CN111558724A - 一种基于射流不稳定原理的bga锡球制备装置及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备装置及制备工艺。本发明采用射流断裂法，使熔融的金属通过喷嘴产生金属射流，控制流速使射流保持层流状态，以一定频率的机械振动作用于射流，当振动频率、振幅与喷嘴直径等工艺参数相匹配时，射流会断裂为均匀的金属液滴。本发明步骤简单，易于实现自动控制，流程短，生产成本很低，获得的金属颗粒尺寸均匀，真球度高，是最有发展前景的精密焊球产业化制备方法。
Description
技术领域
本发明属于集成电路封装材料制备技术领域，涉及一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备装置及制备工艺。
背景技术
大数据、人工智能的发展带动了集成电路的发展。而封装技术也日新月异。电子封装技术是集成电路产业的三大核心之一，其中BGA封装成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引脚封装的最佳选择，BGA焊球是BGA封装的重要材料。目前国内外对BGA焊球的生产设备研究较多的有雾化法、切丝重熔法和激振喷射法。雾化法是传统粉体的制备技术，利用雾化介质的动能分散金属液流，使之成为金属液滴的办法。虽然雾化法生产率高，但雾化工艺特性决定了其生产的粉末或颗粒的尺寸分布范围非常宽，且形貌很难保证是严格的几何球体，所以筛选过程复杂，产品成品率非常低。切丝一重熔法主要优点是生产工艺可控性好，产品的成品率高。但生产工序繁多，所需设备投资大，并且在多次加工的过程中容易引进各种杂质，对于含Bi等较脆焊料不易加工成丝或箔材。此外由于CSP封装用焊球的直径更小，所用机械设备需要加工精度高，实现困难。射流断裂法是在压力作用下，使熔融的金属通过喷嘴产生金属射流，控制流速使射流保持层流状态，以一定频率的机械振动作用于射流，当振动频率、振幅与喷嘴直径等工艺参数相匹配时，射流会断裂为均匀的金属液滴。该工艺过程简单，易于实现自动控制，流程短，生产成本很低，获得的金属颗粒尺寸均匀，是目前最具发展前景的精密焊球制备方法。
发明内容
鉴于现有技术中所存在的问题，本发明公开了一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备装置，采用的技术方案是，包括坩埚，所述坩埚底部打孔并通过法兰铆接有冷凝管，所述冷凝管下端开口处设置有球阀，所述冷凝管侧壁通过气管连通连接有高纯氮气供气瓶，所述坩埚上安装有激振器。
作为本发明的一种优选方案，所述坩埚直径为80-100mm,高度为100-120mm,所述坩埚底部开孔直径为0.2-0.4mm，所述冷凝管长度为3000-8000mm。
作为本发明的一种优选方案，所述激振器选用无极调频电机，振动频率不大于20000HZ。
作为本发明的一种优选方案，所述坩埚及所述冷凝管选用不锈钢材质。
一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备工艺，具体步骤为：
步骤一：设定BGA球制备参数并计算各参数之间的关系，包括设定目标球直径，计算钎料熔融温度，压力，射流速度，挠动频率之间的关系；
步骤二：原材料烘干，对原材料进行清洗并用热风枪风干，风干后的材料再放入真空干燥箱干燥30min，将干燥后的材料放入所述坩埚中备用；
步骤三：对所述坩埚及所述冷凝管进行预热，将所述坩埚预热温度设定为280度，所述冷凝管自上而下等长分三段预热，第一段预热温度为200度，第二段为100度，第三段为常温，同时通过所述高纯氮气供气瓶向所述冷凝管中充入高纯氮气；
步骤四：将冷却收集后的焊球进行抛光、筛分处理，抛光采用行星式抛光机，抛光时间为120min，采用BGA网筛进行球度筛分。
作为本发明的一种优选方案，步骤一中所述的目标球直径为0.1mm-0.6mm。
作为本发明的一种优选方案，步骤二中选用丙酮溶液和工业用无水乙醇试剂对原材料进行超声清洗，超声清洗时间20min，真空干燥箱干燥温度为100度。
作为本发明的一种优选方案，步骤三中通过温控仪和加热环对所述冷凝管进行预热及温度控制。
作为本发明的一种优选方案，步骤四中抛光机的转速设定为200转/分。
本发明的有益效果：本发明采用射流断裂法，使熔融的金属通过喷嘴产生金属射流，控制流速使射流保持层流状态，以一定频率的机械振动作用于射流，当振动频率、振幅与喷嘴直径等工艺参数相匹配时，射流会断裂为均匀的金属液滴。本发明步骤简单，易于实现自动控制，流程短，生产成本很低，获得的金属颗粒尺寸均匀，真球度高，是最有发展前景的精密焊球产业化制备方法。
附图说明
图1为本发明的制球装置示意图；
图2为本发明的制球工艺步骤图；
图3为本发明的SAC305焊球圆度及外观形貌图；
图4为本发明的微焊球的直径尺寸分布图。
图中：1-坩埚、2-冷凝管、3-激振器、4-球阀、5-高纯氮气供气装置。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本发明所述的一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备装置，采用的技术方案是，包括坩埚1，所述坩埚1底部打孔并通过法兰铆接有冷凝管2，所述冷凝管2下端开口处设置有球阀4，所述冷凝管2侧壁通过气管连通连接有高纯氮气供气瓶5，所述坩埚1上安装有激振器3。
所述坩埚1直径为80mm,高度为100mm,所述坩埚1底部开孔直径为0.2mm，所述冷凝管2长度为3000mm。
所述激振器3选用无极调频电机，振动频率不大于20000HZ。
所述坩埚1及所述冷凝管2选用不锈钢材质。
如图2至图4所述，一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备工艺，具体步骤为：
步骤一：设定BGA球制备参数并计算各参数之间的关系，包括设定目标球直径，计算钎料熔融温度，压力，射流速度，挠动频率之间的关系；
步骤二：原材料烘干，对原材料进行清洗并用热风枪风干，风干后的材料再放入真空干燥箱干燥30min，将干燥后的材料放入所述坩埚1中备用；
步骤三：对所述坩埚1及所述冷凝管2进行预热，将所述坩埚1预热温度设定为280度，所述冷凝管2自上而下等长分三段预热，第一段预热温度为200度，第二段为100度，第三段为常温，同时通过所述高纯氮气供气瓶5向所述冷凝管2中充入高纯氮气；
步骤四：将冷却收集后的焊球进行抛光、筛分处理，抛光采用行星式抛光机，抛光时间为120min，采用BGA网筛进行球度筛分。
步骤一中所述的目标球直径为0.1mm。
步骤二中选用丙酮溶液和工业用无水乙醇试剂对原材料进行超声清洗，超声清洗时间20min，真空干燥箱干燥温度为100度。
步骤三中通过温控仪和加热环对所述冷凝管2进行预热及温度控制。
步骤四中抛光机的转速设定为200转/分。
实施例2
如图1所示，本发明所述的一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备装置，采用的技术方案是，包括坩埚1，所述坩埚1底部打孔并通过法兰铆接有冷凝管2，所述冷凝管2下端开口处设置有球阀4，所述冷凝管2侧壁通过气管连通连接有高纯氮气供气瓶5，所述坩埚1上安装有激振器3。
所述坩埚1直径为100mm,高度为120mm,所述坩埚1底部开孔直径为0.4mm，所述冷凝管2长度为8000mm。
所述激振器3选用无极调频电机，振动频率不大于20000HZ。
所述坩埚1及所述冷凝管2选用不锈钢材质。
如图2至图4所述，一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备工艺，具体步骤为：
步骤一：设定BGA球制备参数并计算各参数之间的关系，包括设定目标球直径，计算钎料熔融温度，压力，射流速度，挠动频率之间的关系；
步骤二：原材料烘干，对原材料进行清洗并用热风枪风干，风干后的材料再放入真空干燥箱干燥30min，将干燥后的材料放入所述坩埚1中备用；
步骤三：对所述坩埚1及所述冷凝管2进行预热，将所述坩埚1预热温度设定为280度，所述冷凝管2自上而下等长分三段预热，第一段预热温度为200度，第二段为100度，第三段为常温，同时通过所述高纯氮气供气瓶5向所述冷凝管2中充入高纯氮气；
步骤四：将冷却收集后的焊球进行抛光、筛分处理，抛光采用行星式抛光机，抛光时间为120min，采用BGA网筛进行球度筛分。
步骤一中所述的目标球直径为0.6mm。
步骤二中选用丙酮溶液和工业用无水乙醇试剂对原材料进行超声清洗，超声清洗时间20min，真空干燥箱干燥温度为100度。
步骤三中通过温控仪和加热环对所述冷凝管2进行预热及温度控制。
步骤四中抛光机的转速设定为200转/分。
实施例3
如图1所示，本发明所述的一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备装置，采用的技术方案是，包括坩埚1，所述坩埚1底部打孔并通过法兰铆接有冷凝管2，所述冷凝管2下端开口处设置有球阀4，所述冷凝管2侧壁通过气管连通连接有高纯氮气供气瓶5，所述坩埚1上安装有激振器3。
所述坩埚1直径优选为90mm,高度优选为110mm,所述坩埚1底部开孔直径优选为0.3mm，所述冷凝管2长度优选为5000mm。
所述激振器3选用无极调频电机，振动频率不大于20000HZ。
所述坩埚1及所述冷凝管2选用不锈钢材质。
如图2至图4所述，一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备工艺，具体步骤为：
步骤一：设定BGA球制备参数并计算各参数之间的关系，包括设定目标球直径，计算钎料熔融温度，压力，射流速度，挠动频率之间的关系；
步骤二：原材料烘干，对原材料进行清洗并用热风枪风干，风干后的材料再放入真空干燥箱干燥30min，将干燥后的材料放入所述坩埚1中备用；
步骤三：对所述坩埚1及所述冷凝管2进行预热，将所述坩埚1预热温度设定为280度，所述冷凝管2自上而下等长分三段预热，第一段预热温度为200度，第二段为100度，第三段为常温，同时通过所述高纯氮气供气瓶5向所述冷凝管2中充入高纯氮气；
步骤四：将冷却收集后的焊球进行抛光、筛分处理，抛光采用行星式抛光机，抛光时间为120min，采用BGA网筛进行球度筛分。
步骤一中所述的目标球直径优选为0.46mm。
步骤二中选用丙酮溶液和工业用无水乙醇试剂对原材料进行超声清洗，超声清洗时间20min，真空干燥箱干燥温度为100度。
步骤三中通过温控仪和加热环对所述冷凝管2进行预热及温度控制。
步骤四中抛光机的转速设定为200转/分。
采用VMS-2010影像测量仪测定焊球最大直径dmax和焊球最小直径dmin；通过锡球质量和密度计算理论直径d0。根据公式
计算真球度。通过TCH-600氧氮氢分析仪测定锡球表面氧含量。含氧量评定的具体试验步骤如下：(1)将待测钎焊球放入丙酮中并用超声波清洗仪清洗干净，在无尘环境中晾干；(2)将清洗干净的钎焊球放入测试池中(每种试验条件下的钎焊球称取1g)进行含氧量分析，分析时间85s；(3)得到氧元素释放曲线并分析含氧量。用场发射扫描电镜(JSM-7800F)观察热处理前后锡球的表面形貌。通过以上实施例可以看出，该装置及工艺下制备的BGA锡球参数稳定，能保证SAC原材料充分熔化并球化，球化效果好，且氮气氛围下锡球表面无污染、表面不易氧化，球化介质环境稳定，使得液态钎料在球化成形过程中表面受到介质环境扰动的影响较小，因此得到的钎焊球表面质量佳。由图4可知，该工艺下制得的微焊球球径范围分布集中。另外，微焊球直径误差是由装置本身控制精度决定，射流基本上能够按所加载的激振频率断裂。可通过改进制备装置控制精度，调整压力和频率等，可进一步提高制备微焊球的合格率。
本文中未详细说明的部件及电路部分为现有技术。
上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备装置，其特征在于，包括坩埚(1)，所述坩埚(1)底部打孔并通过法兰铆接有冷凝管(2)，所述冷凝管(2)下端开口处设置有球阀(4)，所述冷凝管(2)侧壁通过气管连通连接有高纯氮气供气瓶(5)，所述坩埚(1)上安装有激振器(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备装置，其特征在于：所述坩埚(1)直径为80-100mm,高度为100-120mm,所述坩埚(1)底部开孔直径为0.2-0.4mm，所述冷凝管(2)长度为3000-8000mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备装置，其特征在于：所述激振器(3)选用无极调频电机，振动频率不大于20000HZ。
4.根据权利要求1所述的一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备装置，其特征在于：所述坩埚(1)及所述冷凝管(2)选用不锈钢材质。
5.一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备工艺，具体步骤为：
步骤一：设定BGA球制备参数并计算各参数之间的关系，包括设定目标球直径，计算钎料熔融温度，压力，射流速度，挠动频率之间的关系；
步骤二：原材料烘干，对原材料进行清洗并用热风枪风干，风干后的材料再放入真空干燥箱干燥30min，将干燥后的材料放入所述坩埚(1)中备用；
步骤三：对所述坩埚(1)及所述冷凝管(2)进行预热，将所述坩埚(1)预热温度设定为280度，所述冷凝管(2)自上而下等长分三段预热，第一段预热温度为200度，第二段为100度，第三段为常温，同时通过所述高纯氮气供气瓶(5)向所述冷凝管(2)中充入高纯氮气；
步骤四：将冷却收集后的焊球进行抛光、筛分处理，抛光采用行星式抛光机，抛光时间为120min，采用BGA网筛进行球度筛分。
6.根据权利要求5所述的一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备工艺，其特征在于：步骤一中所述的目标球直径为0.1mm-0.6mm。
7.根据权利要求5所述的一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备工艺，其特征在于：步骤二中选用丙酮溶液和工业用无水乙醇试剂对原材料进行超声清洗，超声清洗时间20min，真空干燥箱干燥温度为100度。
8.根据权利要求5所述的一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备工艺，其特征在于：步骤三中通过温控仪和加热环对所述冷凝管(2)进行预热及温度控制。
9.根据权利要求5所述的一种基于射流不稳定原理的BGA锡球制备工艺，其特征在于：步骤四中抛光机的转速设定为200转/分。
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