JP2017052982A - Metallic ball formation device and metallic ball formation method - Google Patents

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山本 憲一
Kenichi Yamamoto
憲一 山本
亨 中川
Toru Nakagawa
亨 中川
良則 金築
Yoshinori Kanatsuki
良則 金築
吉田 英博
Hidehiro Yoshida
英博 吉田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal sphere formation device of discharging a molten metallic material solving the problem that the volume variation the discharged metallic material has been made high caused by the variation of the pressure in a discharge part in accordance with the consumption of the metallic material and the secular change of the metallic material, and the phenomenon has been made a cause of making the diameter of the formed metallic sphere unstable.SOLUTION: The shape of the metallic material to be discharged is acquired, and, in such a manner that the diameter of the metallic ball obtained by spheroidizing the discharged metallic material is made equal to desired dimensions, control is successively progressed to applied voltage to a piezoelectric element generating pressure, next, to the pressure in a container storing the molten metal, and to the liquid position of the metallic material in the container. In this way, the secular variation of the diameter of the metallic ball is suppressed, and the metallic ball having a fixed diameter is continuously produced.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、溶融した金属材料を吐出し均一な寸法を有する金属球を形成する方法および金属球を形成する装置に関する。   The present invention relates to a method for forming a metal sphere having a uniform size by discharging a molten metal material and an apparatus for forming the metal sphere.

形状の揃った均一な粒子は、その材質を問わず、電気製品をはじめとする様々な科学技術分野で広く用いられ、その需要は拡大の一途である。例えば、ゾルゲル法にて製造される二酸化珪素の均一粒子は、液晶パネルにおいて、液晶を封入するガラス板の間隔を精度良く確保する手段として広く用いられている。また、半導体ICパッケージの分野においても、プリント基板との接続を、従来のリードフレームのはんだ付けによる接続から、半導体ICパッケージとプリント基板の対向する電極間を接続する手段として、主にはんだ材料を用いた球が用いられている。この半導体ICパッケージの接続形態は一般には、その電極配置が格子状であることから、ボールグリッドアレイと呼ばれ、端子数が増大する半導体のパッケージ面積の拡大を抑制する手段として知られる。   Regardless of the material, uniform particles with uniform shapes are widely used in various science and technology fields including electrical products, and the demand for the particles is expanding. For example, uniform particles of silicon dioxide produced by a sol-gel method are widely used in liquid crystal panels as means for accurately ensuring the interval between glass plates that enclose liquid crystals. Also, in the field of semiconductor IC packages, the connection with the printed circuit board is mainly performed by using a solder material as a means for connecting the semiconductor IC package and the opposed electrodes of the printed circuit board from the connection by soldering the lead frame. The used sphere is used. This connection form of the semiconductor IC package is generally called a ball grid array because the electrode arrangement is in a lattice shape, and is known as a means for suppressing the expansion of the semiconductor package area in which the number of terminals increases.

このはんだ材料による球を製造する手段としては、特許文献1で示されている高温の油の中に溶融はんだを吐出し、表面張力により球形化させる油中アトマイズ法が一般に用いられている。   As means for producing a sphere of this solder material, an atomizing method in oil in which molten solder is discharged into a high-temperature oil shown in Patent Document 1 and spheroidized by surface tension is generally used.

しかしながら、溶融はんだが油による抵抗を受けて、その真球度が低下してしまう。これを解決するため、特許文献2では、圧電アクチュエータにより気中に溶融金属を吐出する提案がなされている。しかし、この方法では、溶融金属の吐出が不安定である。   However, the molten solder is subjected to resistance by oil and its sphericity is lowered. In order to solve this, Patent Document 2 proposes discharging molten metal into the air by a piezoelectric actuator. However, in this method, the discharge of molten metal is unstable.

溶融金属の吐出を安定化させるために、装置内の溶融金属の残量を取得し、圧電アクチュエータの振幅を残量に逆比例する形で制御する装置および方法が提案されている(特許文献3)。   In order to stabilize the discharge of molten metal, an apparatus and a method for acquiring the remaining amount of molten metal in the apparatus and controlling the amplitude of the piezoelectric actuator in inverse proportion to the remaining amount have been proposed (Patent Document 3). ).

特開平11−207493号公報JP-A-11-207493 特開2002−155305号公報JP 2002-155305 A 特開2003−203939号公報JP 2003-203939 A

しかしながら、装置内の溶融金属量を取得し、残量に応じた既定の信号を圧電アクチュエータに印加する方法(特許文献3)においては、金属材料組成の変更、材料の補充時に発生する急激な溶融金属量の変化、強酸化性である溶融金属の表面酸化による流動性の変化など、物理的特性変動や製造条件の変動などに即応することができず、既定量の材料を安定的に吐出することできない。その為、形成される球の直径がばらつくという課題があった。   However, in the method of acquiring the amount of molten metal in the apparatus and applying a predetermined signal corresponding to the remaining amount to the piezoelectric actuator (Patent Document 3), the rapid melting that occurs when the metal material composition is changed or the material is replenished It is not possible to immediately respond to changes in physical properties and manufacturing conditions, such as changes in metal content and changes in fluidity due to surface oxidation of molten metal, which is highly oxidizable, and stably discharges a predetermined amount of material. I can't. Therefore, there is a problem that the diameter of the formed sphere varies.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、吐出される溶融金属の体積を常に一定に保ちつつ、長時間の連続稼働を可能とすることできる金属球形成方法および金属球形成装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such points, and provides a metal sphere forming method and a metal sphere forming apparatus capable of continuous operation for a long time while keeping the volume of the molten metal to be discharged constantly constant. The purpose is to do.

上記課題を解決するため、溶融金属を吐出するノズルと、ノズルに通じ溶融金属を吐出する為の圧力を生成する圧力室と、圧力室に溶融金属を供給する供給室と、供給室内の溶融金属の容量を取得する検出機構と、供給室に溶融金属を補充する準備室と、圧力室を加圧するピストンと、ピストンを移動させる圧電素子と、吐出された溶融金属の球の形状を取得する観察機構と、観察機構から得られる情報を基に、供給室の溶融金属の量を制御する第1制御部と、観察機構から得られる情報を基に、圧電素子の動作量を制御する第2制御部と、を含む金属球形成装置を用いる。   In order to solve the above problems, a nozzle for discharging molten metal, a pressure chamber for generating pressure for discharging molten metal through the nozzle, a supply chamber for supplying molten metal to the pressure chamber, and a molten metal in the supply chamber A detection mechanism that acquires the volume of the liquid, a preparation chamber that replenishes the molten metal in the supply chamber, a piston that pressurizes the pressure chamber, a piezoelectric element that moves the piston, and an observation that acquires the shape of the discharged molten metal sphere Based on the information obtained from the mechanism and the observation mechanism, a first control unit for controlling the amount of molten metal in the supply chamber, and the second control for controlling the operation amount of the piezoelectric element based on the information obtained from the observation mechanism And a metal sphere forming apparatus including the unit.

容器内の溶融した金属材料をノズルより吐出して金属球を形成する金属球形成方法において、吐出された金属球の形状を取得し、予め設計された金属球の直径都の偏差を最小化するように、溶融した金属材料に圧力を与える圧電素子に対して印加する電圧を制御し、さらに、印加する電圧の制御域を超える場合に、容器内の圧力を制御し、さらに、容器内の圧力の制御域を超える場合に、溶融した金属材料の液位を制御する金属球形成方法を用いる。   In a metal sphere formation method in which a molten metal material in a container is discharged from a nozzle to form a metal sphere, the shape of the discharged metal sphere is acquired and the deviation of the diameter of the previously designed metal sphere is minimized. Control the voltage applied to the piezoelectric element that applies pressure to the molten metal material, and further control the pressure in the container when exceeding the control range of the applied voltage, and further the pressure in the container When the control range is exceeded, a metal sphere forming method for controlling the liquid level of the molten metal material is used.

以上のように、本発明によれば、吐出状態を常に一定に保つことで、吐出される溶融金属の体積を一定とし、その表面張力により球形化した金属球の直径を一定に保持することができる。   As described above, according to the present invention, by keeping the discharge state constant, the volume of the molten metal to be discharged can be made constant, and the diameter of the metal sphere spheroidized by the surface tension can be kept constant. it can.

そのため、所望の金属組成による球形成を高い精度で行うことができる。従って、形状の良く揃った金属球の製造が可能となる。   Therefore, sphere formation with a desired metal composition can be performed with high accuracy. Therefore, it is possible to manufacture metal spheres having a uniform shape.

実施の形態に係る金属球形成装置の構造を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of the metal sphere formation apparatus which concerns on embodiment 実施の形態の金属球形成装置における準備室に金属材料を供給した状態を示す断面図Sectional drawing which shows the state which supplied the metal material to the preparation chamber in the metal ball | bowl formation apparatus of embodiment 実施の形態の金属球形成装置における準備室において金属材料を溶融した状態を示す断面図Sectional drawing which shows the state which melted the metal material in the preparation chamber in the metal ball | bowl formation apparatus of embodiment 実施の形態の金属球形成装置の圧力室および供給室へ溶融した金属材料を導入した状態を示す断面図Sectional drawing which shows the state which introduce | transduced the molten metal material into the pressure chamber and supply chamber of the metal ball | bowl formation apparatus of embodiment 実施の形態の金属球形成装置で金属材料を吐出した状態を示す断面図Sectional drawing which shows the state which discharged the metal material with the metal ball | bowl formation apparatus of embodiment 実施の形態の実施の形態に係る信号電圧、供給室圧力、金属材料液位を制御する状態を示すフロー図The flowchart which shows the state which controls the signal voltage, supply chamber pressure, metal material liquid level which concern on embodiment of embodiment 実施の形態の実施の形態に係る信号電圧による金属球の直径可変範囲を示すグラフThe graph which shows the diameter variable range of the metal sphere by the signal voltage which concerns on embodiment of embodiment 実施の形態の実施の形態に係る供給室圧力による金属球の直径可変範囲を示すグラフThe graph which shows the diameter variable range of the metal ball | bowl by the supply chamber pressure which concerns on embodiment of embodiment 実施の形態の実施の形態に係る金属材料液位による金属球の直径可変範囲を示すグラフThe graph which shows the diameter variable range of the metal sphere by the metal material liquid level which concerns on embodiment of embodiment

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

<構成>
図1は、本発明の実施の形態における金属球形成装置の断面図である。金属球形成装置100には、素材となる金属材料101を蓄える供給室131が設けられる。供給室131の周囲には加熱機構132がある。加熱機構132は、金属材料101をその融点以上に加熱し溶融させる。供給室131には、金属材料101を補充する準備室141が電磁バルブ143を介して接続している。準備室141には、加熱機構142が配置され金属材料101をその融点以上に加熱し溶融させる。さらに、供給室131には、窓部137が備えられ、外部から金属材料の表面を観察することができる。また、外部に設けられた液面センサー133は、窓部137を介して、供給室131内で溶融している金属材料101の液面高さを取得することができる。
<Configuration>
FIG. 1 is a cross-sectional view of a metal ball forming apparatus according to an embodiment of the present invention. The metal ball forming apparatus 100 is provided with a supply chamber 131 that stores a metal material 101 as a raw material. There is a heating mechanism 132 around the supply chamber 131. The heating mechanism 132 heats and melts the metal material 101 to or above its melting point. A preparation chamber 141 for replenishing the metal material 101 is connected to the supply chamber 131 via an electromagnetic valve 143. In the preparation chamber 141, a heating mechanism 142 is arranged to heat and melt the metal material 101 to the melting point or higher. Further, the supply chamber 131 is provided with a window portion 137 so that the surface of the metal material can be observed from the outside. Further, the liquid level sensor 133 provided outside can acquire the liquid level of the metal material 101 melted in the supply chamber 131 through the window portion 137.

また、金属球形成装置100は、ノズル111を備える。さらに、ノズル111に連通する圧力室121がある。圧力室121では、溶融した金属材料101を吐出するための圧力を生成される。供給室131と圧力室121とは、ピストン112によって隔てられている。ここで、圧力室121とピストン112との間には、隙間122が設けられている。金属材料101の消費に伴い、供給室131より逐次、金属材料101が圧力室121へ供給される。また、供給室131には、吸排気管134を介して電空レギュレータ135が接続されている(圧調整部)。電空レギュレータ135は、供給室131と圧力室121との圧力を外部から制御することができる。ここで、ピストン112は、推力を発生させる圧電素子113と接続されている。ピストン112は、圧電素子113の推力を圧力室121に伝達する作用を担う。圧電素子113は、ブラケット114により固定されている。また、圧電素子113は、外部電源115と電気的に接続されている。圧電素子113は、外部電源115により駆動することができる。   The metal ball forming apparatus 100 includes a nozzle 111. Further, there is a pressure chamber 121 communicating with the nozzle 111. In the pressure chamber 121, a pressure for discharging the molten metal material 101 is generated. The supply chamber 131 and the pressure chamber 121 are separated by a piston 112. Here, a gap 122 is provided between the pressure chamber 121 and the piston 112. As the metal material 101 is consumed, the metal material 101 is sequentially supplied from the supply chamber 131 to the pressure chamber 121. In addition, an electropneumatic regulator 135 is connected to the supply chamber 131 via an intake / exhaust pipe 134 (pressure adjusting unit). The electropneumatic regulator 135 can control the pressure in the supply chamber 131 and the pressure chamber 121 from the outside. Here, the piston 112 is connected to a piezoelectric element 113 that generates thrust. The piston 112 is responsible for transmitting the thrust of the piezoelectric element 113 to the pressure chamber 121. The piezoelectric element 113 is fixed by a bracket 114. The piezoelectric element 113 is electrically connected to the external power source 115. The piezoelectric element 113 can be driven by an external power source 115.

また、圧電素子113と供給室131とは、隔壁136により隔てられている。   The piezoelectric element 113 and the supply chamber 131 are separated by a partition wall 136.

また、ノズル111の下方には、溶融した金属材料101がノズル111から吐出される状態を観察することのできる吐出観察装置151を備えられている。吐出観察装置151により、吐出された金属材料103により形成される金属球104の体積および速度が取得することができる。   Further, below the nozzle 111, a discharge observation device 151 capable of observing a state in which the molten metal material 101 is discharged from the nozzle 111 is provided. With the discharge observation device 151, the volume and speed of the metal sphere 104 formed by the discharged metal material 103 can be acquired.

さらに、金属球形成装置100は、制御装置161により、外部電源115、液面センサー133、電空レギュレータ135、電磁バルブ143、吐出観察装置151を総合的に、制御している。   Further, the metal ball forming apparatus 100 comprehensively controls the external power source 115, the liquid level sensor 133, the electropneumatic regulator 135, the electromagnetic valve 143, and the discharge observation device 151 by the control device 161.

また、これら金属球形成装置100は、固定具109によりテーブル(図示せず)等に固定されている。   These metal ball forming apparatuses 100 are fixed to a table (not shown) or the like by a fixture 109.

<金属材料の供給>
次に、金属球形成装置100への金属材料の供給方法について説明する。図2A〜図2Bは、金属球形成装置100を側面から見た断面構造を示す模式図である。
<Supply of metal materials>
Next, a method for supplying a metal material to the metal ball forming apparatus 100 will be described. 2A to 2B are schematic views showing a cross-sectional structure of the metal sphere forming apparatus 100 as viewed from the side.

図2Aにおいて、準備室141には金属材料102が固体で供給される。ここでは、金属材料として、はんだ材料を例として説明する。しかし、銅あるいはシリコン等の材料でも同様である。導入された金属材料102は準備室141内で加熱機構142により加熱し溶融される。   In FIG. 2A, the metal material 102 is supplied to the preparation chamber 141 as a solid. Here, a solder material will be described as an example of the metal material. However, the same applies to materials such as copper or silicon. The introduced metal material 102 is heated and melted by the heating mechanism 142 in the preparation chamber 141.

一般的な電子回路の実装には、錫−銀−銅を主成分とする組成からなる、はんだ材料が用いられる。しかし、その融点は221℃であるので、それ以上の温度に加熱することで、供給された材料を溶融することができる。尚、ここでは、予め棒状のインゴット形態を持つ金属材料を供給した図を示している。しかし、リボン状あるいは粒状の形態でも、融点以上の加熱によって逐次溶融することで、準備室141および供給室131に溶融した金属材料101が満たされていくため、問題なく使用することができる。   In general electronic circuit mounting, a solder material having a composition mainly composed of tin-silver-copper is used. However, since the melting point is 221 ° C., the supplied material can be melted by heating to a temperature higher than that. Here, the figure which supplied the metal material which has a rod-shaped ingot form beforehand is shown. However, even in the ribbon-like or granular form, the molten metal material 101 is filled in the preparation chamber 141 and the supply chamber 131 by being sequentially melted by heating above the melting point, and thus can be used without any problem.

図2Bは、金属材料102が加熱され、溶融した状態の金属材料101になり、準備室141内で保持されている状態を示している。この状態になると、制御装置161の指令により電磁バルブ143が開放され、金属材料101が供給室131内へと導入される。   FIG. 2B shows a state in which the metal material 102 is heated to become a molten metal material 101 and is held in the preparation chamber 141. In this state, the electromagnetic valve 143 is opened by a command from the control device 161, and the metal material 101 is introduced into the supply chamber 131.

図2Cは、所望の金属材料101が供給室131および圧力室121に供給される状態を示している。供給される金属材料101は液面センサー133によりその体積を液位として取得し所望の供給量に到達すると、制御装置161の指令により電磁バルブ143が閉鎖され供給が停止し、金属球形成装置100の運転準備が完了する。尚、ノズル111の直径は、最大でも1mm程度であり、溶融した金属材料101が持つ高い表面張力の効果によって、重力により滴下してしまうことは無い。   FIG. 2C shows a state in which the desired metal material 101 is supplied to the supply chamber 131 and the pressure chamber 121. When the volume of the supplied metal material 101 is obtained as a liquid level by the liquid level sensor 133 and reaches a desired supply amount, the electromagnetic valve 143 is closed by the instruction of the control device 161 and the supply is stopped, and the metal ball forming device 100 is stopped. Is ready for operation. In addition, the diameter of the nozzle 111 is about 1 mm at the maximum, and it is not dripped by gravity by the effect of the high surface tension which the molten metal material 101 has.

また、ここでは、金属材料101の体積を取得するため液面センサーを用い液位の取得を行っているが、温度センサーなどにより液位の取得をすることも可能である。しかしながら、温度センサーは装置に固定されるため、装置の運転中には容易にその取得液位を変更することができない。従って、液位の高精度な取得や、指定される液位すなわち体積の変更などに柔軟に対応することが容易であることから、液面センサーの採用が好適である。   Here, the liquid level is obtained using a liquid level sensor to obtain the volume of the metal material 101, but the liquid level can also be obtained by a temperature sensor or the like. However, since the temperature sensor is fixed to the apparatus, the obtained liquid level cannot be easily changed during operation of the apparatus. Accordingly, it is easy to flexibly cope with high-accuracy acquisition of the liquid level and change of the designated liquid level, that is, the volume, and therefore it is preferable to employ a liquid level sensor.

尚、溶融した金属材料101は非常に酸化性が強く、露出した面の状態が変化しやすい。そのため準備室141、供給室131において、金属材料101が供給されていない空間は窒素等の不活性ガスによって大気を置換した状態を保つことが望ましい。   Note that the molten metal material 101 is very oxidative and the state of the exposed surface is likely to change. Therefore, in the preparation chamber 141 and the supply chamber 131, it is desirable that the space where the metal material 101 is not supplied is maintained in a state where the atmosphere is replaced with an inert gas such as nitrogen.

<駆動>
次に、金属球形成装置100の駆動機構について説明する。図2Dにおいて、ピストン112の後端部には、圧電素子113が接着剤または与圧機構などで接続されている。結果、圧電素子113の推力がピストン112へ伝達されるようになっている。
<Drive>
Next, the drive mechanism of the metal ball forming apparatus 100 will be described. 2D, the piezoelectric element 113 is connected to the rear end portion of the piston 112 by an adhesive or a pressurizing mechanism. As a result, the thrust of the piezoelectric element 113 is transmitted to the piston 112.

ここで、圧電素子113が外部電源115により駆動されると、その動作はピストン112を通じ、圧力室121に伝達される。ピストン112の変位116は圧力室121内の圧力を高める作用を生じ、その圧力は、開放端であるノズル111からの、溶融した金属材料101の吐出へと至る。   Here, when the piezoelectric element 113 is driven by the external power source 115, the operation is transmitted to the pressure chamber 121 through the piston 112. The displacement 116 of the piston 112 causes an action of increasing the pressure in the pressure chamber 121, and the pressure leads to the discharge of the molten metal material 101 from the nozzle 111 which is an open end.

このとき、圧力室121とピストン112には、圧力室121へ溶融した金属材料101を供給するための隙間122が存在する。隙間122の流路抵抗は、ノズル111の流路抵抗よりも大きい。そのため、圧力室121内の圧力は、ノズル111から、溶融した金属材料101の吐出のために、働く。吐出された金属材料103は、その表面張力により球形となり、気中にて冷却され固体の球が形成される。この時、金属材料103の表面の酸化を抑制するために、窒素等の不活性ガス雰囲気中で、吐出および冷却されることが望ましい。   At this time, the pressure chamber 121 and the piston 112 have a gap 122 for supplying the molten metal material 101 to the pressure chamber 121. The flow path resistance of the gap 122 is larger than the flow path resistance of the nozzle 111. Therefore, the pressure in the pressure chamber 121 works for discharging the molten metal material 101 from the nozzle 111. The discharged metal material 103 becomes spherical due to its surface tension, and is cooled in the air to form solid spheres. At this time, in order to suppress oxidation of the surface of the metal material 103, it is desirable to discharge and cool in an inert gas atmosphere such as nitrogen.

<球形の制御>
次に、金属球形成装置100の球形の製造方法について説明する。図3は、金属球形成装置100の吐出プロセスを説明するフロー図である。
<Spherical control>
Next, a spherical manufacturing method of the metal sphere forming apparatus 100 will be described. FIG. 3 is a flowchart for explaining a discharge process of the metal sphere forming apparatus 100.

まず、『運転開始』にあたり、予め決められた液位に設定するための『液位指示』を行う。この時、制御装置161は液面センサー133の値を読み取り、所望の液位となる様、電磁バルブ143を開放し、溶融した金属材料101を供給する。   First, at the “operation start”, a “liquid level instruction” for setting a predetermined liquid level is performed. At this time, the control device 161 reads the value of the liquid level sensor 133, opens the electromagnetic valve 143 so as to obtain a desired liquid level, and supplies the molten metal material 101.

次いで、供給室131を予め決められた圧力に設定するための『圧力指示』を行う。この時、制御装置161は、電空レギュレータ135に指示し、供給室131が所望の圧力となる様に調節する。なお、本実施の形態においては、安価に使用可能な不活性ガスである窒素を供給室131に導入して設定した。   Next, a “pressure instruction” for setting the supply chamber 131 to a predetermined pressure is performed. At this time, the controller 161 instructs the electropneumatic regulator 135 to adjust the supply chamber 131 to a desired pressure. In the present embodiment, nitrogen, which is an inert gas that can be used at low cost, is introduced into the supply chamber 131 and set.

ここで、供給室131の圧力が変化する理由は以下である。供給室131には隔壁136に設けられた穴にピストン112が差し込まれている。ここをOリングで気密を確保している。しかし、ピストン112の摺動を妨げないために、供給室131は完全にシールできていない。幾分の窒素のモレがある。このため、常に窒素を供給し続けている状態である電空レギュレータ135で調整する。   Here, the reason why the pressure in the supply chamber 131 changes is as follows. In the supply chamber 131, a piston 112 is inserted into a hole provided in the partition wall 136. This is secured by an O-ring. However, the supply chamber 131 is not completely sealed so as not to prevent the piston 112 from sliding. There is some nitrogen leakage. For this reason, adjustment is performed by the electropneumatic regulator 135 which is in a state where nitrogen is constantly being supplied.

さらに、圧電素子113を駆動する信号電圧を設定するための『信号電圧指示』を行う。制御装置161は、圧電素子113を駆動するため、予め決められた信号電圧を外部電源115に指示し出力させる。   Further, a “signal voltage instruction” for setting a signal voltage for driving the piezoelectric element 113 is performed. In order to drive the piezoelectric element 113, the control device 161 instructs the external power supply 115 to output a predetermined signal voltage.

これらの制御装置161の指示により、供給室131に導入する溶融した金属材料101の液面指示、および、供給室131の圧力指示、圧電素子113を駆動する信号電圧指示を行うことで、金属球形成装置100は運転動作を開始することができる。これにより、溶融した金属材料を一定量吐出する『金属材料吐出』動作を行うことが可能となる。   According to the instructions of these control devices 161, the liquid level instruction of the molten metal material 101 introduced into the supply chamber 131, the pressure instruction of the supply chamber 131, and the signal voltage instruction for driving the piezoelectric element 113 are performed, whereby the metal ball The forming apparatus 100 can start an operation. Thereby, it is possible to perform a “metal material discharge” operation of discharging a certain amount of molten metal material.

吐出された金属材料103は所定の距離を飛翔したのちに、自身の表面張力により球形化し、金属球104を形成する。吐出観察装置151は、金属球104の『直径の取得』を行う。   After the discharged metal material 103 flies a predetermined distance, it is spheroidized by its own surface tension to form a metal sphere 104. The ejection observation device 151 performs “acquisition of diameter” of the metal sphere 104.

吐出観察装置151は、金属球104の側方より像を取得する構造を持っているため、像は金属球104を投影した2次元的な情報である。しかしながら、溶融した金属材料101の表面張力は、500〜600mN/mと高く、純水の約7倍程度高い。このため、吐出された金属材料101自身の表面エネルギーが最小となるよう自発的に球形化し、その真球度は高く、ほぼ真球として捉えることができる。そのため、吐出観察装置151が取得する2次元的な投影像は、金属球104の中心断面として捉えることができ、この像の直径を求めることで、金属球104の直径を知ることができる。   Since the ejection observation apparatus 151 has a structure for acquiring an image from the side of the metal sphere 104, the image is two-dimensional information obtained by projecting the metal sphere 104. However, the surface tension of the molten metal material 101 is as high as 500 to 600 mN / m, which is about 7 times as high as that of pure water. For this reason, it spheroidizes spontaneously so that the surface energy of the discharged metal material 101 itself is minimized, its sphericity is high, and it can be regarded as almost a sphere. Therefore, the two-dimensional projection image acquired by the ejection observation apparatus 151 can be grasped as the central cross section of the metal sphere 104, and the diameter of the metal sphere 104 can be known by obtaining the diameter of this image.

以上から、得られた直径は、制御装置161により、目標とする直径、例えば0.5mmとすると、これと比較され、『直径判定』を行う。   From the above, the obtained diameter is compared with a target diameter, for example, 0.5 mm, by the control device 161, and “diameter determination” is performed.

制御装置161は、吐出観察装置151により取得した金属球104の直径が、目標を上回る場合は、圧電素子113に印加する信号の最大電圧を降圧させる。反対に下回る場合は、昇圧する様に、圧電素子113への信号電圧を制御する。この直径を、所望の寸法に合わせ込む一連の動作は、継続的に行われる。雰囲気の温度変動等の外乱に対して、これを補償するよう動作し、常に、設計値どおりの金属球を形成することができる。   When the diameter of the metal sphere 104 acquired by the ejection observation device 151 exceeds the target, the control device 161 reduces the maximum voltage of the signal applied to the piezoelectric element 113. On the other hand, when it falls below, the signal voltage to the piezoelectric element 113 is controlled so as to increase the voltage. A series of operations for adjusting the diameter to a desired dimension is continuously performed. It operates to compensate for disturbances such as temperature fluctuations in the atmosphere, and a metal sphere as designed can always be formed.

しかしながら、実際の製造においては、溶融金属の残量の僅かな変動などによるノズル111の位置での圧力の変化といった比較的大きな変動も発生し得るものである。任意の寸法を有する金属球の製造要求に対しては、より広範囲な直径の調整が可能なパラメータを適宜選択して運用する必要がある。   However, in actual manufacturing, relatively large fluctuations such as a change in pressure at the position of the nozzle 111 due to slight fluctuations in the remaining amount of molten metal may occur. In response to the demand for manufacturing a metal sphere having an arbitrary size, it is necessary to appropriately select and operate parameters capable of adjusting a wider range of diameters.

<パラメータ制御>
圧電素子113の駆動電圧以外に、供給室131内の圧力、金属材料101の液位により、吐出される金属球104の大きさは変化する。
<Parameter control>
In addition to the driving voltage of the piezoelectric element 113, the size of the discharged metal sphere 104 varies depending on the pressure in the supply chamber 131 and the liquid level of the metal material 101.

図4A〜図4Cに、圧電素子113を駆動するために、外部電源115が出力する信号電圧、および、供給室131内の圧力、金属材料101の液位、のそれぞれの条件に対応する金属球の直径の可変域を示す。   4A to 4C, the metal sphere corresponding to the conditions of the signal voltage output from the external power supply 115, the pressure in the supply chamber 131, and the liquid level of the metal material 101 in order to drive the piezoelectric element 113. The variable range of the diameter is shown.

図4Aは、得られる金属球の直径と圧電素子113に印加される信号電圧との関係を示したグラフである。図4Aが示すように、データ取得が可能な信号電圧領域、即ち安定して吐出可能な信号電圧範囲において、金属球の直径の可変域は、中央値を中心として±5%程度である。しかしながら信号電圧による厳密な制御が可能であることから、比較的狭い可変域であるにもかかわらず、直径を精密に制御することができる。   FIG. 4A is a graph showing the relationship between the diameter of the obtained metal sphere and the signal voltage applied to the piezoelectric element 113. As shown in FIG. 4A, in the signal voltage region in which data can be acquired, that is, in the signal voltage range in which ejection can be stably performed, the variable range of the diameter of the metal sphere is about ± 5% around the median value. However, since the strict control by the signal voltage is possible, the diameter can be precisely controlled despite the relatively narrow variable range.

一方、図4Bは、得られる金属球の直径と供給室131内の圧力との関係を示したグラフである。図4Bが示すように、データ取得が可能な圧力領域、即ち安定して吐出可能な圧力範囲にいて、金属球の直径の可変域は、中央値を中心として、概ね±10%が得られる。   On the other hand, FIG. 4B is a graph showing the relationship between the diameter of the obtained metal sphere and the pressure in the supply chamber 131. As shown in FIG. 4B, in the pressure range where data can be acquired, that is, in the pressure range where ejection can be performed stably, the variable range of the diameter of the metal sphere is approximately ± 10% centered on the median value.

さらに、図4Cは、得られる金属球の直径と金属材料101の液位との関係を示したグラフである。ここで液位とは、ノズル111から金属材料101の液面までの高さを表す。   Further, FIG. 4C is a graph showing the relationship between the diameter of the obtained metal sphere and the liquid level of the metal material 101. Here, the liquid level represents the height from the nozzle 111 to the liquid surface of the metal material 101.

図4Cが示すように、データ取得が可能な液位領域、即ち安定して吐出可能な圧力範囲にいて、金属球の直径の可変域は、中央値を中心として±30%もの範囲を得ることができる。しかしながら、液位の上昇および降下時は、液面の揺れや温度の変化が生じることから、信号電圧の制御や圧力の制御と比較して、制御精度は低下する。   As shown in FIG. 4C, in the liquid level region where data can be acquired, that is, in the pressure range where stable discharge is possible, the variable range of the diameter of the metal sphere should obtain a range of ± 30% around the median. Can do. However, when the liquid level rises and falls, the liquid level fluctuates and the temperature changes, so that the control accuracy is reduced as compared with signal voltage control and pressure control.

ここで、金属材料101の例として、はんだの場合を考える。一般的な電子回路の製造に用いられる、はんだ材料の比重は7〜10と大きく、水系のインクを吐出するインクジェットシステムと比較して、その影響は、7〜10倍に拡大する。すなわち、僅か1mmの溶融はんだ液位の変化は、水の場合の7〜10mmの変化に相当する。1mmの変化を、圧力に換算すると、0.07〜0.1kPaもの圧力の変化に相当する。このことより、金属材料の容量、すなわち、液位は、金属粒子の直径を制御することのできるパラメータとして作用することがわかる。   Here, as an example of the metal material 101, a case of solder is considered. The specific gravity of a solder material used for manufacturing a general electronic circuit is as large as 7 to 10, and the influence is expanded 7 to 10 times as compared with an ink jet system that discharges water-based ink. That is, a change of the molten solder liquid level of only 1 mm corresponds to a change of 7 to 10 mm in the case of water. When a change of 1 mm is converted into a pressure, it corresponds to a change in pressure of 0.07 to 0.1 kPa. From this, it can be seen that the capacity of the metal material, that is, the liquid level, acts as a parameter capable of controlling the diameter of the metal particles.

<制御>
次に、実際の運用として、圧電素子113を駆動するために外部電源115が出力する信号電圧、および、供給室131内の圧力、金属材料101の液位、に対する制御手順について説明する。ここでは、目標となる所望の金属粒子の直径に対し、吐出観察装置151から得られた金属球104の直径が、異なっている場合について説明する。
<Control>
Next, as an actual operation, a control procedure for the signal voltage output from the external power source 115 to drive the piezoelectric element 113, the pressure in the supply chamber 131, and the liquid level of the metal material 101 will be described. Here, a case where the diameter of the metal sphere 104 obtained from the discharge observation apparatus 151 is different from the target diameter of the desired metal particle will be described.

制御装置161は、金属球104の直径が、目標値と異なっている時、以下第1段階〜第3段階を実施する。   When the diameter of the metal sphere 104 is different from the target value, the control device 161 performs the first to third steps below.

第1段階として、圧電素子113への信号電圧の昇圧による金属粒子の直径の変更を検討する。安定的な吐出が確保される条件下での、信号電圧の増減による直径の可変域は図4Aに示したとおりである。この可変域内で、所望の金属粒子の直径に制御可能な場合は、制御装置161が外部電源115へ指示し、信号電圧を変更させ、目標値へ漸近させる。反対に可変域を逸脱している場合には、信号電圧による直径の制御は実施せず、第2段階へと移行する。   As a first step, a change in the diameter of the metal particles by increasing the signal voltage to the piezoelectric element 113 will be considered. The variable range of the diameter by increasing / decreasing the signal voltage under the condition that stable ejection is ensured is as shown in FIG. 4A. When the diameter of the metal particles can be controlled within the variable range, the control device 161 instructs the external power supply 115 to change the signal voltage and gradually approach the target value. On the other hand, when the value deviates from the variable range, the diameter is not controlled by the signal voltage, and the process proceeds to the second stage.

第2段階では、供給室131内の圧力の変更による金属粒子の直径の変更の可能性を判断する。安定的な吐出が確保される条件下での、圧力の増減による直径の可変域は図4Bに示したとおりである。この可変域内で、所望の直径に制御可能な場合は、制御装置161が電空レギュレータ135へ指示し、供給室131内の圧力を変更させ、目標値へ漸近させる。反対に可変域を逸脱している場合には、圧力による直径の制御は実施せず、第3段階へと移行する。   In the second stage, the possibility of changing the diameter of the metal particles by changing the pressure in the supply chamber 131 is determined. The variable range of the diameter by increasing and decreasing the pressure under the conditions that ensure stable discharge is as shown in FIG. 4B. In the case where the desired diameter can be controlled within the variable range, the control device 161 instructs the electropneumatic regulator 135 to change the pressure in the supply chamber 131 and gradually approach the target value. On the other hand, when the temperature deviates from the variable range, the diameter is not controlled by the pressure, and the process proceeds to the third stage.

第3段階では、制御装置161が、金属材料101の液位が上昇するよう電磁バルブ143の開放側へと指示し、所定の液位に到達すると、閉塞側へと指示を行う。これにより、金属材料101の液位を上昇させて直径の拡大を行い、目標値へ漸近させる。   In the third stage, the control device 161 instructs the opening side of the electromagnetic valve 143 so that the liquid level of the metal material 101 rises, and instructs the closing side when reaching the predetermined liquid level. As a result, the liquid level of the metal material 101 is raised to increase the diameter, and asymptotically approach the target value.

このように、金属球形成装置100は、金属粒子の直径を制御するための制御因子の選択を適切に行うことで、金属粒子の直径の制御を、広範囲且つ高精度に実行することが出来る。   As described above, the metal sphere forming apparatus 100 can execute the control of the diameter of the metal particles in a wide range and with high accuracy by appropriately selecting the control factor for controlling the diameter of the metal particles.

さらに、制御装置161は、液面センサー133により供給室131の金属材料101の残量を常に取得しており、金属材料101の消費に対し、適宜、電磁バルブ143を開放し金属材料101を補充する。これにより、金属球形成装置100は金属球の形成を停止することなく継続的に行うことが出来る。このときもまた、信号電圧の制御、ならびに供給室圧力の制御を行うことができる。これは、それぞれの動作の時定数が、信号電圧の変化は1000分の1秒程度、圧力の変化は1秒から10秒程度、金属材料の液位変化は数10秒以上となっていることから、相互に干渉し、動作に影響を及ぼすことがないためである。   Furthermore, the control device 161 always acquires the remaining amount of the metal material 101 in the supply chamber 131 by the liquid level sensor 133, and appropriately replenishes the metal material 101 by opening the electromagnetic valve 143 for consumption of the metal material 101. To do. Thereby, the metal sphere forming apparatus 100 can continuously perform the formation of the metal sphere without stopping. Also at this time, the signal voltage and the supply chamber pressure can be controlled. The time constant of each operation is that the signal voltage change is about 1/1000 second, the pressure change is about 1 to 10 seconds, and the liquid level change of the metal material is several tens of seconds or more. This is because they do not interfere with each other and affect the operation.

このことは、信号電圧の制御、および供給室圧力の制御、金属材料液位の制御、を同時に実行することが可能であることを示す。このことは、実際の金属球製造においては、単独の因子を大きく変化させる事態を回避することが出来ることになり、非常に有用である。   This indicates that the control of the signal voltage, the control of the supply chamber pressure, and the control of the metal material liquid level can be performed simultaneously. This is very useful in actual metal sphere manufacturing because it is possible to avoid a situation where a single factor is greatly changed.

以上のように、本発明においては、圧電素子113への印加電圧、供給室131内の圧力および金属材料101の液位を統合して制御することで、任意の球径設定と球径維持そして連続的な製造を実現することが可能となる。   As described above, in the present invention, by arbitrarily controlling the voltage applied to the piezoelectric element 113, the pressure in the supply chamber 131, and the liquid level of the metal material 101, it is possible to arbitrarily set the sphere diameter and maintain the sphere diameter. Continuous production can be realized.

<なお>
上記では、信号電圧制御と液面(液位)制御、圧力制御であったが、信号電圧制御と液面(液位)制御との2つでもよい。図4A〜図4Cのグラフを比較して、広範囲な制御が可能な液面制御と、最も精密に制御が可能な電圧制御とで、信号圧力制御を包含することが出来る。
<Note>
In the above description, the signal voltage control, the liquid level (liquid level) control, and the pressure control are performed. However, the signal voltage control and the liquid level (liquid level) control may be used. Comparing the graphs of FIG. 4A to FIG. 4C, the signal pressure control can be included in the liquid level control capable of a wide range control and the voltage control capable of the most precise control.

また、圧力制御に関しては、信号電圧制御、液面制御より、精度よく制御が難しい。よって、信号電圧制御と液面(液位)制御との2つでもよい。   In addition, pressure control is more difficult to control with accuracy than signal voltage control and liquid level control. Therefore, two of signal voltage control and liquid level (liquid level) control may be used.

また、制御装置161は、上記例では1つであるが、複数の制御装置に分けてもよい。   In addition, although there is one control device 161 in the above example, it may be divided into a plurality of control devices.

以上のように、本発明によれば、金属材料を溶融し吐出させて、金属球を形成するに当たり、その体積を安定的に製造することが可能となった。特に、高い直径精度で連続的に製造を行うことができる。   As described above, according to the present invention, when a metal material is melted and discharged to form a metal sphere, the volume can be stably manufactured. In particular, it can be continuously manufactured with high diameter accuracy.

100 金属球形成装置
101 金属材料
102 金属材料
103 金属材料
104 金属球
109 固定具
111 ノズル
112 ピストン
113 圧電素子
114 ブラケット
115 外部電源
116 変位
121 圧力室
122 隙間
131 供給室
132 加熱機構
133 液面センサー
134 吸排気管
135 電空レギュレータ
136 隔壁
137 窓部
141 準備室
142 加熱機構
143 電磁バルブ
151 吐出観察装置
161 制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Metal sphere formation apparatus 101 Metal material 102 Metal material 103 Metal material 104 Metal sphere 109 Fixing tool 111 Nozzle 112 Piston 113 Piezoelectric element 114 Bracket 115 External power supply 116 Displacement 121 Pressure chamber 122 Gap 131 Supply chamber 132 Heating mechanism 133 Liquid level sensor 134 Intake / exhaust pipe 135 Electropneumatic regulator 136 Bulkhead 137 Window 141 Preparation chamber 142 Heating mechanism 143 Electromagnetic valve 151 Discharge observation device 161 Control device

Claims (6)

溶融金属を吐出するノズルと、
前記ノズルに通じ溶融金属を吐出する為の圧力を生成する圧力室と、
前記圧力室に前記溶融金属を供給する供給室と、
前記供給室内の前記溶融金属の容量を取得する検出機構と、
前記供給室に前記溶融金属を補充する準備室と、
前記圧力室を加圧するピストンと、
前記ピストンを移動させる圧電素子と、
前記吐出された溶融金属の球の形状を取得する観察機構と、
前記観察機構から得られる情報を基に、前記供給室の前記溶融金属の量を制御する第1制御部と、
前記観察機構から得られる情報を基に、前記圧電素子の動作量を制御する第2制御部と、
を含む金属球形成装置。
A nozzle for discharging molten metal;
A pressure chamber that generates pressure for discharging molten metal through the nozzle;
A supply chamber for supplying the molten metal to the pressure chamber;
A detection mechanism for obtaining a capacity of the molten metal in the supply chamber;
A preparation chamber for replenishing the molten metal in the supply chamber;
A piston for pressurizing the pressure chamber;
A piezoelectric element for moving the piston;
An observation mechanism for acquiring the shape of the discharged molten metal sphere;
A first control unit that controls the amount of the molten metal in the supply chamber based on information obtained from the observation mechanism;
A second control unit that controls an operation amount of the piezoelectric element based on information obtained from the observation mechanism;
A metal ball forming apparatus including:
前記観察機構から得られる情報を基に、前記圧力室、または、前記供給室の圧力を制御する第3制御部をさらに有する請求項1記載の金属球形成装置。 The metal sphere forming apparatus according to claim 1, further comprising a third control unit that controls a pressure of the pressure chamber or the supply chamber based on information obtained from the observation mechanism. 前記供給室へ前記溶融金属を供給する準備室をさらに有する請求項1または2記載の金属球形成装置。 The metal ball forming apparatus according to claim 1, further comprising a preparation chamber for supplying the molten metal to the supply chamber. 前記供給室の圧力を調整する圧力調整部をさらに有する請求項1または2記載の金属球形成装置。 The metal ball forming apparatus according to claim 1, further comprising a pressure adjusting unit that adjusts the pressure of the supply chamber. 前記供給室の前記溶融金属の量を検出する検出部をさらに有する請求項1または2記載の金属球形成装置。 The metal ball forming apparatus according to claim 1, further comprising a detection unit that detects an amount of the molten metal in the supply chamber. 容器内の溶融した金属材料をノズルより吐出して金属球を形成する金属球形成方法において、
吐出された金属球の形状を取得し、
予め設計された金属球の直径との偏差を最小化するように、前記溶融した金属材料に圧力を与える圧電素子に対して印加電圧を制御し、
さらに、前記印加電圧の制御域を超える場合には、前記容器内の圧力を制御し、
さらに、前記容器内の圧力の制御域を超える場合には、前記溶融した金属材料の前記容器内の液位を制御する金属球形成方法。
In a metal sphere forming method of forming a metal sphere by discharging a molten metal material in a container from a nozzle,
Get the shape of the ejected metal sphere,
Controlling the applied voltage to the piezoelectric element that applies pressure to the molten metal material so as to minimize the deviation from the diameter of the pre-designed metal sphere;
Furthermore, if the control range of the applied voltage is exceeded, the pressure in the container is controlled,
Furthermore, when the control range of the pressure in the said container is exceeded, the metal ball formation method which controls the liquid level in the said container of the said molten metal material.
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