CN1954947A - 纳米金属球的制造装置及方法与纳米金属粉末 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种纳米金属球的制造装置及方法与纳米金属粉末，其装置包括一加压装置，其具有一可容纳熔融态金属液体的容置空间、一出口端以及一往复机构；一模板，具有多个纳米通道，设于该出口端；以及一油浴槽，设于该出口端下游，用以接收来自该加压装置的熔融态金属液体，其中通过该往复机构可将该容置空间中的熔融态金属液体加压穿过该些纳米通道，以进入该油浴槽中形成多个纳米金属球。采用此装置可以减少自然垂流所造成纳米金属球的尺寸不均，且利用调整往复机构的前进速度可控制纳米金属球的产量，较传统重力垂流法生产快速。且所制出的纳米金属球的直径误差可缩小至约3％。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造金属球的装置及方法，特别涉及一种利用一种具有纳米通道的模板来制造纳米金属球的装置及方法。
背景技术
目前覆晶接合(flip-chip bonding)技术中，使用异向性导电胶(ACF)或网版印刷(Paste Printing)封装技术为目前的主流技术。ACF与Paste Printing的封装技术中，低熔点的锡球(solderball)为主要的接合材料，目前由于锡球(solder ball)制造技术的极限，大部分使用直径尺寸在数十μm的锡球。以异向性导电胶(ACF)封装技术为例，对于所使用的锡球的直径尺寸误差，要求非常严格，而且直径在数十μm的锡球，无法达到集成电路中细间距封装的要求，因此最近几年开始改用镀镍的聚苯乙烯(Polystyrene，PS)高分子纳米球来取代锡球以达到较均匀的尺寸分布。以网版印刷(Paste Printing)技术为例，目前使用不规则的锡球或片状锡来作成锡膏(solder paste)，最近国外推出纳米级的银膏(SilverPaste)，其中所使用的银颗粒直径在数百nm，由于银颗粒的真圆度很高，因此作成的银膏流动性非常好。目前由于技术瓶颈无法制造锡的纳米颗粒，并没有纳米级的锡膏(solder paste)推出。因此制作颗粒直径数十到数百nm的锡颗粒为本案开发的动机。除了锡球之外，各种铅、铋与Sn-Pb，Sn-Bi，Pb-Bi等低融点金属及各种无铅焊锡材料也可以作成paste来作为IC线路，封装等应用。
目前工业上制作锡球的方法主要有两种(1)定量切割回熔法与(2)液滴喷雾法。定量切割回熔法是将锡抽成连续的细线，再切割成等长度的短锡线，再放入高温的油中使短锡线重熔成相同直径的锡球，定量切割回熔法属于传统工程技术，其专利有JP56-117900。另外类似的专利为JP 03-044408，是用来制作双层金属球，主要的制程是把锡制成线材或薄板，再裁剪成固定尺寸，在油中重熔就可以得到锡球，主要的优点是可以制作直径小于5μm以下的锡球(最小可以到3μm)，而且锡球粒径误差可以控制在约5％，但是由于生产成本非常高而且制造速度非常慢，因此逐渐被液滴喷雾法所取代，液滴喷雾法是将熔融的锡液从喷嘴流下，利用气流将每一颗液滴分散并凝固成为锡球。采用液滴喷雾法制作锡球的专利有US 4904311，US 5876615，US 6253957，US6270019B1，US 6517602B2，JP 2000-332399，JP 11-229004，其优点是生产速度快，但是受限于熔融锡液的表面张力，只能制作颗粒大于20μm的锡球，另外最大的缺点是生产的锡球粒径误差大于5％，必需进一步筛分才可以把粒径误差控制在5％以下。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就在于提供一种制造纳米金属球的装置及方法以及所制得的纳米金属粉末。
本发明是采用具有均匀纳米孔洞的氧化铝模板(anodicaluminum oxide template，简称AAO)，配合铸造技术来制作纳米锡球。
为达成上述目的，本发明制造纳米金属球的装置包括一加压装置，其具有一可容纳熔融态金属液体的容置空间、一出口端以及一往复机构；一模板，具有多个纳米通道，设于该出口端；以及一油浴槽，设于该出口端下游，用以接收来自该加压装置的熔融态金属液体，其中通过该往复机构可将该容置空间中的熔融态金属液体加压穿过该些纳米通道，以进入该油浴槽中形成多个纳米金属球。
本发明所述的纳米金属球的制造装置，其中该往复机构为一活塞。
本发明所述的纳米金属球的制造装置，其中该模板是由纯铝经过二次阳极处理所制得。
本发明所述的纳米金属球的制造装置，其中该模板的纳米通道孔洞直径小于200nm。
本发明所述的纳米金属球的制造装置，其中该模板的纳米通道孔洞直径介于30至150nm。
本发明所述的纳米金属球的制造装置，其中该模板的纳米通道周期小于300nm。
本发明所述的纳米金属球的制造装置，其中该模板的纳米通道为一圆柱体中空结构。
本发明所述的纳米金属球的制造装置，其中该模板的纳米通道的孔径与周期比例为0.2至0.8。
本发明所述的纳米金属球的制造装置，其中该模板下方更进一步包括一金属网板承载，用来支撑该氧化铝模板。
本发明所述的纳米金属球的制造装置，其中该金属网板承载为不锈钢。
本发明纳米金属球的制造方法，包括下列步骤：提供前述本发明的制造装置，将一熔融态的金属液体填入该容置空间中；以及以该往复机构加压该金属液体，使该金属液体穿过该模板的纳米通道至该油浴槽中，该金属液体在该油浴槽中回熔形成多个纳米金属球。
本发明所述的纳米金属球的制造方法，其中该金属液体包括：锡、铋、铅或上述金属的合金。
本发明所述的纳米金属球的制造方法，其中该多个纳米金属球直径小于1μm。
本发明所述的纳米金属球的制造方法，其中该多个纳米金属球直径范围分布在100nm至1μm之间。
本发明所述的纳米金属球的制造方法，其中该多个纳米金属球其粒径分布低于5％。
本发明一种纳米金属球的制造方法，包括下列步骤：提供一模板，其具有多个纳米孔洞；将熔融态的金属液体灌注于该多个纳米孔洞中；以及将该模板置于一油浴槽中，使该多个纳米孔洞中的金属回熔形成多个纳米金属球。
本发明所述的纳米金属球的制造方法，其中该模板是由纯铝经过二次阳极处理所制得。
本发明所述的纳米金属球的制造方法，其中该多个纳米孔洞孔径小于200nm。
本发明所述的纳米金属球的制造方法，其中该多个纳米孔洞直径介于30至150nm。
本发明所述的纳米金属球的制造方法，其中该多个纳米孔洞周期小于300nm。
本发明所述的纳米金属球的制造方法，其中该多个纳米孔洞为一端封闭的圆柱体中空结构。
本发明所述的纳米金属球的制造方法，其中该多个纳米孔洞的孔径与周期比例为0.2至0.8。
本发明所述的纳米金属球的制造方法，其中该金属液体包括：锡、铋、铅或上述金属的合金。
本发明所述的纳米金属球的制造方法，其中该多个纳米金属球直径小于1μm。
本发明所述的纳米金属球的制造方法，其中该多个纳米金属球直径范围分布在100nm至1μm之间。
本发明所述的纳米金属球的制造方法，其中该多个纳米金属球其粒径分布低于5％。
由上述装置及制造方法可得纳米金属粉末，是由多个纳米金属球组成，其中该多个纳米金属球直径小于1μm，粒径分布低于5％。
本发明所述的纳米金属粉末，其中该多个纳米金属球直径范围分布在100nm至1μm之间。
本发明所述的纳米金属粉末，其中该多个纳米金属球是由上述的装置制造。
本发明可以减少自然垂流所造成纳米金属球的尺寸不均，且利用调整往复机构的前进速度可控制纳米金属球的产量，较传统重力垂流法生产快速。且所制出的纳米金属球的直径误差可缩小至约3％。
附图说明
图1至图4为本发明制造纳米金属球的流程图；
图5为本发明实施例中经油浴回熔后，以扫描式电子显微镜观察散布在模板表面的纳米金属球；
图6显示本发明较佳实施例中制造纳米金属球的装置；
图7显示纯铝经过二次阳极处理所得的纳米孔洞。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下。
本发明主要是利用模板配合金属回熔的方式制作纳米金属球，其中可利用二次阳极处理，增加模板孔径的均匀度，以精确控制金属球的直径误差。图1至图4显示本发明用来制造纳米金属球的步骤流程图，图1显示用来制造纳米金属球的模板100，该模板100较佳为纯铝101经过二次阳极处理形成一具有多个纳米孔洞103的氧化铝层102，其中纳米孔洞103为一端封闭的圆柱体中空结构，利用二次阳极处理可增加氧化铝层102纳米孔洞103孔径的均匀度，如图7所示，各纳米孔洞103孔径误差降至5％，因此可得直径误差约3％的纳米金属球。此外，纳米孔洞103的孔洞直径小于200nm，较佳在30-150nm之间，其周期(periodicity)最好小于300nm，且纳米孔洞103的孔径与周期比较佳介于0.2至0.8。
接着，如图2所示，将模板100置入一模具201中，以防止熔融态金属液体流出，加入熔融态金属液体202，包括各种低熔点的纯金属如锡、铋及铅或上述金属合金，如Sn-Pb、Sn-Bi及Pb-Bi，将模板100上的纳米孔洞103填满。如图3所示，将模板100降温至接近金属的凝固点以上20至50℃，接着移除未凝固的熔融态金属液体。如图4所示，将该模板100放入油浴槽401中回熔，使纳米孔洞103中的金属通过表面张力的作用，脱离纳米孔洞并形成纳米金属球402而悬浮在油浴槽中，其中纳米金属球402的直径范围较佳介于100nm至1μm之间，图5显示以扫描式电子显微镜观察，经油浴回熔后散布在模板表面的纳米金属球。
图6显示本发明一较佳实施例的制造纳米金属球的装置，其中包括一加压装置600，该加压装置600包括一容置空间602，可用来容纳熔融态金属液体、以及一往复机构601，用来加压容置空间602中的熔融态金属液体，其中往复机构例如为一活塞。于容置空间602的出口端设置一模板603，其中该模板603较佳为纯铝经过二次阳极处理所制得，为具有多个纳米通道的氧化铝模板，其中纳米通道606为圆柱体中空结构且两端皆为开口，纳米通道的孔洞直径约小于200nm，而纳米通道的分布周期小于300nm，另外纳米通道606的孔径与周期比约为0.2至0.8。在氧化铝模板下另设置一环状金属网板承载604，用来支撑具纳米通道的模板603，其中金属网板承载604较佳为不锈钢。在容置空间602出口端的下游设置一油浴槽605，用以将挤压至油浴槽605中的金属液体回熔形成多个纳米金属球608。
上述制造纳米金属球装置的操作方式叙述如下：将熔融态金属液体607加入加压装置的容置空间602中，以往复机构601(通常为一活塞)来回挤压，其中活塞的前进速度可控制纳米金属球的产量，将容置空间602中的熔融态金属液体607挤压穿过置于容置空间602出口端模板603的纳米通道，进入油浴槽605中，由于模板603的孔洞为纳米尺寸，因此在未挤压前熔融态金属液体607不会垂流，减少自然垂流所造成纳米金属球的尺寸不均，且利用调整活塞的前进速度可控制纳米金属球的产量，较传统重力垂流法生产快速。利用高温的油浴，使挤压进入油浴槽605中的熔融态金属回熔形成多个纳米金属球608，其中熔融态金属液体607穿过模板603后可直接与油浴接触，可防止金属液体的氧化。经过二次阳极处理后的氧化铝模板，其纳米通道的孔径误差约小于5％，因此在同一道制程所形成的纳米金属球，其直径误差可缩小至约3％。其中熔融态的金属液体为低熔点的金属，包括锡、铋及铅或上述金属的合金。
本发明还包括由用上述装置及制造方法得出的所述纳米金属球组成的纳米金属粉末。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
附图中符号的简单说明如下：
模板：100
纯铝：101
氧化铝层：102
纳米孔洞：103
模具：201
熔融态金属液体：202
油浴槽：401
纳米金属球：402
加压装置：600
往复机构：601
容置空间：602
模板：603
金属网板承载：604
油浴槽：605
纳米通道：606
熔融态金属液体：607
纳米金属球：608
Claims (29)
1.一种纳米金属球的制造装置，其特征在于，包括：
一加压装置，其具有一可容纳熔融态金属液体的容置空间、一出口端以及一往复机构；
一模板，具有多个纳米通道，设于该出口端；以及
一油浴槽，设于该出口端下游，用以接收来自该加压装置的熔融态金属液体，其中通过该往复机构可将该容置空间中的熔融态金属液体加压穿过该纳米通道，以进入该油浴槽中形成多个纳米金属球。
2.根据权利要求1所述的纳米金属球的制造装置，其特征在于，该往复机构为一活塞。
3.根据权利要求1所述的纳米金属球的制造装置，其特征在于，该模板是由纯铝经过二次阳极处理所制得。
4.根据权利要求1所述的纳米金属球的制造装置，其特征在于，该模板的纳米通道孔洞直径小于200nm。
5.根据权利要求1所述的纳米金属球的制造装置，其特征在于，该模板的纳米通道孔洞直径介于30至150nm。
6.根据权利要求1所述的纳米金属球的制造装置，其特征在于，该模板的纳米通道周期小于300nm。
7.根据权利要求1所述的纳米金属球的制造装置，其特征在于，该模板的纳米通道为一圆柱体中空结构。
8.根据权利要求1所述的纳米金属球的制造装置，其特征在于，该模板的纳米通道的孔径与周期比例为0.2至0.8。
9.根据权利要求1所述的纳米金属球的制造装置，其特征在于，该模板下方更进一步包括一金属网板承载，用来支撑该氧化铝模板。
10.根据权利要求9所述的纳米金属球的制造装置，其特征在于，该金属网板承载为不锈钢。
11.一种纳米金属球的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
提供一根据权利要求1所述的装置，将一熔融态的金属液体填入该容置空间中；以及
以该往复机构加压该金属液体，使该金属液体穿过该模板的纳米通道至该油浴槽中，该金属液体在该油浴槽中回熔形成多个纳米金属球。
12.根据权利要求11所述的纳米金属球的制造方法，其特征在于，该金属液体包括：锡、铋、铅或上述金属的合金。
13.根据权利要求11所述的纳米金属球的制造方法，其特征在于，该多个纳米金属球直径小于1μm。
14.根据权利要求11所述的纳米金属球的制造方法，其特征在于，该多个纳米金属球直径范围分布在100nm至1μm之间。
15.根据权利要求11所述的纳米金属球的制造方法，其特征在于，该多个纳米金属球其粒径分布低于5％。
16.一种纳米金属球的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
提供一模板，其具有多个纳米孔洞；
将熔融态的金属液体灌注于该多个纳米孔洞中；以及
将该模板置于一油浴槽中，使该多个纳米孔洞中的金属回熔形成多个纳米金属球。
17.根据权利要求16所述的纳米金属球的制造方法，其特征在于，该模板是由纯铝经过二次阳极处理所制得。
18.根据权利要求16所述的纳米金属球的制造方法，其特征在于，该多个纳米孔洞孔径小于200nm。
19.根据权利要求16所述的纳米金属球的制造方法，其特征在于，该多个纳米孔洞直径介于30至150nm。
20.根据权利要求16所述的纳米金属球的制造方法，其特征在于，该多个纳米孔洞周期小于300nm。
21.根据权利要求16所述的纳米金属球的制造方法，其特征在于，该多个纳米孔洞为一端封闭的圆柱体中空结构。
22.根据权利要求16所述的纳米金属球的制造方法，其特征在于，该多个纳米孔洞的孔径与周期比例为0.2至0.8。
23.根据权利要求16所述的纳米金属球的制造方法，其特征在于，该金属液体包括：锡、铋、铅或上述金属的合金。
24.根据权利要求16所述的纳米金属球的制造方法，其特征在于，该多个纳米金属球直径小于1μm。
25.根据权利要求16所述的纳米金属球的制造方法，其特征在于，该多个纳米金属球直径范围分布在100nm至1μm之间。
26.根据权利要求16所述的纳米金属球的制造方法，其特征在于，该多个纳米金属球其粒径分布低于5％。
27.一种纳米金属粉末，是由多个纳米金属球组成，其特征在于，该多个纳米金属球直径小于1μm，粒径分布低于5％。
28.根据权利要求27所述的纳米金属粉末，其特征在于，该多个纳米金属球直径范围分布在100nm至1μm之间。
29.根据权利要求27所述的纳米金属粉末，其特征在于，该多个纳米金属球是由权利要求1所述的装置制造。
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