CN104525958A - 熔滴喷射制备焊球的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用熔滴喷射原理制备焊球的装置及方法。本发明其特征在于包括加热系统，焊球产生系统，气体供给系统，焊球收集系统，气压稳定系统，所述的加热系统通过焊球产生系统与焊球收集系统连接，所述的气压稳定系统与加热系统相连，所述的气体供给系统通过真空泵分别与气压稳定系统以及焊球收集系统连接，所述的焊球收集系统内设置冷却液。本发明特别适用于直径大于1mm焊球的制备，结构简单，操作方便，降低了生产成本，确保了生产的连续性和稳定性，并适合于不同熔点的焊锡材料，满足电子组装行业的技术要求。
Description
技术领域
本发明属于电子工业用焊锡球制备的技术领域，特别涉及一种利用熔滴喷射原理制备焊球的装置及方法。
背景技术
随着电子器件焊接多样化的趋势，焊锡球作为现代电子组装领域的关键材料，市场需求越来越大。国内外制备焊球的方法较多，普遍使用的技术主要有雾化法，切丝或打孔重熔法等，其中雾化法制备球状粒子的分散度较宽，凝固过程复杂不可控，组织多样无规律。切丝或打孔重熔法工序复杂、效率低，在实际应用中受到限制，尤其对于脆性含Bi合金无法加工。
为了解决制球的难题，目前对球状粒子制备技术的研究主要集中在均一液滴成型法(UDS)，利用射流断裂的原理，通过压电激振器产生的纵向均匀振动使金属射流断裂为均匀的液滴并迅速固化，实现颗粒在大小、形状和热力学条件等方面的完全均一化。根据施加扰动的不同，均匀液滴法又可分为机械振动法、压电振动法、电场雾化法。然而这些方法都存在设备庞大复杂、成本高等缺点，同时由于扰动频率限制，UDS制备的均匀焊球直径最小为50um，最大为1000um，难以满足直径大于1mm焊球的制备要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷，提供一种利用熔滴喷射原理制备焊球的装置及方法，降低了电子工业用焊锡球喷射装置的成本，简化了整体结构，且适用于制备大尺寸焊球(直径大于1mm)。
为此本发明采取如下的技术方案：熔滴喷射制备焊球的装置，其特征在 于包括加热系统，焊球产生系统，气体供给系统，焊球收集系统，气压稳定系统，所述的加热系统通过焊球产生系统与焊球收集系统连接，所述的气压稳定系统与加热系统相连，所述的气体供给系统通过真空泵分别与气压稳定系统以及焊球收集系统连接，所述的焊球收集系统内设置冷却液。
利用上述的装置来制备焊球，先在加热系统中通入惰性气体进行保护，加热焊料至熔融状态，根据制备焊锡球的直径选择合适的喷嘴孔径，在一定温度和压差下，使熔融焊料通过喷嘴10的小孔射出，降落到冷却液14凝固系统形成焊球，取出清洗干燥并保存。通过调节焊球收集系统与气压稳定系统之间的压差控制焊球的喷射速度。控制液态焊料从喷嘴孔口均匀喷射，落入装有冷却液的容器中冷却凝固形成焊球。此装置可用于低熔点(小于400℃)金属及合金均匀焊锡球的制备。
加州大学Orme等人的研究表明，无外加扰动下射流存在一微小的固有扰动，可以引起金属射流断裂。本装置是在优化喷嘴的基础上去除了熔滴产生的扰动装置，利用微小熔滴的表面张力，喷射的液柱在喷嘴孔口处形成圆形小熔滴。喷嘴的材料和设计是焊锡球形成的关键因素，如果喷嘴孔口周围被液态焊料湿润，在表面张力的作用下，射出的熔滴将断裂较慢；若喷嘴孔口浸润不对称，喷射熔滴将会偏转。
本装置喷嘴材料选择与焊料不润湿的钻石材质，喷嘴形状为缩颈形。当流经缩径处的液态焊料被强迫缩径，根据拉普拉斯定理，缩径处曲率半径越小的地方，由表面张力产生的附加压力就越大，就加剧了熔滴的分离，更易形成尺寸均匀的焊料熔滴。另外牛顿冷却定律可以估算出直径为1.5mm的焊料熔滴在空气中完全凝固需要容器的高度达数十米，因此必须借助冷却液对熔滴进行冷却，由于硅油具有耐高低温、导热快、抗氧化、闪点高、挥发性小、绝缘性好、表面张力小、对金属无腐蚀、无毒等优点，且粘度大可以降 低熔滴下落的速度，这里选用硅油作为冷却液介质。
本发明特别适用于直径大于1mm焊球的制备，结构简单，操作方便，降低了生产成本，确保了生产的连续性和稳定性，并适合于不同熔点(小于400℃)的焊锡材料，满足电子组装行业的技术要求。
附图说明
图1为一种制备焊锡球的装置，
图2焊球生成系统中喷嘴的结构示意图
图3为喷嘴下部的熔滴形成示意图。
图中：1-加热系统，2-焊球产生系统，3-气体供给系统，4-焊球收集系统，5-气压稳定系统，6-真空泵，7-不锈钢坩埚，8-电热丝，9-顶盖，10-喷嘴，11-热电偶，12-压力表1，13-观察窗，14-冷却液，15-升降台，16截止阀，17-压力表2,18-照明灯。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本实施方式。
如图1-3所示，本发明熔滴喷射制备焊球的装置包括加热系统1，焊球产生系统2，气体供给系统3，焊球收集系统4，气压稳定系统5。
加热系统由不锈钢坩埚7、电热丝8、顶盖9、喷嘴10和热电偶11组成。不锈钢坩埚外侧固定有1000W加热丝8并设置保温棉，坩埚7侧面设有气流入口，坩埚底部与焊球收集系统4顶部紧固并密封，坩埚中心底部设置喷嘴10，喷嘴10通过螺纹固定在坩埚7上。顶盖9通过紧固螺钉固定在不锈钢坩埚7顶部。热电偶11设置在焊料熔池底部喷嘴10上方。
焊球产生系统2包括喷嘴，喷嘴呈颈缩形，喷嘴选用的材质与焊料不润湿，优选为砖石材质。
焊球收集系统包括压力表12，观察窗13、照明灯18和冷却液14，冷却液14优选为硅油。冷却液的下部还设置升降台，升降冷却液的高度。
气压稳定系统5与焊料加热系统1相连，控制坩埚7熔池气压的稳定性。气体供给系统包括真空泵6和气瓶3，真空泵调节气压稳定系统5和焊球收集系统4的气压。气压稳定系统5与焊球收集系统4外设有截止阀16。气压稳定系统5上也安装气压表17。
本发明的制备过程包括如下四个步骤：准备过程，抽真空及加热过程，均匀液滴的产生过程，合金颗粒的收集、清洗过程。
以制备1.50mm的Sn3.0Ag0.5Cu焊锡球(熔点为217℃)为例，具体为称取1kg Sn3.0Ag0.5Cu固体焊料放入坩埚7中，紧固并密封顶盖9；将液滴产生系统接入坩埚7中心底部并紧固，其中选取喷嘴10的直径为0.5mm；将整个气路系统抽真空至10Pa时关闭手动截止阀16和真空泵6；然后充入惰性气体氮气至压力表为1.05大气压，再次抽真空至10Pa，重复抽气、充气过程2-3次使腔室氮气浓度接近实验中所用的工业级氮气的水平；开启加热系统1，自动温控加热至360℃并稳定30分钟，调节压力表12和17确定喷射压力差为10kPa，调节升降台15使喷嘴10与冷却液14的距离为10cm，通过观察窗13实时监控熔滴的产生，控制喷射焊球速度在100-200个/min，喷射完成后在硅油冷却液14中收集，取出焊球清洗，干燥，保存。加热过程中注意将坩埚7保持负压以免焊料自重和坩埚内气体由于加热膨胀导致熔融金属提前被压出。
本发明在无外加扰动下，通过优化喷嘴结构设计，利用熔滴的表面张力，喷射制备大直径(大于1mm)的焊锡球，压差稳定系统保证了生产的连续性和稳定性，并适合于不同熔点(小于400℃)的焊锡材料，满足电子组装行业的技术要求。
Claims (8)
1.熔滴喷射制备焊球的装置，其特征在于包括加热系统(1)，焊球产生系统(2)，气体供给系统，焊球收集系统(4)，气压稳定系统5，所述的加热系统(2)通过焊球产生系统(2)与焊球收集系统(4)连接，所述的气压稳定系统(5)与加热系统(4)相连，所述的气体供给系统通过真空泵(6)分别与气压稳定系统(5)以及焊球收集系统(4)连接，所述的焊球收集系统(4)内设置冷却液(14)。
2.根据权利要求1所述的熔滴喷射制备焊球的装置，其特征在于所述焊球产生系统(2)包括喷嘴，所述的喷嘴呈颈缩形，喷嘴选用的材质与焊料不润湿。
3.根据权利要求2所述的熔滴喷射制备焊球的装置，其特征在于所述的加热系统由不锈钢坩埚(7)、电热丝(8)、顶盖(9)、热电偶(11)组成，所述不锈钢坩埚外侧固定有加热丝(8)并设置保温棉，坩埚中心底部设置喷嘴(10)，所述的热电偶(11)设置在焊料熔池底部喷嘴(10)上方。
4.根据权利要求3所述的熔滴喷射制备焊球的装置，其特征在于所述焊球收集系统包括压力表(12)，观察窗(13)、照明灯(18)，所述的冷却液(14)为硅油。
5.根据权利要求4所述的熔滴喷射制备焊球的装置，其特征在于所述焊球收集系统内还设置升降台(15)，升降冷却液的高度。
6.根据权利要求5所述的熔滴喷射制备焊球的装置，其特征在于所述气压稳定系统(5)与焊球收集系统(4)外设有截止阀(16)。
7.一种熔滴喷射制备焊球的方法，其特征是采用权利要求1-6任一所述的装置来制备焊球，先在加热系统(1)中通入惰性气体进行保护，加热焊料至熔融状态，根据制备焊锡球的直径选择合适的喷嘴孔径，在一定温度和压差下，使熔融焊料通过喷嘴(10)的小孔射出，降落到冷却液(14)凝固系统形成焊球，取出清洗干燥并保存。
8.根据权利要求7所述的熔滴喷射制备焊球的方法，其特征在于通过调节焊球收集系统(4)与气压稳定系统(5)之间的压差控制焊球的喷射速度。
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