CN112605391B - 一种气液通道分离式均匀金属微滴稳定喷射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种气液通道分离式均匀金属微滴稳定喷射装置，属于均匀金属微滴喷射领域；包括收集仓、坩埚、压料块、料仓、喷嘴连接组件、喷嘴和激振系统；坩埚设置于收集仓内，其底面中心处的通孔通过喷嘴连接组件安装有喷嘴；料仓设置于坩埚内，用于盛放固态金属料，压料块压装于固态金属料的上表面；激振系统的压电换能器通过喷射连接件与振动杆连接，振动杆插入料仓的中心孔内，其外壁与中心孔的内壁、环形腔体内环面的径向圆孔构成气压通道；加热炉设置于坩埚的外周面，并通过外接温控仪控制加热炉的温度；收集仓用于将其内冷却金属微滴转化为均匀金属颗粒。本发明解决微喷嘴部分堵塞导致挂滴问题，使金属射流喷射稳定，达到均匀金属微滴稳定喷射。

Description

一种气液通道分离式均匀金属微滴稳定喷射装置
技术领域
本发明属于均匀金属微滴喷射领域，具体涉及一种气液通道分离式均匀金属微滴稳定喷射装置。
背景技术
目前，均匀金属颗粒在工业中有着越来越重要的应用。例如球格阵列(Ball GridArray,BGA)封装采用均匀金属焊球作为芯片的管脚，可以尽可能在有限面积内部布置更多的管脚，增加I/O数量，同时可缩短连接管脚长度，以提高芯片传输速率。
专利“Melissa Orme-Marmerelis,Irvine,CA(US)；Robert F.Smith,Costa Mesa,CA(US).High-speed fabrication of highly uniform ultra-small metalicmicrospheres:US,US 6491737 B2.2002-12-10”公布了一种采用夹心式换能器通过传振杆将扰动加载在金属熔液中，以实现射流离散得到均匀金属微滴的方法。在该方法中，坩埚内部的金属流体在外部压力作用下从微喷嘴中喷出形成层流射流，置于冷却水保护套中的压电陶瓷致动器产生机械振动，然后通过传振杆直接传递到金属熔液中，离散射流可得到尺寸和间距都均匀的金属熔液滴流，液滴流凝固后可以得到尺寸均匀的金属颗粒。
利用常规装置制备均匀金属颗粒过程中，通常打开坩埚后加入固态金属，由于金属表面有氧化膜，其熔化后在氧化皮包裹下，极易附着在坩埚与激振杆间隙某一位置，出现因金属熔液团外部压力平衡所致的金属熔液团滞留现象，喷嘴直径约为十微米级，空气中无处不在的难熔细颗粒物(如PM10、PM2.5等)会在喷嘴内结拱而造成喷嘴堵塞。因此，金属微滴稳定喷射对原材料洁净度和喷嘴的清洁度要求极高，在喷射装置装料或安装过程中，坩埚内部极易混入微细杂质，使得喷射射流不稳定，严重时甚至可以使微喷嘴堵塞喷射过程终止。设置过滤装置是防止细小颗粒进入喷嘴的有效方法，但坩埚底部设置的滤网被金属熔液中的杂质部分或全部堵塞，会使得喷射压力受影响，使得喷射不稳或终止。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种气液通道分离式均匀金属微滴稳定喷射装置，旨在采用施加外力使多级滤网有效过滤微小液滴喷射过程中的微小杂质，确保金属熔液全部顺利喷射，采用气液通道分离方式，喷射压力直接作用于过滤后的纯净金属熔液表面进行喷射不受过滤装置影响，减小杂质对均匀喷射过程的影响，实现小尺寸均匀金属微滴稳定喷射。
本发明的技术方案是：一种气液通道分离式均匀金属微滴稳定喷射装置，其特征在于：包括收集仓，温控仪、加热炉、坩埚、压料块、真空泵、压力控制器、料仓、刚性过滤网、氮气瓶、柔性滤网、喷嘴连接组件、喷嘴和激振系统；所述坩埚设置于收集仓内的上部，其底面中心处的通孔通过喷嘴连接组件安装有喷嘴；料仓设置于坩埚内，用于盛放固态金属料，所述压料块压装于固态金属料的上表面；
所述料仓包括圆盘底座和环形腔体，所述圆盘底座和环形腔体均开有中心孔，并通过与中心孔内径相同的圆筒连接为同轴的一体结构；所述圆盘底座的外周面上沿周向均布多个径向通孔，将料仓的中心孔与坩埚连通，作为金属熔液流道；所述环形腔体的内环面沿周向均布多个径向圆孔，将环形内腔与环形腔体的中心孔连通；环形腔体的内底面沿周向均布多个圆孔，并在各圆孔处设置有刚性过滤网，对金属熔液进行一次过滤；所述喷嘴连接组件上安装有柔性滤网，对金属熔液进行二次过滤；
所述激振系统设置于坩埚上方的开口处，包括函数发生器、振动杆、喷射连接件和压电换能器；所述压电换能器通过喷射连接件与振动杆连接，振动杆同轴插入所述料仓的中心孔内，其外壁与中心孔的内壁、环形腔体内环面的径向圆孔构成气压通道；所述函数发生器输出驱动信号控制所述压电换能器；
所述加热炉设置于坩埚的外周面，并通过外接温控仪控制加热炉的温度；所述真空泵与坩埚连通，用于提供坩埚内部真空环境；所述氮气瓶通过压力控制器分别于收集仓和坩埚连通，通过压力控制器调整两者内部的工作压力；所述收集仓用于将其内冷却金属微滴转化为均匀金属颗粒。
本发明的进一步技术方案是：所述压料块为圆环形，其内环面直径大于所述环形腔体的内环面外径。
本发明的进一步技术方案是：所述压料块为不锈钢或铸钢。
本发明的进一步技术方案是：所述压料块的轴向高度小于所述料仓内环面的径向圆孔到料仓内底面的距离。
本发明的进一步技术方案是：所述喷射装置在加热前抽真空至50Pa以下，然后通入惰性保护气体，避免金属熔液被氧化。
本发明的进一步技术方案是：所述料仓的内环面径向圆孔数量为4个；内底面的圆孔数量为6个。
本发明的进一步技术方案是：所述料仓的圆盘底座上的径向通孔数量为6个。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明气液通道分离式均匀金属微滴喷射装置主要包括坩埚、料仓、压料块和金属熔液流动通道，所述料仓、压料块和金属熔液流动通道均放置在坩埚内部；所述料仓上部均布6个圆孔，底部有六个均布圆孔，圆孔上设置刚性滤网，下置金属熔液通道；所述压块置于料仓内部，在锡料熔化压料块下降后，料仓上部圆孔与激振杆外壁形成气压通道；所述金属熔液通道与坩埚内壁形成完整金属熔液流动通道。在固体金属融化后，气压作用在压料块，直接挤压料仓内熔化的金属熔液团通过刚性滤网，破除其表面氧化膜并过滤氧化皮和其他杂质，压料块完成金属熔液挤压过滤步骤后下降至料仓上部圆孔以下，气压通道形成，压料块使金属熔液通道与气压通道分离。喷射压力直接作用于过滤后的洁净金属熔液表面进行喷射，不受多层过滤网影响。振动杆连接在压电换能器下方，将输出的激振扰动传入熔化后的金属熔液中，使得所述射流断裂为均匀金属熔液滴，进而凝固得到均匀金属颗粒。从而解决微喷嘴部分堵塞导致挂滴问题(如图1所示)，使金属射流喷射稳定(如图2所示)，达到均匀金属微滴稳定喷射。
附图说明
图1为背景技术中微喷嘴部分堵塞导致挂滴现象示意图；
图2为背景技术中增加粗滤破除氧化皮装置金属熔液稳定喷射断裂形成液滴的示意图；
图3是本发明实施例提一种气液通道分离式均匀金属微滴喷射装置结构示意图；
图4是料仓结构示意图；
图5为压料块受力示意图及其工作示意图。
附图标记说明：1-收集仓，2-温控仪，3-函数发生器4-加热炉，5-坩埚6-喷射连接件，7-振动杆，8-压电换能器，9-压料块，10-真空泵，11-压力控制器，12-气压通道，13-料仓，14-刚性过滤网15-金属熔液流道，16-氮气瓶，17-柔性滤网，18-喷嘴连接组件，19-喷嘴，20-金属料。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明实例提供的一种气液通道分离式均匀金属微滴喷射装置主要用于高效率稳定喷射均匀金属微滴，该装置通过料仓供料系统过滤融化金属熔液，去除金属熔液中杂质和氧化皮，得到洁净金属熔液，有效避免杂质堵塞喷嘴，使射流产生稳定，可解决大量生产中遇到的喷嘴堵塞导致均匀金属微滴不能稳定产生的问题。
图3-5示出了本发明一种气液通道分离式均匀金属微滴喷射装置的结构，为了方便说明，仅示出了与本发明实例相关的部分，详述如下：
一种气液通道分离式均匀金属微滴喷射装置包括1-收集仓，2-温控仪，3-函数发生器4-加热炉，5-坩埚6-喷射连接件，7-振动杆，8-压电换能器，9-压料块，10-真空泵，11-压力控制器，12-气压通道，13-料仓，14-刚性过滤网15-金属熔液流道，16-氮气瓶，17-柔性滤网，18-喷嘴连接组件，19-喷嘴，20-金属料，其中喷射主体在收集仓1中，通过真空泵10抽真空达到真空环境；坩埚5上端通过喷射连接件6连接在收集仓2上端；函数发生器3与压电换能器8相连，压电换能器8通过喷射连接件6连接振动杆7；温控仪2控制加热炉4的功率给坩埚5内金属加热至熔化；压力控制器11控制氮气瓶16中气体通过喷射连接件6上气孔进入坩埚；坩埚5内部安装有料仓13，料仓13上方配有压料块9，料仓13内部有刚性滤网13；坩埚5底部通过喷嘴连接组件18连接有喷嘴19，喷嘴连接组件18上端安装二级柔性滤网17。
本发明实例中，坩埚5采用不锈钢加工，与料仓13、刚性滤网13、微流道14形成金属熔液通道。
整体装置加热前抽真空至50Pa以下然后通入惰性保护气体，避免金属熔液被氧化。
压料块9为圆环形，其特征是材料使用不锈钢或铸钢等具有一定重量、耐高温且不与锡熔液反应的金属，其高度小于于料仓底部和料仓气压孔之间的距离L；料仓13其特征其上部均布6个圆孔，在压料块下降后与激振杆外壁形成背压通道12；底部有六个均布圆孔，刚性滤网13放置在圆孔上，形成粗滤，下置金属熔液通道14，与坩埚内壁形成完整金属熔液流动通道；且料仓可以更换。
坩埚底部上端安装二级滤网，滤网孔隙小于喷嘴直径，过滤金属熔液中微小杂质。
本发明提出一种气液通道分离式均匀金属微滴喷射装置，现详细叙述其工作原理如下：
喷射装置的清洗和装料过程。因为本装置的喷嘴直径一般较小，喷嘴可能会在金属熔液滴流制备前被空气中的灰尘堵塞。为保证喷嘴不被堵塞，装置清洗及装料过程应在超净间内进行。喷嘴19、柔性滤网17、料仓13、喷嘴连接组件18等零件分别超声清洗15-20分钟，清除表面的灰尘。对喷嘴19进行疏通检查，确保喷嘴无堵塞、无破裂、喷射射流状况良好，将微喷嘴通过喷嘴连接组件与坩埚连接，加入金属料20至料仓13中，将压料块9置于金属料20上方。
将料仓13及其中的金属料20等放入坩埚5，加热炉4安装在坩埚5外部，通过喷射连接件6与收集仓1连接，安装完成后移到收集仓1内。
坩埚5的加热装置和温控仪2相连，打开真空泵10与坩埚5和收集仓1相连的阀门，此时压力控制器11为关闭状态，将坩埚内部和收集仓2抽真空低至50Pa以下。调节参数，使温控仪2的设定温度值略高于固态金属熔点，加热金属料20熔化后，关闭真空泵10与坩埚5相连的阀门，打开氮气瓶16与收集仓1相连的阀门将氮气充入收集仓中保持氮气环境，避免金属熔液滴氧化。坩埚5的上部接气压，料仓13内部融化固态金属，在金属熔化过程中气压加载到压料块将金属熔液下压通过料仓13内部刚性滤网14，去除氧化皮，并过滤杂质，后经金属熔液流道15，流至二级柔性滤网17，后稳定流入喷嘴19；此时料仓13上方气压通道12由于压料块9下降流通，压力控制器11控制氮气瓶16，通过料仓13的气压通道12对坩埚5内的熔融态金属施加可调的背压得到从喷嘴19喷射出的金属微滴流。
压料块9受力情况图和气液通道分离原理如图2所示，气压加载在压料块9上，往下移动受力方程：
pA+G＞f+R+pA'
其中p是压力，G是重力，A为压料块横截面积，A’是金属熔液通道横截面积，f压力块上的摩擦力，F’＝PA’是侧方受力，R＝(λ/D)×(v2×γ/2g)是流体阻力。由于压力和重力远大于流体阻力、摩擦力和侧方受力，压料块向下移动，金属熔液由料仓13经过刚性过滤网14后流入金属熔液流道15进入喷射区域，压料块9上部下降至气压通道12完全打开时，气压通过气压通道12进入喷射区域，为金属熔液喷射提供压力，金属熔液从喷嘴19喷出形成金属射流。
函数发生器3与压电换能器8的压电陶瓷相连，当函数发生器3工作时，与压电换能器8产生振动，对射流进行扰动。当频率达到特定值，射流断裂产生间距和尺寸均匀的金属微滴流。
本发明提供的一种气液通道分离式均匀金属微滴喷射装置。本发明制作的料仓供料系统避免了杂质流入微喷嘴，克服了金属微滴在大量试验中由于微小杂质污染导致的喷嘴堵塞，甚至无法完成喷射的难点。用本装置产生金属微滴均匀、稳定，方法简单可靠。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种气液通道分离式均匀金属微滴稳定喷射装置，其特征在于：包括收集仓，温控仪、加热炉、坩埚、压料块、真空泵、压力控制器、料仓、刚性过滤网、氮气瓶、柔性滤网、喷嘴连接组件、喷嘴和激振系统；所述坩埚设置于收集仓内的上部，其底面中心处的通孔通过喷嘴连接组件安装有喷嘴；料仓设置于坩埚内，用于盛放固态金属料，所述压料块压装于固态金属料的上表面；
所述料仓包括圆盘底座和环形腔体，所述圆盘底座和环形腔体均开有中心孔，并通过与中心孔内径相同的圆筒连接为同轴的一体结构；所述圆盘底座的外周面上沿周向均布多个径向通孔，将料仓的中心孔与坩埚连通，作为金属熔液流道；所述环形腔体的内环面沿周向均布多个径向圆孔，将环形内腔与环形腔体的中心孔连通；环形腔体的内底面沿周向均布多个圆孔，并在各圆孔处设置有刚性过滤网，对金属熔液进行一次过滤；所述喷嘴连接组件上安装有柔性滤网，对金属熔液进行二次过滤；
所述激振系统设置于坩埚上方的开口处，包括函数发生器、振动杆、喷射连接件和压电换能器；所述压电换能器通过喷射连接件与振动杆连接，振动杆同轴插入所述料仓的中心孔内，其外壁与中心孔的内壁、环形腔体内环面的径向圆孔构成气压通道；所述函数发生器输出驱动信号控制所述压电换能器；
所述加热炉设置于坩埚的外周面，并通过外接温控仪控制加热炉的温度；所述真空泵与坩埚连通，用于提供坩埚内部真空环境；所述氮气瓶通过压力控制器分别于收集仓和坩埚连通，通过压力控制器调整两者内部的工作压力；所述收集仓用于将其内冷却金属微滴转化为均匀金属颗粒。
2.根据权利要求1所述气液通道分离式均匀金属微滴稳定喷射装置，其特征在于：所述压料块为圆环形，其内环面直径大于所述环形腔体的内环面外径。
3.根据权利要求1所述气液通道分离式均匀金属微滴稳定喷射装置，其特征在于：所述压料块为不锈钢或铸钢。
4.根据权利要求1所述气液通道分离式均匀金属微滴稳定喷射装置，其特征在于：所述压料块的轴向高度小于所述料仓内环面的径向圆孔到料仓内底面的距离。
5.根据权利要求1所述气液通道分离式均匀金属微滴稳定喷射装置，其特征在于：所述喷射装置在加热前抽真空至50Pa以下，然后通入惰性保护气体，避免金属熔液被氧化。
6.根据权利要求1所述气液通道分离式均匀金属微滴稳定喷射装置，其特征在于：所述料仓的内环面径向圆孔数量为4个；内底面的圆孔数量为6个。
7.根据权利要求1所述气液通道分离式均匀金属微滴稳定喷射装置，其特征在于：所述料仓的圆盘底座上的径向通孔数量为6个。
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