落的熔融态粒子做类平抛运动：

雾化气体与液滴之间的速度差别导致液滴加速或减速，液滴的速度可由牛顿第二定律求得：

$\mathrm{mg}-\mathrm{kv}=m\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}},$

其中k为比例系数，表示为

C-气体阻力系数，

-迎风面积。

粒子下降过程中温度随时间变化的的情况可用下列公式来表示，公式等号左侧表示热量随时间的变化，公式右侧第一项为对流换热，第二项为辐射换热

其中，

C_d，1——液滴热熔；T_d——液滴温度；h——换热系数；ρ_d——液滴密度；d_d——液滴直径；T_g——气体温度；ε——辐射系数1；σ——斯蒂芬-波尔兹曼常数；T_w——环境温度。

换热系数h可以由以下公式求出：

$h=\frac{k_g}{d_d}(2.0+0.6R{e}^{1/2}{\mathrm{Pr}}^{1/3})$

式中，k_g——气体热导率；R_e——雷诺数；P_r——普朗特数，分别用下列两个式子来表示：

R_e＝ρ_g·d_d|V_d-V_g|/μ_g

P_r＝C_gμ_g/k_g

其中，ρ_g-氩气的密度；Vd——液滴降落速率；Vg——气体流动速度；μg——气体粘滞系数。

由上述这些公式可以进一步推导出液滴降落过程中温度随时间的变化规律；进而确定降落管的布置。

本发明的显著效果表现为：将脉冲小孔法与材料制备紧密结合起来，利用外部脉冲电压、压电陶瓷的震动以及小孔孔径控制粒子尺寸，通过控制凝固时间及在表面张力和重力作用下形成高精度粒子，这种方法制备出的粒子大小一致、组织成分均一、粒径可控、圆球度高，并且适合于熔点较低的各种材料，可以满足生产的连续性和稳定性。同时采用侧部喷射，由于坩埚侧部孔径大小不同，在同等条件的挤压和振动下，相对于大孔来说，小孔的水平喷射初速度较大，整个过程水平位移较大，从而实现底部自动分层的目的，生产效率得到极大提高，完全满足现代微电子封装行业的要求和发展。

附图说明

图1为本发明所述装置的实施例的结构示意图。图中，

1.供气管II 3.右侧盖4.环形加热器5.熔池6.上支架7.压电陶瓷8.传动杆9.压片10.下支架11.支架12.回收仓13.内腔14.右石英降落管15.密封圈16.右回收室17.500μm的均一粒子18.300μm的均一粒子19.左回收室20.左石英降落管21.左侧门22.真空室23.带孔坩埚24.大喷射孔25.大长条融滴26.小长条融滴27.小喷射孔28.连通管29.融体30.供气管I 31.机械泵32.扩散泵。

具体实施方案

现结合附图对本发明作进一步的具体描述。

本发明的工作原理是在惰性气体Ar气在熔池内外存在压力差的条件下，通过加热器将原料加热至熔融状态后，利用压电陶瓷在脉冲驱动信号的激励下产生向一侧的水平位移，并由传动杆及压片传递给带孔坩埚内的熔融态的原料，从而使一定量的微小熔融态的原料通过坩埚一侧的不同尺寸的小孔射出，射出的熔融态的原料由于小孔尺寸不同，在类平抛过程中水平初速度不同，进而在降落过程中产生不同的水平位移，从而在底部分层接收到粒径不同的均一粒子。

以制备粒径分别为500μm和300μm均一锡球粒子为例，所述脉冲小孔侧部喷射制备均一粒子的装置，如图1所示，它包括上部的真空室22和下部的回收仓12；真空室22固定放置在回收仓12之上；

真空室22设有右侧盖3，机械泵31、扩散泵32、以及供气管30分别安装在所述真空室22的上部和左侧部；真空室22内装有均一粒子的喷射装置，主要由熔池5、压电陶瓷7、传动杆8、压片9、左侧分别带有对应制备粒径为500μm和300μm的大喷射孔24和小喷射孔27的带孔坩埚23组成；其中，熔池5固定安装在支架11上，支架11和真空室22的底部焊牢；熔池5的上部接有供气管II 1，熔池5的外侧固定装有环形加热器4；熔池5和带孔坩埚23通过连通管28相连，使得带孔坩埚23内融体29保持填满状态；在带孔坩埚23右侧通过压铁固定安装有压片9和传动杆8，传动杆8通过上支架6和下支架10固定，使其只能沿其轴向在水平方向产生位移，压电陶瓷7固定在传动杆8的另一端；

回收仓12设有左侧门21；其内设有由悬挂的左石英降落管20、右石英降落管14和底部的左回收室19、右回收室16；左石英降落管20、右石英降落管14固定安装并连通于真空室22的底部，保证喷射的粒径为300μm和500μm的粒子正好分别进左右两个石英降落管中；左石英降落管20、右石英降落管14通过密封圈15分别密封连通入左回收室19、右回收室16中；左回收室19、右回收室16分别用于收集最终制备的300μm的均一粒子18和500μm的均一粒子17。

该装置的带孔坩埚23左侧的大喷射孔24和小喷射孔27尺寸不等，从而相同压力下压出的液体初速度不同，故而可分别通过右石英降落管14和左石英降落管20降落凝固在右回收室16和左回收室19中；同时带孔坩埚23、大喷射孔24和小喷射孔27的材料应为与所述低熔点原料润湿性低的材料，且其熔点应均高于所述原料的熔点。

具体制备过程如下：

首先将锡料放入熔池5中，锡料的装入量为熔池5容积的50％，关闭侧盖3；将直径尺寸分别为500μm和300μm的大喷射孔24和小喷射孔27分别安置到带孔坩埚23左侧下孔和上孔中；

抽取真空：先用机械泵31将熔池5、真空室22、左石英降落管20、右石英降落管14以及左回收室19、右回收室16抽到低真空5Pa，再用扩散泵32将熔池5、真空室22、左石英降落管20、右石英降落管14以及左回收室19、右回收室16抽到高真空0.001以下；然后通过供气管I 30通入惰性气体Ar，使得熔池5、真空室22、左石英降落管20、右石英降落管14以及左回收室19、右回收室16达到0.1Mpa，先后关闭扩散泵32、机械泵31；

熔化锡料：设置环形加热器4的功率为300w、加热温度为300℃，接通环形加热器4为熔池5内的锡料加热，使预先放置好的锡料熔化为融体29；

继而通过供气管II 1向熔池5中继续通入惰性气体气体Ar，在熔池5内外的Ar气气压差达到2kPa时，熔池内的熔体29通过连通管28填满带孔坩埚23；

将外部脉冲驱动信号施加给压电陶瓷7，在脉冲信号激励作用下，压电陶瓷7产生向左位移1μm，由传动杆8及压片9传递给带孔坩埚23中的融体29，从而使得微小融体分别通过带孔坩埚23左部对应形成300μm和500μm锡球粒子的小喷射孔27和大喷射孔24射出；射出的小长条融滴26和大长条融滴25在随后的类平抛运动过程中分别落入左石英降落管20和右石英降落管14，并在降落过程中凝固成300μm和500μm的锡球粒子后，分别降落到左回收室19和右回收室16中；同时压片9和传动杆8旋即恢复成初始态，带孔坩埚23与熔池5通过连通管28相连构成连通器，每次射球结束后通过连通管28补充新的融体29，以保证液面恢复原状；连续发射脉冲制备300μm均一粒子18和500μm均一粒子17；

最后，关闭环形加热器4，待温度降至室温，打开回收仓12的左侧门21，分别出左回收室19和右回收室16，得到300μm的均一粒子18和500μm的均一粒子17，从而实现了不同尺寸的粒子分层的效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种脉冲小孔侧部喷射制备均一粒子的装置，其特征在于：

它包括可分别开启的密封的真空室和回收仓；回收仓固定放置于真空室的下面；

所述真空室的壳体上设置真空泵和供气管I，真空室内设置有粒子喷射装置和用以支撑所述粒子喷射装置的支架；所述粒子喷射装置包括：

装有加热器的熔池，其上还安装有供气管II，接通到真空室外；

带孔坩埚，其一侧壁上设有一个以上孔径不同的喷射孔，对侧壁上固定有压片，所述压片通过水平设置并仅可沿其轴向产生水平位移的传动杆连接压电陶瓷；所述带孔坩埚位于所述熔池下方并以连通管相互连通；

所述回收仓内设置了与所述喷射孔数量一致的降落管和与所述降落管一一对应并密封连通的回收室；

所述降落管贯通回收仓的上顶和真空室的底部，并对应所述不同孔径的喷射孔喷射出的不同粒度的粒子的下落位置设置；

所述带孔坩埚、喷射孔及降落管的材质的熔点均高于所制备粒子的材质熔点，并且与所制备粒子的材质的润湿角均大于90°。

2.根据权利要求1所述的脉冲小孔侧部喷射制备均一粒子的装置，其特征在于：

所述加热器为环形加热器，固定安装于所述熔池的外围。

3.根据权利要求1或2所述的脉冲小孔侧部喷射制备均一粒子的装置，其特征在于：

所述降落管为石英降落管。

4.一种采用如权利要求1所述的装置制备均一粒子的方法，包括下述步骤：

(1)整个装置包括真空室和回收仓抽高真空后，通过供气管I通入惰性气体，达到0.1Mpa；

(2)在惰性气体保护下，通过加热器将熔池中的原料加热至熔融状态；

(3)继而通过供气管II继续向熔池中通入惰性气体，在熔池内的惰性气体压力大于所述装置熔池外的空间的惰性气体压力2-10kPa的条件下，所述熔融态原料经连通管充满位于其下的带孔坩埚；

(4)利用压电陶瓷在脉冲驱动信号的激励下产生指向所述坩埚侧的的位移，并经由传动杆及压片传递给坩埚中的熔体，而使一定量的熔体经坩埚侧面的孔径不同的喷射孔射出不同粒度的熔融态粒子；

(5)所述熔融态粒子在作类平抛运动过程中，对应其不同的水平位移落入相应的降落管中，并在继续下降的过程中最终凝固后落入各自对应的回收室中加以回收。

5.根据权利要求4所述的制备均一粒子的方法，其特征在于：

所述步骤(1)中的高真空度为0.001-0.01Pa以下。

6.根据权利要求4所述的制备均一粒子的方法，其特征在于：

所述惰性气体为氩气。

7.根据权利要求4、5或6所述任一制备均一粒子的方法，其特征在于：

所述熔池中原料的加入量占熔池容积的50-70％。

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