CN106563810A - 高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺及装置，本发明通过控制制粉机罐体内的气旋运动轨迹的方法，将制粉机上盖制作成漏斗形，在制粉机内形成一个特定的空间，阻止焊锡粉向离心液滴层的上面飘散；将进气管设为对称两个，并与旋碟转动相同方向从侧面布置，进气管向下方倾斜5°，和运动的锡粉形成向下规则气旋；将旋碟表面制成凹陷曲面，曲面边缘处的剖面切线与上盖剖面斜线平行，使焊料离开旋碟后运动轨迹与上盖内壁保持平行，防止制粉室内发生紊乱气流，确保焊锡粉在成形过程中不发生碰撞，达到减少异形粉比例的目的，使得焊锡粉的质量得到明显的提高。

Description

高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺及其装置
技术领域
本发明涉及焊接材料技术领域，具体涉及高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺及装置。
背景技术
电子组装工艺经过几十年的发展，目前已进入高密度、小型化、高效率阶段。电子焊接工艺经历了从手工烙铁焊接，THT通孔波峰焊接，到SMT表面贴装回流焊接。电子焊接用钎料由最初的锡丝、锡条，发展到高精密焊锡膏。焊锡膏主要组成部分是各种金属成份的焊锡粉。
焊锡粉的制造工艺主要有三种：
1、气雾法，因锡粉质量差氧含量高且难以控制，现已很少使用。
2、离心雾化制粉，产量大，成本低，工艺容易控制，锡粉质量一般，是目前主要的锡粉制造工艺。通过改变参数可以制备各种粒径的焊锡粉。
3、超声波雾化，锡粉质量佳，主要用于要求较高的领域。但产能较低，成本高，只有离心雾化工艺的20%左右，并且由于超声雾化原理的限制，对于粒径为15μm以下的微细粉难以批量生产。
现有技术中，离心雾化的工艺是将高温熔融状态的焊料，从顶部锡炉经喷嘴流入高速转动的旋碟上，通过旋碟的离心力，将焊料液滴甩向充满N2气体的制粉室，并迅速冷却凝固，形面焊锡粉，掉入下方制粉机罐体收集。焊锡粉离心雾化生产过程中由于锡粉运动和外加N2的作用，在常规制粉设备的雾化室内很容易产生紊乱气流。雾化室内的空间布局、N2进气流的干扰、焊料离开旋碟的角度和方向，使焊料随紊乱的气流产生各种轨迹的运动，固体锡粉、焊锡液滴以及半熔融状态焊料颗粒发生碰撞，形成各种形态的异形粉。异形粉对锡膏的危害非常之大，造成锡膏印刷寿命缩短、良率下降、粘度升高、堵塞钢网、甚至失效。因此，离心雾化的异形粉偏多问题亟待解决。
发明内容
针对背景技术提出的不足，本发明研究设计了一种高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺及其装置，其目的在于：提供一种有效降低焊锡颗粒在分离和固化成型过程中的碰撞、提高离心雾化锡粉质量的高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺及其装置。
本发明的技术解决方案：
高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺，其特征在于：包括以下步骤：
a、将按比例配制好的焊料合金投入锡炉加热至熔点温度以上100-200℃（加热温度不大于800℃）熔化成液态焊锡并保温，用钢针堵塞喷嘴孔；
b、启动冷却水系统，使制粉机罐体内温度稳定在23℃～27℃；
c、开启N2进气管，制粉机罐体内压力设置为0.15 MPa～0.25MPa，保持正压防止空气进入；
d、当制粉机罐体内氧气含量低于90PPM时，启动高速电机，缓慢加速到25000～80000r/min；
e、打开喷嘴，拔出堵在喷嘴孔上的钢针，液态焊锡依靠自重从喷嘴流入高速旋转的旋碟中心，由于高速离心力作用，液态焊锡被迅速沿运动轨迹甩出，形成液体雾滴；
f、在N2保护气体中，步骤e中的液体雾滴冷却形成固体锡粉颗粒，固体锡粉颗粒随气旋向下运动，经制粉机罐体底部密闭管道通往筛分机；
g、固体锡粉颗粒经筛分机筛分检验合格后，包装成品。
所述步骤a中的合金为熔点低于500℃的锡基或铅基电子焊料金属合金。
高性能焊锡粉的离心雾化制粉装置，其特征在于：包括锡炉、制粉机罐体、制粉机上盖、高速电机、电机轴、旋碟、喷嘴、N2进气管，所述高速电机通过电机支架固定在制粉机罐体上，所述旋碟与电机轴螺纹连接，螺纹旋向与高速电机转动方向相反，旋碟上表面为凹陷曲面，凹陷曲面剖面边缘处的切线与制粉机上盖剖面内壁斜线平行，所述制粉机上盖固定于制粉机罐体上，制粉机上盖形状为漏斗形，所述锡炉固定在制粉机上盖外表面，所述喷嘴与锡炉底部相连通，所述喷嘴底部正对旋碟中心，所述N2进气管为两个，两个N2进气管对称安装在制粉机上盖侧面，N2进气管向下方倾斜并与水平面呈5°角。
所述制粉机罐体、制粉机上盖均设置有冷却夹层。
所述制粉机罐体通过密闭管道与筛分机相连通，保证制粉、筛分均处于N2气体保护环境下。
所述锡炉上设置有保温隔热装置。
所述喷嘴为不锈钢材质，喷嘴内孔及外表面均经过精密抛光。
所述高速电机最高转速为80000r/min，高速电机内通冷却润滑装置，并有温控及变频调速系统。
所述N2进气管上设置有自动压力检测和流量控制系统。
所述喷嘴与旋碟之间的垂直距离为2-5cm。
本发明的有益效果：本发明通过控制制粉机罐体内的气旋运动轨迹的方法，将制粉机上盖制作成漏斗形，在制粉机内形成一个特定的空间，阻止焊锡粉向离心液滴层的上面飘散；将进气管设为对称两个，并与旋碟转动相同方向从侧面布置，进气管向下方倾斜5°，和运动的锡粉形成向下规则气旋；将旋碟表面制成凹陷曲面，曲面边缘处的剖面切线与上盖剖面斜线平行，使焊料离开旋碟后运动轨迹与上盖内壁保持平行，防止制粉室内发生紊乱气流，确保焊锡粉在成形过程中不发生碰撞，达到减少异形粉比例的目的，使得焊锡粉的质量得到明显的提高。
附图说明
图1为现有普通焊锡粉离心雾化机的剖面结构示意图。
图2为现有普通焊锡粉离心雾化机的结构示意图。
图3为现有普通焊锡粉离心雾化机内旋碟的剖面结构示意图。
图4为本发明装置的剖面结构示意图。
图5为本发明装置的结构示意图。
图6为本发明装置的旋碟剖面结构示意图。
图7为现有普通离心制粉机产生的异形粉形貌扫描电子显微镜照片。
图8为现有普通离心制粉机生产的锡粉扫描电子显微镜照片。
图9为本发明装置及工艺生产的锡粉扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图4至图6所示，高性能焊锡粉的离心雾化制粉装置包括锡炉8、制粉机罐体1、制粉机上盖7-1、高速电机3、电机轴10、旋碟4-1、喷嘴5、N2进气管9-1，高速电机3通过电机支架2固定在制粉机罐体1上，旋碟4-1与电机轴10螺纹连接，螺纹旋向与高速电机3转动方向相反，旋碟4-1上表面为凹陷曲面，凹陷曲面剖面边缘处的切线与制粉机上盖7-1剖面内壁斜线平行，制粉机上盖7-1固定于制粉机罐体1上，制粉机上盖7-1形状为漏斗形，锡炉8固定在制粉机上盖7-1外表面，喷嘴5与锡炉8底部相连通，喷嘴5底部正对旋碟4-1中心，N2进气管9-1为两个，两个N2进气管9-1对称安装在制粉机上盖7-1侧面，N2进气管9-1向下方倾斜并与水平面呈5°角，制粉机罐体1、制粉机上盖7-1均设置有冷却夹层11，制粉机罐体1通过密闭管道12与筛分机相连通，保证制粉、筛分均处于N2气体保护环境下，锡炉8上设置有保温隔热装置，喷嘴5为不锈钢材质，喷嘴5内孔及外表面均经过精密抛光，高速电机3最高转速为80000r/min，高速电机3内通冷却润滑装置，并有温控及变频调速系统，N2进气管9-1上设置有自动压力检测和流量控制系统，喷嘴5与旋碟4-1之间的垂直距离为2-5cm。
如图1至图3所示，离心雾化的工艺是N2由进气管9进入制粉机罐体1内，高温熔融状态的焊料从顶部锡炉8经喷嘴5流入高速转动的旋碟4上，通过旋碟4的离心力，由于高速离心力作用，被迅速沿运动轨迹6甩出，形成液体雾滴；液体雾滴被甩向充满N2气体的制粉室，并迅速冷却凝固，形面焊锡粉，掉入下方制粉机罐体1内收集，焊锡粉离心雾化生产过程中由于锡粉运动和外加N2的作用，在常规制粉设备的雾化室内很容易产生紊乱气流。
工作过程：
将按比例配制好的焊料合金投入锡炉8加热熔化并保温，用钢针堵塞喷嘴孔；启动冷却水系统，使制粉机罐体1内温度稳定在25℃；开启N2进气管9-1，制粉机罐体1内压力产力设置为0.2MPa，保持正压防止空气进入；制粉机罐体1内氧气含量低于90PPM时，启动高速电机3，缓慢加速到25000r/min以上（据生产需求调整）；打开喷嘴5，拔出堵在喷嘴孔上的钢针，液态焊锡依靠自重从喷嘴5流入高速旋转的旋碟4-1中心，由于高速离心力作用，被迅速沿运动轨迹6-1甩出，形成液体雾滴；在N2保护气体中冷却形成固体锡粉颗粒；固体锡粉颗粒随气旋向下运动，经制粉机罐体1底部的密闭管道12通往筛分机，筛分检验合格后，包装成品。
对比实施例：
同时向常规制粉机和本发明的锡炉内各添加Sn96.5Ag3.0Cu0.5无铅焊料合金50kg，温度设定为320℃，并以钢针插入喷嘴孔；当温度达到设定值时，开启N2进气管，压力设定为0.15MPa；启动循环冷却水，温度设定为25℃；当温度稳定在设定值25±1℃，制粉室内氧气含量低于90PPM时，启动高速电机；用不低于5min从0r/min匀速加至15000r/min，持续运转5min，观察高速电机状况，高速电机温度不可超过80℃，运转无异响；再缓慢加速到30000r/min，空转5min，观察高速电机状况；拔下喷嘴上的钢针，液态焊料依靠自重从喷嘴流入高速旋转的旋碟中心，由于高速离心力作用，并被迅速沿运动轨迹5甩出，形成液体雾滴；在N2保护气体中冷却形成固体锡粉颗粒；固体锡粉颗粒随气旋向下运动，经罐体底部的密闭管道通往筛分机；筛分检验合格后，包装成品，制粉过程中制粉室内温度始终保持25±1℃，氧气含量小于90PPM。
按上述相同参数用两套制粉设备生产出Sn96.5Ag3.0Cu0.5-T4锡粉。未改造的常规制粉机因为制粉室内产生紊乱气流，各种焊料颗粒相互碰撞，产生了各种不良的异形粉，如图7、图8所示，异形粉所占比例较大，影响锡粉质量；如图9所示，改进后的制粉机，因制粉室内形成规则的螺旋向下气旋，焊料颗粒按甩出旋碟的先后秩序依次向下呈螺旋轨迹6-1运动，焊料颗粒间的碰撞减少，特别是与液态和半熔融状态颗粒的相互干扰得到控制，异形粉产生机率大幅降低。现有的常规制粉机与本发明装置的应用效果对比如表1所示，表中样品1为常用规制粉机所制锡粉、表中样品2为本发明装置及工艺所制锡粉。
表1 常规制粉机与本发明装置的应用效果对比
备注：1、锡粉粒径用激光粒度仪检测，只能对长条形、椭圆形锡粉分辩，大部分不规则粉在合格粒径范围内。
2、锡粉球形度测试，按照标准只测锡粉长短轴，尺寸比例小于1.2，因此只能对长条形、椭圆形锡粉判定为不合格。
3、不规则粉的检测国标没有规定，用扫描电镜照片上框选100颗锡粉，所有不规则粉占检测样品的比例。
4、锡粉氧含量使用脉冲加热、红外检测方式。
由图7～图9及表1中实验测试对比数据及可知，本发明装置及工艺制备的锡粉形貌、成品率、氧含量等各项指标均优于常规离心雾化锡粉生产装置制备的锡粉，本发明对于高精度电子组装焊接工艺中高品质锡粉的制造需求，具有重要的意义。

Claims (10)

1.高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺，其特征在于：包括以下步骤：
a、将按比例配制好的焊料合金投入锡炉加热至熔点温度以上100-200℃（加热温度不大于800℃）熔化成液态焊锡并保温，用钢针堵塞喷嘴孔；
b、启动冷却水系统，使制粉机罐体内温度稳定在23℃～27℃；
c、开启N2进气管，制粉机罐体内压力设置为0.15 MPa～0.25MPa，保持正压防止空气进入；
d、当制粉机罐体内氧气含量低于90PPM时，启动高速电机，缓慢加速到25000～80000r/min；
e、打开喷嘴，拔出堵在喷嘴孔上的钢针，液态焊锡依靠自重从喷嘴流入高速旋转的旋碟中心，由于高速离心力作用，液态焊锡被迅速沿运动轨迹甩出，形成液体雾滴；
f、在N2保护气体中，步骤e中的液体雾滴冷却形成固体锡粉颗粒，固体锡粉颗粒随气旋向下运动，经制粉机罐体底部密闭管道通往筛分机；
g、固体锡粉颗粒经筛分机筛分检验合格后，包装成品。
2.如权利要求1所述高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺，其特征在于：所述步骤a中的合金为熔点低于500℃的锡基或铅基电子焊料金属合金。
3.如权利要求1所述高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺的装置，其特征在于：包括锡炉、制粉机罐体、制粉机上盖、高速电机、电机轴、旋碟、喷嘴、N2进气管，所述高速电机通过电机支架固定在制粉机罐体上，所述旋碟与电机轴螺纹连接，螺纹旋向与高速电机转动方向相反，旋碟上表面为凹陷曲面，凹陷曲面剖面边缘处的切线与制粉机上盖剖面内壁斜线平行，所述制粉机上盖固定于制粉机罐体上，制粉机上盖形状为漏斗形，所述锡炉固定在制粉机上盖外表面，所述喷嘴与锡炉底部相连通，所述喷嘴底部正对旋碟中心，所述N2进气管为两个，两个N2进气管对称安装在制粉机上盖侧面，N2进气管向下方倾斜并与水平面呈5°角。
4.如权利要求3所述高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺的装置，其特征在于：制粉机罐体、制粉机上盖均设置有冷却夹层。
5.如权利要求3所述高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺的装置，其特征在于：所述制粉机罐体通过密闭管道与筛分机相连通，保证制粉、筛分均处于N2气体保护环境下。
6.如权利要求3所述高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺的装置，其特征在于：所述锡炉上设置有保温隔热装置。
7.如权利要求3所述高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺的装置，其特征在于：所述喷嘴为不锈钢材质，喷嘴内孔及外表面均经过精密抛光。
8.如权利要求3所述高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺的装置，其特征在于：所述高速电机最高转速为80000r/min，高速电机内通冷却润滑装置，并有温控及变频调速系统。
9.如权利要求3所述高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺的装置，其特征在于：所述N2进气管上设置有自动压力检测和流量控制系统。
10.如权利要求3所述高性能焊锡粉的离心雾化制粉工艺的装置，其特征在于：所述喷嘴与旋碟之间的垂直距离为2-5cm。
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