CN106312358A

CN106312358A - 一种自动切丝式钎焊球的制取设备及方法

Info

Publication number: CN106312358A
Application number: CN201610868652.6A
Authority: CN
Inventors: 闫焉服; 李涛; 王广欣; 高世军; 张绍琪; 陈新芳; 刘树英
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2017-01-11

Abstract

一种自动切丝式钎焊球的制取设备及方法，该设备包括自上而下依次设置的送丝机构、切丝机构、球化机构和收集机构，送丝机构包括送丝滚筒、送丝辊组、送丝动力电机和传动装置，切丝机构包括两个切丝齿轮、切丝动力电机和传动装置；利用该设备制取钎焊球的方法中，采用了固定切齿间距，保证了切丝长度的均匀性，从而精确控制钎焊球颗粒的大小和均匀性，利用同步送丝和切丝机构，并采用油熔和油冷的加工工艺，保证了产品的球化质量，具有结构和工艺简单、操作方便、精度高、产品优良成本低、等优点。

Description

一种自动切丝式钎焊球的制取设备及方法

技术领域

本发明涉及微电子用材料的加工设备技术领域，特别是一种自动切丝式钎焊球的制取设备及方法。

背景技术

进入21世纪以来，人类社会已全面迈入信息时代，以集成电路为核心的现代电子制造技术已成为衡量一个国家综合国力的重要标志。球栅阵列封装（Ball Grid Array，BGA）技术在近几年发展十分迅速，在现代微电子中应用十分广泛，在大规模集成电路中起至关重要的作用，而电子封装技术中钎焊球是关键材料。国外对钎焊球的研究比较成熟，已经可以生产各种规格的钎焊球，满足电子封装的需要，但国内研究很少，中国上海的蒋屹申请了专利《一种低银焊球的制造方法》(9511332.2)，该专利仅仅适用于大功率管散热片焊接的低银焊球的制造，且采用切丝烧结的方法生产；北京张道光申请了封装材料用的焊球制造方法（CN1355075A），该专利是通过线材的熔融，依靠重力脱落而生成焊球，该方法焊球大小难以精确控制，且焊球尺寸一般较大，不满足高密度组装技术的要求。这使我国钎焊球需求依赖进口，增加了我国电子产品的生产成本，严重制约着我国芯片制造业的发展。

发明内容

为弥补现有BGA焊球制备技术存在的空缺，本发明的目的在于提供一种自动切丝式钎焊球的制取设备及方法。本发明是采用一套同步送丝和切丝机构来精确控制切丝长度，从而控制钎焊球大小，然后经过球化成形制取钎焊球。本技术加工效率高，生产工艺简单，球化效果好，产品精度高。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种自动切丝式钎焊球的制取设备，包括自上而下依次设置的送丝机构、切丝机构、球化机构和收集机构，其特征在于：送丝机构包括送丝滚筒、送丝辊组、送丝动力电机和传动装置，送丝辊组设置在送丝滚筒的下方，每组送丝辊组包括两个送丝辊，在送丝辊的表面设有小于焊丝直径且供焊丝通过的沟槽，由送丝动力电机通过传动装置驱动送丝辊组中的送丝辊对向转动，使送丝辊上位置相对的沟槽对合以牵引并推动焊丝进入下方的切丝机构；所述的切丝机构包括两个切丝齿轮、切丝动力电机和传动装置，两个切丝齿轮相对于进入切丝机构的焊丝对称设置，由切丝动力电机通过传动装置驱动两个切丝齿轮对向转动，并在对向转动过程中，由两个切丝齿轮上的切丝齿咬合、张紧并切断进入两切丝齿轮之间的焊丝。

进一步的，所述送丝辊上的沟槽槽口宽度和焊丝的直径一致，深度为焊丝直径的20-40%。

进一步的，定义切丝齿轮上齿间距为L、焊丝直径为d、目标钎焊球直径为D，则齿间距与焊丝直径和目标钎焊球直径之间的关系为：L=2D³/3d²。

进一步的，所述送丝机构和切丝机构中的传动装置均是由主动齿轮和从动齿轮啮合组成，从动齿轮设置在送丝辊和切丝齿轮一端，主动齿轮分别与送丝动力电机和切丝动力电机连接，送丝动力电机和切丝动力电机均为同步电机。

进一步的，所述的球化机构包括设置在切丝机构正下方的加热冷却管，管内充满有机油，加热冷却管上端为漏斗形的入口槽，下端和收集机构连接，加热冷却管分为上部的加热熔化部分和下部的球化冷却部分，加热熔化部分的外周安装有两个距离可调的加热环，加热环与温度控制仪相连接，并且连接在温度控制仪上的热电偶的端部接在熔化部分的管体内，球化冷却部分设有上球阀和下球阀。

利用上述自动切丝式钎焊球的制取设备制取钎焊球的方法，包括如下步骤：

步骤一：选择直径为0.1~0.5mm的锡铅焊丝或无铅焊丝备用；

步骤二：操作温度控制仪，使加热环对加热冷却管中的有机油进行加热，使得有机油温度高于步骤一所选焊丝的熔点60~80℃；

步骤三：启动送丝动力电机和切丝动力电机，调整两电机转速，使得送丝辊和切丝齿轮的外缘具有同样的线速度；

步骤四：牵引步骤一所选的焊丝经送丝滚筒至送丝辊组，使焊丝和送丝辊上沟槽位置相对，在送丝辊的转动过程中，焊丝被牵引至沟槽内，并向切丝机构方向输送；

步骤五：焊丝在通过切丝机构中的两个切丝齿轮时，在切丝齿轮的转动过程中，由切丝齿轮上齿尖的配合牵引、压紧并切断焊丝，形成焊丝段；

步骤六：步骤五所得的焊丝段落入下方的球化机构，经加热、球化和冷却后形成钎焊球，并通过下球阀进入收集机构中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一，本发明提供的一种自动切丝式钎焊球的制取设备及方法，解决了目前国内在生产高密封装用钎焊球设备技术落后的问题，还解决了在生产时钎焊球大小难以精确控制，且难以生产尺寸较小焊球以及焊球综合质量不高的问题；本发明采用了固定切齿间距，保证了切丝长度的均匀性，从而精确控制钎焊球颗粒的大小和均匀性，切丝齿轮可更换，可生产不同规格的产品，利用同步送丝和切丝机构，并采用油熔和油冷的加工工艺，保证了产品的球化质量，具有结构和工艺简单、操作方便、精度高、产品优良成本低、等优点。

第二，本发明中的送丝辊表面设有小于焊丝直径的沟槽，这样一对送丝辊对向转动的过程中，一方面，可以通过沟槽精确引导焊丝呈直线进入切丝机构中，另一方面，由于沟槽深度小于焊丝的直径，这样相对的两沟槽在对合后可以对其中的焊丝起到夹持的作用，从而张紧焊丝。

第三，在制取过程中，送丝辊和切丝齿轮的外缘具有同样的线速度，这样就可以保证送丝和切丝的同步进行，使得送丝机构和切丝机构之间的焊丝段保持张紧，确保切丝的精度，并能够实现作业的连续性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中切丝原理图。

图中标记：1—送丝滚筒；2—送丝辊；3—切丝齿轮；4—机架；5—加热环；6—加热冷却管；7—上球阀；8—下球阀；9—线圈；10—从动齿轮；11—送丝动力电机；12—切丝动力电机；13—主动齿轮；14—温度控制仪；15—热电偶；16—收集槽；17—焊丝；18—键槽；19—切丝齿。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体的实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图所示，一种自动切丝式钎焊球的制取设备，主要由对焊丝17进行送给的送丝机构、对焊丝17进行剪料的切丝机构、对所切焊丝17进行熔化和球化冷却的球化机构以及收集机构组成；送丝机构下方设置有切丝机构，切丝机构下方设置有球化机构，球化机构的加热冷却管6管口位于切丝机构正下方，球化机构下方设置有收集机构。

所述的送丝机构由线圈9、送丝滚筒1、送丝辊2、从动齿轮10、主动齿轮13和送丝动力电机11组成；所述的线圈9下方设置有送丝滚筒1，所述的送丝滚筒1下方设置有送丝辊2；所述的送丝辊2右端通过传动轴与从动齿轮10连接，主动齿轮13与安装在送丝辊2右端的从动齿轮10通过齿轮副连接；所述的主动齿轮13右侧通过传动轴与送丝动力电机11连接；为保证焊丝17呈直线精确地送入切丝机构，送丝辊2表面设有沟槽，沟槽直径与焊丝17一致，深度为焊丝17直径的20-40%，最下端的送丝辊2直径小于5mm，且与切丝机构的咬合部分尽量靠近，最小距离不大于0.5mm。

所述的切丝机构由切丝齿轮3、从动齿轮10、主动齿轮13和切丝动力电机12组成，所述的切丝齿轮3通过传动轴与从动齿轮10连接；所述的从动齿轮10通过齿轮副与主动齿轮13连接；所述的主动齿轮13右侧通过传动轴与切丝动力电机12连接；所述的送丝动力电机11和切丝动力电机12为同步电机，在送丝切丝过程中同步运行；在两个切丝齿轮3对向转动的过程中，由切丝齿轮3上的切丝齿通过齿尖对齿尖将进入切丝机构的焊丝17切断，因此，切丝齿轮3是精确控制焊球大小的核心，为保证切丝断裂动作有效进行，在两切丝齿轮3的切丝齿齿尖相对时，两切丝齿间距应小于0.01mm；以同一齿轮的齿间距来控制焊丝长度，最终控制焊球大小，不同规格的钎焊球大小完全依赖焊丝直径和同一齿轮的齿间距，因此，定义切丝齿轮3的齿间距为L、焊丝直径为d、目标钎焊球的直径为D，三者之间的关系为：L=2D³/3d²；切丝齿轮3上设计有键槽18，可更换切丝齿轮3，切丝齿轮3的切丝齿具有咬合、张紧和切断的功能。

所述的球化机构由加热冷却管6、加热环5、热电偶15和温度控制仪14组成，所述球化机构设置于切丝齿轮3的正下方，所述加热冷却管6内充满有机油，加热冷却管6上端为漏斗形的入口槽，下端和收集机构连接，加热冷却管6分为钎料加热熔化和熔融钎料球化冷却两部分，加热冷却管6上部是钎料的加热熔化部分，加热熔化部分外围安装有两个加热环5，加热环5之间距离可调，加热环5通过耐高温线与所述温度控制仪14连接，连接在温度控制仪14上的热电偶15的端部接在熔化部分的管体内，在球化冷却部分分别设有上球阀7和下球阀8，上球阀7用于隔绝有机油，下球阀8用来卸料，所述球阀下方和收集机构连接，用来最终收集球化的钎焊球。

一种利用上述设备制取钎焊球的方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：选择直径为0.1~0.5mm的锡铅焊丝或无铅焊丝备用；

步骤二：操作温度控制仪14，使加热环5对加热冷却管6中的有机油进行加热，使得有机油温度高于步骤一所选焊丝的熔点60~80℃；

步骤三：启动送丝动力电机11和切丝动力电机12，调整两电机转速，使得送丝辊2和切丝齿轮3的外缘具有同样的线速度；

步骤四：牵引步骤一所选的焊丝17经送丝滚筒1至送丝辊组，使焊丝17和送丝辊2上沟槽位置相对，在送丝辊2的转动过程中，焊丝17被牵引至沟槽内，并向切丝机构方向输送；

步骤五：焊丝17在通过切丝机构中的两个切丝齿轮3时，在切丝齿轮3的转动过程中，由切丝齿轮3上齿尖的配合牵引、压紧并切断焊丝17，形成焊丝段；

步骤六：步骤五所得的焊丝段落入下方的球化机构，经加热、球化和冷却后形成钎焊球，并通过下球阀8进入收集机构中。

在上述步骤中，需要对制取设备进行固定：固定送丝滚筒1，并保证其在固定位置正常旋转，固定并调整送丝辊2，保证送丝辊2一侧的齿轮副正常啮合，固定并调整切丝齿轮3，保证两切丝齿轮3中处于切丝位置的切丝齿齿间距小于0.01mm，且切丝齿轮3一侧的齿轮副正常啮合，固定主动齿轮13，保证主动齿轮13与从动齿轮10正常啮合，固定球化机构和收集机构，保证加热冷却管6竖直。

实施例2

焊丝17选用锡铅焊丝，直径0.1mm，切丝齿轮3齿间距0.067mm，加热区温度控制在240~260℃，制取0.1mm直径钎焊球。

实施例3

焊丝17选用锡铅焊丝，直径0.3mm，切丝齿轮3齿间距0.2mm，加热区温度控制在240~260℃，制取0.3mm直径钎焊球。

实施例4

焊丝17选用锡铅焊丝，直径0.5mm，切丝齿轮3齿间距0.33mm，加热区温度控制在240~260℃，制取0.5mm直径钎焊球。

实施例5

焊丝17选用锡铅焊丝，直径0.5mm，切丝齿轮3齿间距0.58mm，加热区温度控制在240~260℃，制取0.6mm直径钎焊球。

实施例6

焊丝17选用锡铅焊丝，直径0.5mm，切丝齿轮3齿间距1.17mm，加热区温度控制在240~260℃，制取0.76mm直径钎焊球。

实施例7

其余与上述实施例相同，不同之处在于，焊丝17选用无铅焊丝，加热区温度控制在280~300℃。

采用上述技术方案，本发明的有益效果包括：送丝机构的设计，实现了送丝过程的自动化；定位装置和送丝辊2的设计，使焊丝17在固定方向上送进，且送丝平稳；切丝齿轮3的设计，实现了快速切丝，以齿间距控制切丝长度，使得切丝更精确，且可生产小直径焊球，可更换切丝齿轮3的结构设计，实现了不同规格焊球的生产；采用有机油作为球化剂，球化效果好；本发明解决了钎焊球设备技术落后的问题，解决了钎焊球生产过程中焊球大小难以控制的问题。

总而言之，本发明是采用一套同步送丝和切丝机构来精确控制切丝长度，从而控制钎焊球大小，然后经过球化成形制取钎焊球。本发明设备送丝平稳，切丝精确，可生产小直径以及不同规格钎焊球，加工效率高，生产工艺简单，球化效果好，产品精度高。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。

Claims

1.一种自动切丝式钎焊球的制取设备，包括自上而下依次设置的送丝机构、切丝机构、球化机构和收集机构，其特征在于：送丝机构包括送丝滚筒（1）、送丝辊组、送丝动力电机（11）和传动装置，送丝辊组设置在送丝滚筒（1）的下方，每组送丝辊组包括两个送丝辊（2），在送丝辊（2）的表面设有小于焊丝（17）直径且供焊丝（17）通过的沟槽，由送丝动力电机（11）通过传动装置驱动送丝辊组中的送丝辊（2）对向转动，使送丝辊（2）上位置相对的沟槽对合以牵引并推动焊丝（17）进入下方的切丝机构；所述的切丝机构包括两个切丝齿轮（3）、切丝动力电机（12）和传动装置，两个切丝齿轮（3）相对于进入切丝机构的焊丝（17）对称设置，由切丝动力电机（12）通过传动装置驱动两个切丝齿轮（3）对向转动，并在对向转动过程中，由两个切丝齿轮（3）上的切丝齿（19）咬合、张紧并切断进入两切丝齿轮（3）之间的焊丝（17）。

2.根据权利要求1所述的一种自动切丝式钎焊球的制取设备，其特征在于：所述送丝辊（2）上的沟槽槽口宽度和焊丝（17）的直径一致，深度为焊丝（17）直径的20-40%。

3.根据权利要求1所述的一种自动切丝式钎焊球的制取设备，其特征在于：定义切丝齿轮（3）上齿间距为L、焊丝（17）直径为d、目标钎焊球直径为D，则齿间距与焊丝（17）直径和目标钎焊球直径之间的关系为：L=2D³/3d²。

4.根据权利要求1所述的一种自动切丝式钎焊球的制取设备，其特征在于：所述送丝机构和切丝机构中的传动装置均是由主动齿轮（13）和从动齿轮（10）啮合组成，从动齿轮（10）设置在送丝辊（2）和切丝齿轮（3）一端，主动齿轮（13）分别与送丝动力电机（11）和切丝动力电机（12）连接，送丝动力电机（11）和切丝动力电机（12）均为同步电机。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种自动切丝式钎焊球的制取设备，其特征在于：所述的球化机构包括设置在切丝机构正下方的加热冷却管（6），管内充满有机油，加热冷却管（6）上端为漏斗形的入口槽，下端和收集机构连接，加热冷却管（6）分为上部的加热熔化部分和下部的球化冷却部分，加热熔化部分的外周安装有两个距离可调的加热环（5），加热环（5）与温度控制仪（14）相连接，并且连接在温度控制仪（14）上的热电偶（15）的端部接在加热熔化部分的管体内，球化冷却部分设有上球阀（7）和下球阀（8）。

6.利用权利要求5所述的一种自动切丝式钎焊球的制取设备制取钎焊球的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：选择直径为0.1~0.5mm的锡铅焊丝或无铅焊丝备用；

步骤二：操作温度控制仪（14），使加热环（5）对加热冷却管（6）中的有机油进行加热，使得有机油温度高于步骤一所选焊丝的熔点60~80℃；

步骤三：启动送丝动力电机（11）和切丝动力电机（12），调整两电机转速，使得送丝辊（2）和切丝齿轮（3）的外缘具有同样的线速度；

步骤四：牵引步骤一所选的焊丝（17）经送丝滚筒（1）至送丝辊组，使焊丝（17）和送丝辊（2）上沟槽位置相对，在送丝辊（2）的转动过程中，焊丝（17）被牵引至沟槽内，并向切丝机构方向输送；

步骤五：焊丝（17）在通过切丝机构中的两个切丝齿轮（3）时，在切丝齿轮（3）的转动过程中，由切丝齿轮（3）上齿尖的配合牵引、压紧并切断焊丝，形成焊丝段；

步骤六：步骤五所得的焊丝段落入下方的球化机构，经加热、球化和冷却后形成钎焊球，并通过下球阀（8）进入收集机构中。