JP6106852B2 - Nozzle head, metal particle manufacturing apparatus using the nozzle head, and metal particle manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、液状の材料を吐出するノズルヘッドとそれを利用した装置、方法に関する。特に、溶融金属材料を吐出し、均一な寸法を有する粒子を製造するノズルヘッドとそれを用いた装置、方法に関する。 The present invention relates to a nozzle head for discharging a liquid material, and an apparatus and method using the nozzle head. In particular, the present invention relates to a nozzle head that discharges a molten metal material to produce particles having uniform dimensions, and an apparatus and method using the nozzle head.
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分野で広く用いられている。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、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。 Uniform particles with uniform shapes are widely used in various fields including electric products regardless of their materials. For example, uniform particles of silicon dioxide produced by a sol-gel method are widely used as means for ensuring the interval between glass plates with high precision in liquid crystal panels.
また、半導体ICパッケージの回路基板への接続のため、その電極部分にはんだ粒子が用いられている。このはんだ粒子は、半導体ICパッケージ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ている。 Also, solder particles are used for the electrode portions for connection to the circuit board of the semiconductor IC package. This solder particle is called a ball grid array because the electrode arrangement of the semiconductor IC package is in a lattice shape.
このはんだ粒子を製造する手段としては、特許文献1で示されているように、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。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。このことを解決するため、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。 As means for producing the solder particles, as shown in Patent Document 1, an atomizing method in oil in which molten solder is discharged into high-temperature oil and spheroidized by surface tension is generally used. However, the molten solder is subjected to resistance by oil and its sphericity is lowered. In order to solve this problem, Patent Document 2 proposes discharging molten metal into the air using a piezoelectric actuator.
図6のノズルヘッド300の断面図を用いて、特許文献2のはんだ粒子を製造する方法を説明する。図6では、ノズルヘッド300の内部で、金属材料352を溶融する。この溶融した金属材料352をピストン320で押し、ノズル303から、金属材料352を吐出する。吐出後、金属材料352が固まり、球の半田粒子が、作製される。ピストン320は、圧電素子330で押される。
A method for producing solder particles of Patent Document 2 will be described with reference to a sectional view of the
しかしながら、金属材料352を溶融させる場合、溶融させるための槽には温度分布が生じ、溶融した金属材料352の温度が安定しない。それにより溶融した金属材料352の成分が均質化せず、吐出される金属材料352の組成に偏りが生じる。そのため、凝固した時の半田粒子の形状が安定しないという課題を有している。
However, when the
さらに溶融した金属材料352の粘度は、その温度により変化する。このため、その温度が安定しないと、粘度が変化し吐出される溶融した金属材料352の体積が安定しない。従って、形成される半田粒子の直径がばらつくという課題があった。
Further, the viscosity of the
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成分を常に均質にするとともに、吐出体積を一定に保つことのできるノズルヘッドと、そのノズルヘッドを用いた金属粒子製造装置と、金属粒子の製造方法とを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above point, and a nozzle head capable of constantly homogenizing the components of the molten metal to be discharged and keeping the discharge volume constant, and metal particles using the nozzle head It aims at providing a manufacturing apparatus and the manufacturing method of a metal particle.
上記課題を解決するため、溶融金属を吐出するノズルと、ノズルに通じ前記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、圧力室と供給室とにまたがって位置し、圧力を伝達するピストンと、ピストンを可動させる加圧部と、を備えたノズルヘッドであって、圧力室および供給室を加熱する第1の加熱機構と、ピストンを加熱する第2の加熱機構と、を設けたノズルヘッドを用いる。 In order to solve the above problems, a nozzle that discharges molten metal, a pressure chamber that generates pressure for discharging the molten metal through the nozzle, a supply chamber that supplies the molten metal to the pressure chamber, and a pressure chamber and supply A nozzle head including a piston that transmits pressure and a pressurizing unit that moves the piston, a first heating mechanism that heats the pressure chamber and the supply chamber, and a piston A nozzle head provided with a second heating mechanism for heating is used.
また、上記ノズルヘッドを用いた金属粒子製造装置を用いる。 Moreover, the metal particle manufacturing apparatus using the said nozzle head is used.
金属を供給する供給室と金属を加圧する圧力室とを加熱し、金属を溶融する第1の加熱工程と、圧力室と供給室とにまたがって位置するピストンを加熱する第2の加熱工程と、ピストンで溶融した金属を加圧する加圧工程と、圧力室のノズルより、溶融した金属を吐出する吐出工程と、を含む金属粒子作製方法を用いる。 A first heating step for heating the supply chamber for supplying the metal and a pressure chamber for pressurizing the metal to melt the metal; and a second heating step for heating the piston located across the pressure chamber and the supply chamber; A metal particle manufacturing method including a pressurizing step of pressurizing the molten metal with a piston and a discharging step of discharging the molten metal from a nozzle in the pressure chamber is used.
以上のように、本発明によれば、溶融した金属材料を圧力室内で常に対流させ、溶融金属の温度分布を常に一定の状態に保つことができるノズルヘッドを構成できる。そのため、常に一様な組成で、かつ吐出される溶融した金属材料の体積を一定化することができる。また、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、均質で、形状の良く揃った金属球の製造が可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to configure a nozzle head capable of constantly convection of a molten metal material in a pressure chamber and always maintaining a constant temperature distribution of the molten metal. Therefore, the volume of the molten metal material to be discharged can be constant with a uniform composition at all times. Moreover, sphere formation with a desired metal composition can be performed with high accuracy. Therefore, it is possible to manufacture metal balls having a uniform shape and a uniform shape.
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、実施の形態におけるノズルヘッドを正面から見た断面構造を示す模式図である。ノズルヘッド100には、素材となる金属材料を蓄える供給室102が設けられる。供給室102の周囲には加熱機構141が備えられ、金属材料をその融点以上に加熱し溶融させる。また、ノズルヘッド100は、溶融した金属を吐出するノズル103を備える。さらに、ノズル103に連通し、溶融した金属材料を吐出するための圧力を生成する圧力室104が備えられる。供給室102と圧力室104は、ピストン120によって隔てられている。従って、加熱機構141により供給室102と同時に圧力室104が外側より加熱される。また圧力室104の上方は隔壁107で密閉されている。
<Configuration>
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a cross-sectional structure of a nozzle head according to an embodiment as viewed from the front. The
また、このピストン120は、推力を発生させる圧電素子130と接続されており、圧電素子130の推力を圧力室104に伝達する作用を担う。圧電素子130は、ブラケット105により固定されている。また、圧電素子130は外部電源131と電気的に接続され、外部電源131により駆動することができる。ピストン120の圧力室104側の先端部121は尖塔状に加工が施されている。さらに、ピストン120には加熱機構142が備えられ、ピストン120を加熱する。このことにより、供給室102および圧力室104を内側から加熱することができる。
The
ノズルヘッド100は、固定具106によりテーブル(図示せず)等に固定されている。
<金属材料の供給>
次に、ノズルヘッド100への材料の供給方法について説明する。図2(a)〜図2(d)は、ノズルヘッド100のうち、圧力槽202、すなわち、供給室102および圧力室104を正面から見た断面構造を示す模式図である。
The
<Supply of metal materials>
Next, a method for supplying a material to the
図2(a)において、圧力室104および供給室102には、所望の組成による吐出を行うための、金属材料151が導入される。ここでは、金属材料151について、はんだ材料を例として説明するが、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151は、圧力室104および供給室102の周囲に備えられた加熱機構141により加熱される。
In FIG. 2A, a
一般的な電子回路の実装に用いられる、錫−銀−銅の組成からなる、はんだ材料では、その融点が221℃であるので、それ以上の温度に加熱することで、溶融することができる。 Since the melting point of the solder material having a tin-silver-copper composition used for mounting a general electronic circuit is 221 ° C., it can be melted by heating to a temperature higher than that.
図2(b)は、この溶融した金属材料152により、圧力室104および供給室102の下部が満たされた状態を表している。尚、ここでは予め粒状に加工した金属材料151を供給した図を示しているが、リボン状あるいはインゴットの形態でも、融点以上の加熱によって逐次溶融することで、圧力室104および供給室102に溶融した金属材料152が満たされていくため、問題なく使用することができる。
FIG. 2B shows a state in which the lower part of the
次いで、図2(c)において、ノズルヘッド100を、ピストン120を圧力室104に挿入する。さらに、図2(d)は、溶融した金属材料152を、吐出させている状態を示す。
Next, in FIG. 2C, the
この状態において、圧力室104と供給室102がピストン120で隔てられる。なお、圧力室104と供給室102は、完全には独立しておらず、圧力室104とピストン120の間は、予め所定の隙間108を設けるように加工されている。
In this state, the
これにより、圧力室104内の金属材料152の吐出による減少分を、供給室102から補充することができ、常に一定量の金属材料152を圧力室104内に保持することができる。
As a result, the decrease due to the discharge of the
また、ピストン120にも加熱機構142が設けられており、ピストン120の挿入により、溶融した金属材料152が凝固し、ピストン120の挿入が阻害されることが無いよう、金属材料151の融点以上に予め加熱してある。
In addition, the
尚、ノズル103は円形である。ノズル103の直径は最大でも0.5mm程度であり、溶融した金属材料152が持つ高い表面張力の効果によって、ノズル103から重力により滴下してしまうことは無い。ノズル103は円形に限られず、楕円形状でもよい。
The
<駆動>
次に、ノズルヘッド100の駆動機構について説明する。図2(d)において、ピストン120の後端部122は圧電素子130と接着剤または与圧機構などで接続がされており、圧電素子130の推力が伝達されるようになっている。ここで、圧電素子130が外部電源131により駆動されると、その動作はピストン120を通じ、圧力室104に伝達される。ピストン120の動作は圧力室104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103からの、溶融した金属材料152の吐出へと至る。この時、圧力室104とピストン120には、圧力室104へ溶融した金属材料152を供給するための隙間108が存在するが、その流路抵抗はノズル103の流路抵抗よりも大きく、圧力室104内の圧力は、ほとんどノズル103からの吐出として機能する。
<Drive>
Next, the drive mechanism of the
吐出された金属材料152は、その表面張力により球形となり、気中にて冷却されて球形成がなされる。このとき、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へ吐出および冷却されることが望ましい。
The discharged
<金属材料の状態>
次に、圧力室104における、溶融した金属材料152の状態について詳述する。図3は、圧力室104を拡大した断面図である。ここでは、加熱機構141による圧力室104の金属材料152の温度が、加熱機構142によるピストン120の温度よりも高くなる様に調節する。
<State of metal material>
Next, the state of the
例として、金属材料として錫と銀および銅の合金から形成された場合を示す。錫と銀および銅の合金はについて、その融点は221℃である。ここで、加熱機構141、142の温度は、それぞれが245℃および235℃となるよう設定する。この場合においては、加熱機構142、141の温度差は圧力室104内の溶融した金属材料152を介して滑らかに温度勾配が生成するため、溶融金属自身には中央部から端部にかけて、5℃程度の温度差が生じ、有効な対流生成に必要な2〜3℃以上の温度差を与えることができる。少なくとも2℃以上、好ましくは、3℃以上温度差があればよい。
As an example, the case where it forms from the alloy of tin, silver, and copper as a metal material is shown. For tin, silver and copper alloys, the melting point is 221 ° C. Here, the temperatures of the
これにより、圧力室の周囲の溶融した金属材料152の温度が高くなり、上昇流161が発生する。上昇流161はやがて、ピストンの先端部121に到達する。ここでは、ピストン120の温度が圧力室104の温度よりも低く設定されていることから、僅かながら冷却され、上昇流161は下降流162へと移行する。このときピストン120の先端部121は尖塔状に形成されていることで、周囲からの上昇流161が尖塔状の先端部121の形状に沿う形で、圧力室中心部へと下降流162として導かれ、上昇流から下降流への移行は澱みなく行われる。これにより、圧力室104内で溶融した金属材料152は安定した対流を生成することが可能となる。従って、溶融した金属材料152は圧力室104内で、その温度分布を常に一定に保つことが可能となる。
Thereby, the temperature of the
この安定した対流生成は、安定した攪拌となり、溶融した金属材料152の組成を常に一定に保つことにつながる。特に金属材料が複合材料からなる場合には、含まれる成分ごとの比重の違いから生じる各種材料の偏在を抑制することができる。このことは、常に均質な金属材料を吐出することに繋がる。
This stable convection generation results in stable stirring and leads to the composition of the
さらに、温度分布が安定して得られることから、溶融した金属材料の粘度を一定に保つことができる。 Furthermore, since the temperature distribution is stably obtained, the viscosity of the molten metal material can be kept constant.
図4は、金属材料152としての錫−銀−銅からなる、はんだ材料における溶融粘度と温度との関係を示したグラフである。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the melt viscosity and temperature in a solder material made of tin-silver-copper as the
図4のグラフが示す様に、金属材料152は、融点である220℃で溶融し、固体から液体へと状態変化する。このことで、急激に金属材料152の粘度が下がる。この金属材料152の溶融物をノズル103から吐出させるのは、金属材料152の融点から20℃程度昇温した温度域である。これは、温度分布のムラなどにより、完全に溶融し液体化せず、固体または固溶体の状態で存在する材料が一部に含まることを確実に避けるためである。また、この部分は、粘度の変化が激しい。よって温度を一定に保つ必要があることがわかる。より高い温度にすると、材料の変性、装置の劣化など悪影響があるので、融点から20℃程度にする。
As shown in the graph of FIG. 4, the
ここで、上記に示した圧電素子130を用いたノズルヘッド100の場合、粘度により吐出抵抗が変化することで、吐出される体積が変化してしまうため、安定した体積確保のためには、粘度の安定化が重要である。
Here, in the case of the
金属材料152の溶融温度は通常、室温よりも高い温度域であるため、温度を一様に保つことは困難であり、必ず温度分布が生じてしまう。しかしながら、本実施の形態においては、この不可避な温度分布を無くすのではなく、逆に、図3で示したように、積極的に対流を生成することにより、この温度分布が常に一定に保たれ、変化しない様にしたものである。これにより、吐出対象となるノズル103付近の金属材料の温度が、常に一定に保たれることで、吐出体積の安定化を図ることが可能となっている。
Since the melting temperature of the
ここで、図2(d)に示したように、吐出により減少した圧力室内の金属材料152の補充が、圧力室104とピストン120との隙間108を通って、供給室102からなされるために、温度変化の生じることが懸念される。しかし、ノズルジェットにおいて、生成した圧力により吐出される材料の体積は、概ね100ピコリットルから、最大でも1マイクロリットル程度である。これは、1〜10ミリリットルの圧力室体積と比較して、十分に小さく、金属材料の補充による温度変化は問題とはならない。
Here, as shown in FIG. 2D, the replenishment of the
このとき、図2(d)において、ピストン120は直径8mmであり、隙間108が50μm〜100μm程度となるよう圧力室が形成されている。金属材料152の補充は、ピストン120が前進して金属材料152を吐出させた後、初期位置へと後退する際に行われ、吐出した体積に相当する金属材料152が隙間108を通じて圧力室へと補充される。
At this time, in FIG. 2D, the
なお、隙間108の部分の開口面積は、ノズル103の開口面積より大きいのが好ましい。この理由は、吐出される溶融金属の体積の安定性を確保するためである。また、ノズル103の直径は、隙間108の開口部分の最小隙間距離より大きいことが好ましい。
The opening area of the
<変形例>
図1では、ピストン120の先端部121形状として、円錐形の形状を示したが、図5に示すように、先端部123は、半球状でもよい。楕円形、紡錘形、円錐台など、下に凸状で、中心線を基線とした回転対象であれば、同様の効果が得られる。
<Modification>
In FIG. 1, a conical shape is shown as the shape of the
また、圧力室104の下部は、ノズル103に至るにつれ、細く絞るような構造を有しているが、これはピストン120の推力により生成された圧力がノズル103に集中するよう設計したものである。図1では、圧力室104の下部は、ピストン120と相似形状であったが、これに限られない。
圧力室104の下部を円錐とした場合、その頂角は、30度〜150度程度が適当であり、好適には90度±10度程度とすることが望ましい。
Further, the lower portion of the
When the lower portion of the
本発明のノズルヘッドでは、金属材料を溶融し、吐出させるに当たり、その組成を均質化し、さらに、常に安定した体積を吐出させることが可能となった。特に溶融金属による球形成を行う場合などでは、高い直径精度で製造することができる。 In the nozzle head of the present invention, when the metal material is melted and discharged, the composition thereof is homogenized, and a stable volume can always be discharged. In particular, when forming a sphere with molten metal, it can be manufactured with high diameter accuracy.
100 ノズルヘッド
102 供給室
103 ノズル
104 圧力室
105 ブラケット
106 固定具
107 隔壁
108 隙間
120 ピストン
121 先端部
122 後端部
123 先端部
130 圧電素子
131 外部電源
141 加熱機構
142 加熱機構
151 金属材料
152 金属材料
161 上昇流
162 下降流
202 圧力槽
300 ノズルヘッド
303 ノズル
320 ピストン
330 圧電素子
352 金属材料
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記ノズルに通じ前記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
前記圧力室と前記供給室とにまたがって位置し、圧力を伝達するピストンと、
前記ピストンを可動させる加圧部と、
を備えたノズルヘッドであって、
前記圧力室および前記供給室を加熱する第1の加熱機構と、
前記ピストンを加熱する第2の加熱機構と、を設け、
前記第1の加熱機構による前記圧力室および前記供給室の温度が、前記第2の加熱機構による前記ピストンの加熱温度よりも、2℃以上高いノズルヘッド。 A nozzle for discharging molten metal;
A pressure chamber that generates pressure for discharging the molten metal through the nozzle;
A supply chamber that supplies the molten metal to the pressure chamber, a piston that is located across the pressure chamber and the supply chamber, and that transmits pressure;
A pressurizing unit for moving the piston;
A nozzle head comprising:
A first heating mechanism for heating the pressure chamber and the supply chamber;
A second heating mechanism for heating the piston ,
The nozzle head in which the temperature of the pressure chamber and the supply chamber by the first heating mechanism is higher by 2 ° C. than the heating temperature of the piston by the second heating mechanism .
前記圧力室と前記供給室とにまたがって位置するピストンを加熱する第2の加熱工程と、前記ピストンで前記溶融した金属を加圧する加圧工程と、
前記圧力室のノズルより、前記溶融した金属を吐出する吐出工程と、を含み、
前記第1の加熱工程での前記圧力室および前記供給室の温度を、前記第2の加熱工程での前記ピストンの加熱温度よりも、2℃以上高くした金属粒子作製方法。 A first heating step of heating a supply chamber for supplying metal and a pressure chamber for pressurizing the metal, and melting the metal;
A second heating step of heating a piston located across the pressure chamber and the supply chamber; and a pressurizing step of pressurizing the molten metal with the piston;
From a nozzle of said pressure chamber, it viewed including the discharge process, a for discharging the molten metal,
The metal particle manufacturing method which made temperature of the said pressure chamber and the said supply chamber in the said 1st heating process 2 degreeC or more higher than the heating temperature of the said piston in the said 2nd heating process .
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