JPH10211469A - Manufacturing device for spherical grain - Google Patents

Manufacturing device for spherical grain

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Publication number
JPH10211469A
JPH10211469A JP2968097A JP2968097A JPH10211469A JP H10211469 A JPH10211469 A JP H10211469A JP 2968097 A JP2968097 A JP 2968097A JP 2968097 A JP2968097 A JP 2968097A JP H10211469 A JPH10211469 A JP H10211469A
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JP
Japan
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nozzle
cell chamber
vibration
nozzle plate
horn
Prior art date
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Pending
Application number
JP2968097A
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Japanese (ja)
Inventor
Kunihiko Takeda
邦彦 武田
Toshio Takagi
俊男 高木
Hisashi Sasaki
恒 佐々木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tungaloy Corp
Original Assignee
Toshiba Tungaloy Co Ltd
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Publication date
Application filed by Toshiba Tungaloy Co Ltd filed Critical Toshiba Tungaloy Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize the mass production of spherical grains of superior shape accuracy in a cell chamber constituting a part of a manufacturing device for spherical grains manufactured by vibrating a liquefied stock solution, cutting the stock solution into uniform droplets and dropping them. SOLUTION: Nozzles 12 are bored on positions including on a face projecting a 90% contracted face of an end face of a horn 6, and preferably formed into one line disposition forming a circle. The shape of the nozzles 12 is of funnel shape, and the angle of apex α of conical sections is in the range of 60 deg.-150 deg., and the length (h) of straight sections is 0.5-3 times the opening diameter (d) and the thickness H of a nozzle plate 13 is formed in the range of 0.3mm-5mm so that the flow of the stock solution is smoothened.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、金属、各種樹
脂、超硬合金、セラミックスなどからなる均一な球状粒
体を量産するための製造装置に関し、特に、液状化した
原液を液滴にして落下させて製造する装置に組込まれる
セル室の構成に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a manufacturing apparatus for mass-producing uniform spherical particles made of metal, various resins, cemented carbide, ceramics, etc. The present invention relates to a configuration of a cell chamber incorporated in an apparatus manufactured by manufacturing.

【0002】[0002]

【従来の技術】金属や各種樹脂などからなる球状粒体を
製造する方法はいくつかあって、たとえば半田ボールを
量産する場合の従来技術には、鋳型に流し込んで成形す
る方法のほか、半田線材を機械的に切断したあとに熱勾
配を付けた高温熱媒体油の上部高温部にて溶融し下部低
温部にて硬化させる方法があり、さらにスプレードライ
ヤー法、転動造粒法、アトマイズ法等も採用されている
ものと思われる。これらの製造方法は従来より広く知ら
れた技術であるので、実際の製造に当っては、詳細は製
造会社のノウハウとして蓄積されており公にされていな
い部分が多い。このような状況下にあって、本発明者ら
は前記の如き従来技術とは全く異なる着想でもって均一
かつ高精度に球状粒体を量産する方法を創出し、その基
本的な考え方についてはすでに一部の雑誌に発表してい
る(「バウンダリー」1994年4月号)。
2. Description of the Related Art There are several methods for producing spherical particles made of metal, various resins, and the like. For example, in the prior art for mass-producing solder balls, there are a method of casting in a mold and a method of forming a solder wire. There is a method in which a high-temperature heat transfer medium oil with a thermal gradient is melted in the upper high-temperature part and hardened in the lower low-temperature part after mechanical cutting, and furthermore, spray dryer method, tumbling granulation method, atomizing method, etc. Seems to have been adopted. Since these manufacturing methods are widely known technologies, details in actual manufacturing are accumulated as know-how of the manufacturing company and many parts are not made public. Under such circumstances, the present inventors have created a method for mass-producing spherical particles with uniformity and high precision based on a completely different idea from the above-mentioned conventional technology, and have already understood the basic concept thereof. Published in some magazines (Boundary, April 1994).

【0003】この雑誌での記載内容の概略を以下に紹介
する。まず、原料の溶液の入ったタンクから溶液がポン
プアップされてセル室に注入される。セル室は円筒形を
しており、その底面は円板によって塞がれている。この
円板には貫通穴が穿設されてノズルを形成し、セル室に
送られた溶液がこのノズルから押し出される。その際、
ノズルの下から流出する溶液の形は次の三つのいずれか
となる。その一つは流速の低いときで、ぽたぽたと落ち
る液滴となり、一つは流速の高いときで、流出口の周囲
に飛散する液滴となる。もう一つはその中間にある場合
で、溶液は層流領域にあり、ノズルからの流出直後は柱
状をなす安定した流れとなる。これを液柱と呼ぶ。この
状態を作り出す流速は、溶液の表面張力、ノズルの直
径、溶液の密度の関数として表わされることが分かって
おり、層流になる条件を選択することはさほど困難なこ
とではない。液柱となった溶液もその先では自然に切断
され、液滴となって落下する。
An outline of the contents described in this magazine is introduced below. First, a solution is pumped up from a tank containing a raw material solution and injected into a cell chamber. The cell chamber has a cylindrical shape, and the bottom surface is closed by a disk. A through-hole is formed in the disk to form a nozzle, and the solution sent to the cell chamber is extruded from the nozzle. that time,
The shape of the solution flowing out from under the nozzle is one of the following three. One is a drop that drips when the flow velocity is low, and the other is a droplet that scatters around the outlet when the flow velocity is high. The other case is in the middle, where the solution is in a laminar flow region and has a stable columnar flow immediately after flowing out of the nozzle. This is called a liquid column. It has been found that the flow rate that creates this condition is a function of the surface tension of the solution, the diameter of the nozzle, and the density of the solution, and selecting conditions for laminar flow is not very difficult. The solution that has become a liquid column is also spontaneously cut off at that point, and falls as droplets.

【0004】もし液柱の先端で起きる切断が同じタイミ
ングで起きるならば均一な液滴ができるのであるが、自
然にまかせた場合、普通は不規則となる。これを均一に
切断するためにセルの中に振動発信器を組み入れて液体
を強制的に揺するようにする。セルの中の振動発信器の
表面がぶるぶる震えるので、溶液自体もある周期で震え
るようになって溶液は同じタイミングで均一に切れるよ
うになる。ダボラ(Dabora)は、レイリー(Ra
yleigh)の研究になる非粘性流体における最大不
安定周波数と呼ばれる振動数でもって加振することによ
り、均一な液滴を作り出すことに成功している。
[0004] If the cutting that occurs at the tip of the liquid column occurs at the same timing, a uniform droplet can be formed, but when left naturally, it is usually irregular. In order to cut the liquid uniformly, a vibration oscillator is incorporated in the cell so as to forcibly shake the liquid. Since the surface of the vibration transmitter in the cell trembles and shakes, the solution itself also trembles at a certain period, and the solution is uniformly cut at the same timing. Dabora has been working with Rayleigh
By vibrating at a frequency called the maximum instability frequency in a non-viscous fluid, which is to be studied in ileigh), a uniform droplet has been successfully created.

【0005】本発明者らは、流出液が均一に切れる振動
数を算出することに成功している。その計算式の詳細は
ここでは省略するが、液柱の速度とノズルの直径の関数
として表わされ、計算によれば、粒体の直径が1mmか
ら30μm程度の小さな粒体であれば、振動数はだいた
い10Hzから100kHzとなる。低い振動数の領域
は通常の音波の領域であり、小さな粒体を作る場合の振
動数は超音波の領域である。
The present inventors have succeeded in calculating the frequency at which the effluent is cut uniformly. Although the details of the calculation formula are omitted here, it is expressed as a function of the velocity of the liquid column and the diameter of the nozzle. According to the calculation, if the diameter of the particle is as small as 1 mm to 30 μm, the vibration The number is about 10 Hz to 100 kHz. The region of low frequency is the region of normal sound waves, and the frequency for producing small particles is the region of ultrasonic waves.

【0006】前記の如き方法により溶融金属などの溶液
を均一な液滴として落下させることができるようになっ
たので、液滴は自然に冷却されて均一な球状粒体として
形成されるはずである。しかしながら実際には、ノズル
から吹き出た液滴は確かに粒の揃った液滴であることが
確認できたが、床上にて得られた粒は不揃いであった。
これは落下途中の空気抵抗により粒体の落下速度に変化
が生じ、相互に近づいた粒体同士の合一が起きるためで
ある。これを防止するために、ノズルの先端に電極を置
いて液柱に印加する方法をとった。静電誘導でもって帯
電させるもので、帯電した液柱は与えられた振動によっ
て均一な液滴に切断される。液滴間の距離が近くなると
静電反発ではじかれるので、合一することなく落下して
いき、空冷されて均一な球状粒体ができあがるのであ
る。
[0006] Since a solution such as a molten metal can be dropped as uniform droplets by the above-described method, the droplets should be naturally cooled and formed as uniform spherical particles. . However, in practice, it was confirmed that the droplets ejected from the nozzle were droplets with uniform grains, but the particles obtained on the floor were irregular.
This is because the drop velocity of the granules changes due to the air resistance during the fall, and coalescence of the granules approaching each other occurs. In order to prevent this, a method was adopted in which an electrode was placed at the tip of the nozzle and applied to the liquid column. It is charged by electrostatic induction, and the charged liquid column is cut into uniform droplets by the applied vibration. When the distance between the droplets is short, the droplets are repelled by electrostatic repulsion, so that the droplets fall without coalescence and are cooled by air to form uniform spherical particles.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、綿密な
研究を積み重ねるなかで、上記の雑誌発表の内容の外に
も球状粒体を安定的に製造するためのさまざまな技術的
課題に直面し、それらを解決していった。本発明は、解
決すべき技術的課題の一つであるところのセル室の構成
に関するものであって、詳しくは、ノズルおよびノズル
プレートの配置,形状,材質、導管の材質、ホーンの材
質などを検討することによって、大きさの均一な液滴を
安定して生成できるようにしたものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The inventors of the present invention have intensively studied and, in addition to the contents of the above-mentioned journal publications, have found various technical problems for stably producing spherical granules. Faced and resolved them. The present invention relates to the configuration of a cell chamber, which is one of the technical problems to be solved. Specifically, the present invention relates to the arrangement, shape, material, conduit material, horn material, etc. of nozzles and nozzle plates. By studying, it is possible to stably generate droplets having a uniform size.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の如き
課題に鑑みなされたもので、請求項1〜請求項4の発明
は、まず、製造しようとする球状粒体の材料が予め液状
化される。液状化は、溶融やスラリー化などによってな
される。本製造装置は基本的にセル室と振動発信器とセ
ル室の底面となるノズルプレートとにより構成され、振
動発信器から発信される振動は、セル室内に延伸するホ
ーンを介して、セル室に注入された原液を加振する。ノ
ズルプレートにはノズルが穿設されるが、このときノズ
ルは、前記ホーンの軸心を中心とするホーン先端の90
%縮小面のノズルプレート上への投影面の中に配置され
るようにする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and the invention according to claims 1 to 4 is a method in which the material of the spherical particles to be produced is first liquefied. Is done. Liquefaction is performed by melting or slurrying. This manufacturing apparatus basically includes a cell chamber, a vibration transmitter, and a nozzle plate serving as a bottom surface of the cell chamber. The vibration transmitted from the vibration transmitter is transmitted to the cell chamber via a horn extending into the cell chamber. Shake the injected stock solution. A nozzle is drilled in the nozzle plate. At this time, the nozzle is positioned at the tip of the horn around the axis of the horn.
The% reduction plane is arranged in the plane of projection onto the nozzle plate.

【0009】加えて、前記ノズルの形状は、上開きとな
る円錐穴とその下端に連なるストレート穴との組合せか
らなる漏斗状をなし、前記円錐穴は、円錐の開き角度が
60゜〜150゜に形成され、前記ストレート穴は、ス
トレート穴の長さがその直径の0.5倍〜3倍の長さに
形成され、上記ノズルプレートの厚みは0.3mm〜5
mmの厚みに形成されるようにする。前記ノズルは、前
記ノズルプレート上に一列に周回する円を描いて配置さ
れるようにする。
[0009] In addition, the shape of the nozzle is a funnel comprising a combination of a conical hole opening upward and a straight hole connected to the lower end thereof, and the conical hole has a cone opening angle of 60 ° to 150 °. The straight hole has a length of 0.5 to 3 times the diameter of the straight hole, and the thickness of the nozzle plate is 0.3 mm to 5 mm.
mm. The nozzles are arranged on the nozzle plate so as to form a circle orbiting in a line.

【0010】さらに、前記ノズルプレートは、ステンレ
ス鋼,超硬合金,セラミックスのいずれかによって、あ
るいは、一般鋼材,ステンレス鋼,超硬合金,セラミッ
クスのいずれかを母材とし、これに無機物質を一層また
は多層に被覆することによって形成されるようにする。
Further, the nozzle plate is made of any one of stainless steel, cemented carbide and ceramics, or made of a general steel material, stainless steel, cemented carbide and ceramics as a base material, and further coated with an inorganic substance. Alternatively, it is formed by coating in multiple layers.

【0011】請求項5の発明は、前記セル室に原料タン
クから原液を導く導管を、可撓性を有する耐熱性配管に
よって形成することを特徴とするものである。
The invention according to claim 5 is characterized in that a conduit for guiding the undiluted solution from the raw material tank to the cell chamber is formed by a flexible heat-resistant pipe.

【0012】請求項6の発明は、前記ホーンをセラミッ
クスによって形成することを特徴とするものである。
According to a sixth aspect of the present invention, the horn is formed of ceramics.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】本発明において、ホーン先端面の
90%縮小面のノズルプレート上への投影面の中にノズ
ルが配置されるようにするのは、具体的には半田ボール
の製造実験によって確認されたもので、その詳細は後述
するが、前記の如く90%面以内にノズルが配置された
場合と、90%面を越えて配置された場合との比較にお
いて、出来上がった半田ボールの大きさの均一性に良否
の差がみられたからである。この理由については、ホー
ン先端面の外縁近くにノズルが配置されたり、ホーン先
端面から外れてノズルが配置されたりする場合は、ホー
ン先端面から遠くなることによる振動の伝播力の弱まり
や、伝播方向が斜めとなることによる振動が弱まりが、
液切れ力を低下させて、液滴の均一性が確保されないか
らではないかと考えている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the present invention, the arrangement of the nozzles on the projection surface of the horn tip surface on the nozzle plate with a 90% reduction surface is specifically described in a solder ball manufacturing experiment. Although the details will be described later, the comparison between the case where the nozzles are arranged within the 90% plane as described above and the case where the nozzles are arranged beyond the 90% plane as described above shows This is because there was a difference in quality uniformity between good and bad. The reason for this is that if the nozzle is located near the outer edge of the horn tip or the nozzle is located off the tip of the horn, the propagation force of the vibration due to the distance from the horn tip decreases, Vibration due to the diagonal direction weakens,
It is thought that the reason for this is that the uniformity of the droplets is not ensured by lowering the liquid drainage force.

【0014】ノズルの形状を漏斗状とするのは、原液が
ノズルの中を円滑に流れるようにするためである。たと
えば原液がスラリー化により得られたものである場合、
ノズル形状が不適切であると、スラリーがゲル化してノ
ズルの入口付近に次第に堆積することになり、ノズルの
入口を狭めたり、ついには塞いだりすることになる。漏
斗状形状は、液滴の流れを円滑にして堆積を防止するも
のであって、ノズルの円錐穴部の円錐の開き角度に関し
ても、これと同様の趣旨でもって推奨される角度範囲を
数値限定したものである。さらに、ノズル形状のストレ
ート穴部の穴の長さについても、その上限は、原液が詰
ることのない長さ範囲であるところのストレート穴の直
径の3倍としたものである。一方、ストレート穴の長さ
の下限については、均一な液滴の生成が可能となる最小
限の長さ範囲として、ストレート穴の直径の0.5倍と
したものである。
The reason why the shape of the nozzle is funnel-shaped is to allow the stock solution to flow smoothly through the nozzle. For example, when the stock solution is obtained by slurrying,
If the nozzle shape is inappropriate, the slurry gels and gradually accumulates near the inlet of the nozzle, and narrows or eventually blocks the inlet of the nozzle. The funnel shape smoothes the flow of droplets and prevents deposition, and the numerical value of the angle range recommended for the same purpose is also limited for the cone opening angle of the conical hole of the nozzle. It was done. Further, the upper limit of the length of the nozzle-shaped straight hole portion is set to be three times the diameter of the straight hole, which is a length range in which the undiluted solution does not clog. On the other hand, the lower limit of the length of the straight hole is set to 0.5 times the diameter of the straight hole as a minimum length range in which uniform droplets can be generated.

【0015】ノズルプレートの厚みの下限に関しては、
厚みが薄すぎる場合に振動発信器からの加振によってノ
ズルプレート自身が振動するという現象がみられたこと
から明らかになったもので、ノズルプレートが自励する
ことのない最小の厚みとして0.3mmを得たものであ
る。一方、ノズルプレートの厚みの上限は、ノズル形状
から制約を受けるもので、ストレート穴の直径(具体的
には1mm程度以下)とその長さとの関係や円錐穴部の
形状などを総合して、良好な液滴が安定的に得られる最
大の厚みとして5mmとしたものである。
Regarding the lower limit of the thickness of the nozzle plate,
This is evident from the fact that when the thickness is too thin, the nozzle plate itself vibrates due to the vibration from the vibration transmitter. The minimum thickness of the nozzle plate that is not self-excited is 0. 3 mm was obtained. On the other hand, the upper limit of the thickness of the nozzle plate is limited by the nozzle shape, and the relationship between the diameter of the straight hole (specifically, about 1 mm or less) and its length, the shape of the conical hole, and the like, The maximum thickness at which good droplets can be stably obtained is 5 mm.

【0016】セル室内やホーンなどは、通常は製造が容
易である円柱を基本とした設計がなされるが、このよう
な構成は、既述のように、振動の伝播の強さや方向の均
一性などの性能面からみても合理的であるので、ホーン
先端面は円形に形成され、これに対向するノズルプレー
ト上のノズルも円形を描くように配列されるのがより好
適である。もちろん、ノズルが描く配列円は、ホーン先
端の90%縮小円の投影円の中に含まれるようにして液
切れ力が低下しないようにする。この際、ノズルは一列
に並んで配置されるようにする。すなわち、円形に配列
された場合、たとえば二重円とならないようにする。二
重円となる配列の場合、ノズルから原液が流出するとき
に液中切断が内円側と外円側とで干渉を起こし、均一な
切断が行われないという現象が起きるからである。
The cell chamber and the horn are usually designed on the basis of a cylinder which is easy to manufacture. However, such a configuration is, as described above, uniform in strength and direction of vibration propagation. In view of the performance, it is more preferable that the tip of the horn is formed in a circular shape and the nozzles on the nozzle plate facing the horn are arranged in a circular shape. Of course, the array circle drawn by the nozzle is included in the projected circle of the 90% reduced circle at the tip of the horn so that the liquid running force does not decrease. At this time, the nozzles are arranged in a line. That is, when arranged in a circle, for example, a double circle is prevented. This is because in the case of a double circle arrangement, when the undiluted solution flows out of the nozzle, the underwater cutting causes interference between the inner circle side and the outer circle side, causing a phenomenon that uniform cutting is not performed.

【0017】ノズルプレートの材質は、水溶性スラリー
などの場合に起きる錆を防止する目的でステンレス鋼が
使用され、超硬合金やセラミックスは、原液による摩耗
を抑制しノズル寿命の延長を図る場合に使用される。被
覆されたノズルプレートは、耐摩耗性の改善が図られる
のはもちろん、原液との濡れ性を改善するような被膜と
することにより、円滑かつ安定した原液の流れを確保す
る。被膜には防錆作用もあるので、母材に一般鋼材も利
用することができる。このような被膜には、たとえばダ
イヤモンド,ダイヤモンド状炭素(DLC),CrN,
SiO2,Al23,Cr2N,TiC,TiN,AlN
などの無機物質が使用され、これらが母材に化学蒸着法
や物理蒸着法などにより一層または多層に被覆される。
The material of the nozzle plate is stainless steel for the purpose of preventing rust that occurs in the case of a water-soluble slurry or the like. Cemented carbides and ceramics are used for suppressing abrasion due to a stock solution and extending the life of the nozzle. used. The coated nozzle plate not only improves the abrasion resistance, but also ensures a smooth and stable flow of the stock solution by forming a coating that improves the wettability with the stock solution. Since the coating has a rust-preventing action, a general steel material can be used as the base material. Such coatings include, for example, diamond, diamond-like carbon (DLC), CrN,
SiO 2 , Al 2 O 3 , Cr 2 N, TiC, TiN, AlN
And the like, and these are coated on the base material in one or more layers by a chemical vapor deposition method, a physical vapor deposition method, or the like.

【0018】セル室に原料タンクから原液を導く導管
は、可撓性を有する耐熱性配管によって形成される。こ
れは、たとえばステンレス鋼管のような剛性をもつ導管
が使用された場合、振動発信器から発信される振動が、
剛性のある鋼管の影響を受けて減衰し、均一な液滴の生
成という所期の目的が達成できなくなるからである。そ
こで、たとえばテフロンチューブの如き耐熱性があって
フレキシブルである配管材を使用するようにして振動の
減衰を防止する。
The conduit for guiding the undiluted solution from the raw material tank to the cell chamber is formed by a flexible heat-resistant pipe. This is because, when a rigid conduit such as a stainless steel tube is used, the vibration transmitted from the vibration transmitter is
This is because it is attenuated under the influence of the rigid steel pipe, and the intended purpose of generating uniform droplets cannot be achieved. Therefore, a damping of vibration is prevented by using a heat-resistant and flexible piping material such as a Teflon tube.

【0019】ホーンを通して熱が逃げないように、また
振動発信器の本体にまで熱が伝わることのないように、
ホーン材質にはセラミックスが使用される。
To prevent heat from escaping through the horn, and to prevent heat from being transmitted to the body of the vibration transmitter,
Ceramics are used as the horn material.

【0020】[0020]

【実施例】次に、この発明の実施例について、図を参照
しながら説明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0021】図1および図2は本球状粒体の製造装置の
一実施例であって、図1はその基本的な構成を摸式的に
示したものである。本図において、原料タンク1には、
製造しようとする球状粒体の材料を溶融やスラリー化な
どにより液状化された原液が溜められる。この原液は導
管2を通じてセル室3に注入される。原液の注入方法に
はガスの圧力を利用して押出すなどいくつかの方法がと
られるが、ここでは駆動原として高温高精度ポンプ4が
採用されている。
FIGS. 1 and 2 show an embodiment of the present spherical particle producing apparatus. FIG. 1 schematically shows the basic structure of the apparatus. In this figure, the raw material tank 1 includes:
A stock solution liquefied by melting or slurrying the material of the spherical particles to be produced is stored. This stock solution is injected into the cell chamber 3 through the conduit 2. There are several methods for injecting the undiluted solution, such as extrusion using gas pressure. Here, a high-temperature high-precision pump 4 is used as a driving source.

【0022】一方、セル室3には、超音波発信器である
振動発信器5からホーン6が延びていて、その先端が内
蔵される。セル室3の下方の構成は、この発明の主題で
はないので、上記雑誌に記載した通りのものとする。す
なわち、セル室3の下方に、セル室3より液滴7となっ
て落下する原液に電荷を印加する電極8が配設される。
静電誘導でもって帯電した液滴7は、液滴同士が接近し
たとしても反発し合って合一することがなく、落下途中
で空冷および/または自然乾燥されて、球状粒体として
固まって回収容器9に貯蔵される。このような空中落下
方法は、特にスラリー化された原液に好適するものであ
って、溶融にて得られる原液に対しては油冷など別の方
法がとられることがあるが、詳細な説明は省略する。
On the other hand, in the cell chamber 3, a horn 6 extends from a vibration transmitter 5 which is an ultrasonic transmitter, and has a built-in tip. Since the configuration below the cell chamber 3 is not the subject of the present invention, it is assumed to be as described in the above-mentioned magazine. That is, below the cell chamber 3, an electrode 8 for applying a charge to the undiluted solution that falls as a droplet 7 from the cell chamber 3 is provided.
Even if the droplets approach each other, the droplets 7 charged by the electrostatic induction do not repel each other and do not unite. The droplets 7 are air-cooled and / or air-dried during the fall, and solidified as spherical particles and collected. Stored in container 9. Such a method of dropping in the air is particularly suitable for a stock solution that has been made into a slurry, and another method such as oil cooling may be used for a stock solution obtained by melting, but a detailed description is not given. Omitted.

【0023】図2は、前記セル室3の断面拡大図であ
る。セル室3は、部品となる円板やフランジ付き円筒を
組み合わせて本体10としたものであって、各部品はボ
ルト11により一体物に締結されている。また、セル室
3の底面にはノズル12の穿設されたノズルプレート1
3があり、液洩れ防止用のパッキン14を介して挟持さ
れている。
FIG. 2 is an enlarged sectional view of the cell chamber 3. The cell chamber 3 is formed by combining a disk or a flanged cylinder as a part to form a main body 10, and the parts are integrally fastened by bolts 11. A nozzle plate 1 having a nozzle 12 is provided on the bottom of the cell chamber 3.
3 which are sandwiched via a packing 14 for preventing liquid leakage.

【0024】原液が溶融金属のように高温によって得ら
れる材料では、原料タンク1からセル室3への流入途中
やセル室3内で温度低下が起きる。温度低下によって悪
化した原液の流動性を回復するために再加熱する必要が
生じた場合には、セル室3の外周にヒーターを配して加
熱するようにする。したがって、セル室3には、たとえ
ばアルミニウム合金の如く、熱伝導に優れる材料が好適
する。同時に、溶融金属である原液とアルミニウム合金
との反応を予防するために、セル室3の内壁面には硬質
アルマイト処理を施すとよい。
In the case of a material whose undiluted solution is obtained at a high temperature, such as a molten metal, a temperature drop occurs during the flow from the raw material tank 1 to the cell chamber 3 or in the cell chamber 3. If it becomes necessary to reheat the stock solution, which has deteriorated due to the temperature drop, to recover the fluidity of the stock solution, a heater is arranged around the outer periphery of the cell chamber 3 for heating. Therefore, a material excellent in heat conduction, such as an aluminum alloy, is suitable for the cell chamber 3. At the same time, a hard alumite treatment is preferably applied to the inner wall surface of the cell chamber 3 in order to prevent a reaction between the stock solution, which is a molten metal, and the aluminum alloy.

【0025】セル室3の中心部には、振動発信器5から
延びるホーン6の先端が内蔵されている。セル室3の内
部は単純な円柱状の空間となっているが、その上部では
ホーン6のフランジとの間に凹凸を形成するようにし、
該凹凸部にOリング15を組込むことにより原液の漏出
を防止している。その他にも構成上やむを得ず継ぎ目の
形成された箇所にもシールを施す必要があり、セル室3
の下部にはOリング16を組込んである。ホーン6は、
原液が高温である場合に、ホーン6を通して熱が逃げな
いように、また振動発信器5の本体にまで熱が伝わらな
いように、ホーン6はセラミックスで形成されている。
The tip of a horn 6 extending from the vibration transmitter 5 is built in the center of the cell chamber 3. Although the inside of the cell chamber 3 is a simple columnar space, the upper portion thereof is formed with irregularities between the horn 6 and the flange.
By incorporating an O-ring 15 into the uneven portion, leakage of the stock solution is prevented. In addition to the above, it is necessary to seal a portion where the seam is formed unavoidably due to the configuration.
An O-ring 16 is incorporated in the lower part of the. Horn 6
The horn 6 is formed of ceramic so that when the undiluted solution has a high temperature, heat does not escape through the horn 6 and does not reach the main body of the vibration transmitter 5.

【0026】本体10の側面には導管2の一端が螺合
し、原料タンク1からポンプアップされた原液が、導管
2から貫通穴17を通ってセル室3の内部まで注入され
る。導管2は可撓性を有する耐熱性配管が使用され、振
動発信器から発信される振動が減衰しないようにされ
る。
One end of the conduit 2 is screwed into the side surface of the main body 10, and the undiluted solution pumped up from the raw material tank 1 is injected into the cell chamber 3 from the conduit 2 through the through hole 17. A flexible heat-resistant pipe is used for the conduit 2 so that the vibration transmitted from the vibration transmitter is not attenuated.

【0027】セル室3に注入された原液は、ノズル12
より流出することになるが、このときホーン6より発信
される振動、好ましくは超音波の整列矩形波パルス状の
波形により加振されて均一な大きさに切断され、液滴7
となって落下するようになる。原液の切断は1パルスご
とになされるので、加振する振動数に相応した数量が生
成される。たとえば、10kHzの振動数であれば、ノ
ズル12の1穴につき1秒間に1万個の液滴7が生成さ
れるわけで、これにノズル12の穴数を掛合わせた数量
が1秒間に生成されることになる。振動数は、製造しよ
うとする球状粒体の粒径によって決まる。
The stock solution injected into the cell chamber 3 is
At this time, the liquid droplets 7 are vibrated by the vibration transmitted from the horn 6, preferably, by a pulse-like waveform of an aligned rectangular wave of ultrasonic waves, and cut into a uniform size.
And fall. Since the stock solution is cut for each pulse, a quantity corresponding to the vibration frequency is generated. For example, if the frequency is 10 kHz, 10,000 droplets 7 are generated per second per one hole of the nozzle 12, and the number obtained by multiplying this by the number of holes of the nozzle 12 is generated per second. Will be done. The frequency is determined by the particle size of the spherical particles to be produced.

【0028】図3はノズルプレート13を示し、図4は
そのノズル部断面における拡大図である。ノズルプレー
ト13は円板状をなし、ノズル12は、ノズルプレート
13上に同心円を描くように一列に配列して穿設されて
いる。ノズル12の配列円の直径D1は、円柱状をなす
ホーン6の先端面の直径D2を90%縮小した大きさの
同心円を、対向するノズルプレート13上に投影して得
られる円の中に含まれる大きさとなっている。
FIG. 3 shows the nozzle plate 13, and FIG. 4 is an enlarged view of the nozzle section. The nozzle plate 13 has a disk shape, and the nozzles 12 are arranged in a row on the nozzle plate 13 so as to draw concentric circles. The diameter D 1 of the array circle of the nozzles 12 is the diameter of a circle obtained by projecting a concentric circle having a size obtained by reducing the diameter D 2 of the tip surface of the horn 6 having a cylindrical shape by 90% onto the opposed nozzle plate 13. It is the size included in.

【0029】表1は、半田ボールの製造実験における結
果を示すもので、配列円の直径D1と先端面の直径D2
の比と、ボールの精度との関係を調べたものである。ボ
ールの精度は、ボール同士の大きさの均一性と、一個の
ボールにおける縦横寸法の計測比でみた真球度で表わさ
れている。実験結果より、殊に寸法の均一性に関し、D
1/D2の比で90%を境界として性能差が現われること
が分かる。また、ノズル12の配列円が前記90%円の
範囲内にあれば、ホーン6の先端面の投射円と同心にな
い場合であっても優良な精度が得られることが分かる。
しかしながら、同心としないことに積極的な意味はな
く、通常は製造しやすい同心配列が採用される。
[0029] Table 1 shows the results in the production experiment of solder balls, in which examined the ratio between the diameter D 2 of diameter D 1 and the front end surface of the array circle, the relationship between the accuracy of the ball. The accuracy of a ball is represented by the uniformity of the size of the balls and the sphericity of the ball as measured by the measurement ratio of the vertical and horizontal dimensions of one ball. The experimental results show that D
It can be seen that the performance difference appears 90% as a boundary in a ratio of 1 / D 2. Further, it can be seen that if the arrangement circles of the nozzles 12 are within the range of the 90% circle, excellent accuracy can be obtained even when the circles are not concentric with the projection circle on the tip surface of the horn 6.
However, there is no positive meaning in not being concentric, and concentric arrangements that are easy to manufacture are usually employed.

【0030】[0030]

【表1】 ノズル12の形状は、上開きとなる円錐穴と、その下端
に連なるストレート穴とが組合された漏斗状として、原
液が円滑に滞りなく流れるように配慮される。前記円錐
穴部の円錐の開き角度αは60゜〜150゜に形成され
るが、これも半田ボールの製造実験から確認されたもの
で、その概略が表2に示されている。表2は、開き角度
αがボールの精度に及ぼす影響を表わしたもので、その
結果、寸法の均一性に関して差が現われている。
[Table 1] The shape of the nozzle 12 is a funnel shape in which a conical hole opening upward and a straight hole connected to the lower end thereof are combined so that the undiluted solution flows smoothly and smoothly. The opening angle α of the cone of the conical hole portion is formed in the range of 60 ° to 150 °. This is also confirmed from a solder ball manufacturing experiment, and the outline thereof is shown in Table 2. Table 2 shows the effect of the opening angle α on the accuracy of the ball, and as a result, differences appear in the dimensional uniformity.

【0031】[0031]

【表2】 ノズル12のストレート穴部におけるストレート穴の長
さhは、均一な液滴の生成が実現する最小の大きさとし
て、その直径dの0.5倍から、原液の円滑な流出が確
保される最大の大きさとして、その直径dの3倍までの
範囲に設定される。ノズルプレート13の厚みHは、加
振によってノズルプレート自身が自励することのない最
小の厚みである0.3mmから、良好な液滴が安定的に
得られる最大の厚みである5mmの範囲で設定される。
[Table 2] The length h of the straight hole in the straight hole portion of the nozzle 12 is 0.5 times the diameter d of the straight hole as the minimum size for realizing uniform droplet generation. Is set in a range up to three times the diameter d. The thickness H of the nozzle plate 13 ranges from 0.3 mm, which is the minimum thickness at which the nozzle plate itself does not excite itself due to vibration, to 5 mm, which is the maximum thickness at which good droplets can be stably obtained. Is set.

【0032】ノズルプレート13の材質、すなわち直接
的にはノズル12の穴の内面の材質には、ステンレス
鋼,超硬合金,セラミックスなどが使用されるか、ある
いは一般鋼材,ステンレス鋼,超硬合金,セラミックス
のいずれかを母材として無機物質を化学蒸着法および/
または物理蒸着法にて一層または多層に被覆されたもの
が使用される。これらの材質は、原液である材料、球状
粒体に要求される品質や精度、本製造装置のコスト的な
側面などによって適宜選択される。ちなみに、半田ボー
ルの製造実験におけるノズルプレート13の材質と製造
されたボールの精度との関係が表3に示されている。
As the material of the nozzle plate 13, that is, directly the inner surface of the hole of the nozzle 12, stainless steel, cemented carbide, ceramics, or the like, or general steel, stainless steel, cemented carbide, or the like is used. Inorganic substances are made by chemical vapor deposition using either
Alternatively, one coated in one or more layers by physical vapor deposition is used. These materials are appropriately selected depending on the material used as the stock solution, the quality and precision required for the spherical particles, the cost aspect of the present manufacturing apparatus, and the like. Incidentally, Table 3 shows the relationship between the material of the nozzle plate 13 and the accuracy of the manufactured ball in a solder ball manufacturing experiment.

【0033】[0033]

【表3】 [Table 3]

【0034】[0034]

【発明の効果】液状化した原液を液滴にして落下させる
ことにより製造するようにした球状粒体の製造装置にお
いて、本発明によれば、ノズルおよびノズルプレートの
配置,形状,材質、導管の材質、ホーンの材質などを適
切に選択し設定できるようになるために、原液の液詰り
の予防,濡れ性の改善,ノズルの防錆,ノズルの寿命延
長などが図られて、本発明の目的とする大きさの均一な
液滴が安定して製造できるようになり、もってこの液滴
が固まることによって得られる球状粒体は、優れた寸法
精度を有する球状粒体となっている。
According to the present invention, there is provided an apparatus for producing spherical particles, which is produced by dropping a liquefied stock solution into droplets, and according to the present invention, the arrangement, shape, material, and conduit of nozzles and nozzle plates. The purpose of the present invention is to prevent the clogging of the stock solution, improve the wettability, prevent the nozzle from rusting, extend the life of the nozzle, etc. so that the material and horn material can be selected and set appropriately. Droplets having a uniform size can be produced stably, and the spherical particles obtained by solidifying the droplets are spherical particles having excellent dimensional accuracy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例である装置全体の構成を示す
概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an entire apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1のセル室の断面図である。FIG. 2 is a sectional view of the cell chamber of FIG.

【図3】図1のノズルプレートを示し、(a)は平面
図、(b)はA−A線に沿う断面図である。
3A and 3B show the nozzle plate of FIG. 1, wherein FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA.

【図4】図3(b)のノズル部分の拡大図である。FIG. 4 is an enlarged view of a nozzle portion of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 原料タンク 3 セル室 4 ポンプ 5 振動発信器 6 ホーン 7 液滴 8 電極 12 ノズル 13 ノズルプレート D1 ノズルの配列円の直径 D2 ホーンの先端面の直径 H ノズルプレートの厚み d ストレート穴の直径 h ストレート穴の長さ α 開き角度DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Raw material tank 3 Cell chamber 4 Pump 5 Vibration transmitter 6 Horn 7 Droplet 8 Electrode 12 Nozzle 13 Nozzle plate D 1 Diameter of array circle of nozzle D 2 Diameter of tip surface of horn H Thickness of nozzle plate d Diameter of straight hole h Straight hole length α Opening angle

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 製造しようとする球状粒体の材料が液状
化されて注入されるようにしたセル室と、該セル室に注
入された原液に振動を加える振動発信器とにより構成さ
れるとともに、前記セル室の底面となるノズルプレート
にはノズルが穿設され、前記ノズルから流出する原液
が、振動発信器より延伸するホーンを介した加振によっ
て切断されて液滴となって落下し、落下途中に固まるこ
とにより大きさの均一な球状粒体が量産されるようにし
た球状粒体の製造装置において、 前記ノズルプレートに穿設されるノズルは、上記ホーン
の軸心を中心とするホーン先端の90%縮小面のノズル
プレート上への投影面の中に配置されていることを特徴
とする球状粒体の製造装置。
1. A cell chamber in which a material of a spherical particle to be produced is liquefied and injected, and a vibration transmitter for applying vibration to a stock solution injected into the cell chamber. A nozzle is formed in a nozzle plate serving as a bottom surface of the cell chamber, and the undiluted solution flowing out of the nozzle is cut off by vibration through a horn extending from a vibration transmitter to drop as droplets, In a spherical particle manufacturing apparatus in which spherical particles having a uniform size are mass-produced by being solidified during dropping, a nozzle formed in the nozzle plate is provided with a horn centered on an axis of the horn. An apparatus for producing a spherical particle, wherein a 90% reduced surface at the tip is disposed in a projection plane onto a nozzle plate.
【請求項2】 上記ノズルの形状は、上開きとなる円錐
穴とその下端に連なるストレート穴とが組合されてなる
漏斗状をなし、前記円錐穴は、円錐の開き角度が60゜
〜150゜に形成され、前記ストレート穴は、ストレー
ト穴の長さがその直径の0.5倍〜3倍の長さに形成さ
れ、上記ノズルプレートの厚みは0.3mm〜5mmの
厚みに形成されることを特徴とする請求項1に記載の球
状粒体の製造装置。
2. The nozzle has a funnel shape in which a conical hole opening upward and a straight hole connected to a lower end thereof are combined, and the conical hole has a cone opening angle of 60 ° to 150 °. The straight hole has a length of 0.5 to 3 times the diameter of the straight hole, and the thickness of the nozzle plate is 0.3 mm to 5 mm. The apparatus for producing spherical particles according to claim 1, wherein:
【請求項3】 上記ノズルは、上記ノズルプレート上に
一列に周回する円を描いて配置されることを特徴とする
請求項1または請求項2に記載の球状粒体の製造装置。
3. The apparatus for producing spherical particles according to claim 1, wherein the nozzles are arranged on the nozzle plate so as to draw a circle orbiting in a line.
【請求項4】 上記ノズルプレートは、ステンレス鋼,
超硬合金,セラミックスのいずれかによって、あるい
は、一般鋼材,ステンレス鋼,超硬合金,セラミックス
のいずれかを母材とし、これに無機物質を一層または多
層に被覆することによって形成されることを特徴とする
請求項1〜請求項3のいずれかに記載の球状粒体の製造
装置。
4. The nozzle plate is made of stainless steel,
It is characterized by being formed of either cemented carbide or ceramics, or by using one of general steel, stainless steel, cemented carbide or ceramics as a base material and coating it with one or more inorganic substances. An apparatus for producing a spherical particle according to any one of claims 1 to 3.
【請求項5】 製造しようとする球状粒体の材料が液状
化されて注入されるようにしたセル室と、該セル室に注
入された原液に振動を加える振動発信器とにより構成さ
れるとともに、前記セル室の底面となるノズルプレート
にはノズルが穿設され、前記ノズルから流出する原液
が、振動発信器より延伸するホーンを介した加振によっ
て切断されて液滴となって落下し、落下途中に固まるこ
とにより大きさの均一な球状粒体が量産されるようにし
た球状粒体の製造装置において、 前記セル室に原料タンクから原液を導く導管は、可撓性
を有する耐熱性配管によって形成されることを特徴とす
る球状粒体の製造装置。
5. A cell chamber in which the material of the spherical particles to be produced is liquefied and injected, and a vibration transmitter for applying vibration to the stock solution injected into the cell chamber. A nozzle is formed in a nozzle plate serving as a bottom surface of the cell chamber, and the undiluted solution flowing out of the nozzle is cut off by vibration through a horn extending from a vibration transmitter to drop as droplets, In a manufacturing apparatus for spherical granules in which spherical granules having a uniform size are mass-produced by being solidified during dropping, a conduit for leading a stock solution from a raw material tank to the cell chamber is a flexible heat-resistant pipe. An apparatus for producing spherical particles, characterized by being formed by:
【請求項6】 製造しようとする球状粒体の材料が液状
化されて注入されるようにしたセル室と、該セル室に注
入された原液に振動を加える振動発信器とにより構成さ
れるとともに、前記セル室の底面となるノズルプレート
にはノズルが穿設され、前記ノズルから流出する原液
が、振動発信器より延伸するホーンを介した加振によっ
て切断されて液滴となって落下し、落下途中に固まるこ
とにより大きさの均一な球状粒体が量産されるようにし
た球状粒体の製造装置において、 前記ホーンは、セラミックスによって形成されることを
特徴とする球状粒体の製造装置。
6. A cell chamber in which the material of the spherical particles to be produced is liquefied and injected, and a vibration transmitter for applying vibration to the stock solution injected into the cell chamber. A nozzle is formed in a nozzle plate serving as a bottom surface of the cell chamber, and the undiluted solution flowing out of the nozzle is cut off by vibration through a horn extending from a vibration transmitter to drop as droplets, An apparatus for manufacturing a spherical particle, wherein a spherical particle having a uniform size is mass-produced by solidifying during dropping, wherein the horn is formed of ceramics.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000127451A (en) * 1998-10-27 2000-05-09 Eastman Kodak Co Ink jet printer
US6517602B2 (en) 2000-03-14 2003-02-11 Hitachi Metals, Ltd Solder ball and method for producing same
JP2009169404A (en) * 2007-12-19 2009-07-30 Ricoh Co Ltd Carrier for electrophotographic developer, electrophotographic developer, electrophotographic developing method, and process cartridge
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JP2014131033A (en) * 2012-12-18 2014-07-10 Lam Research Ag Method and device for processing wafer shape article
JP2022533329A (en) * 2019-05-13 2022-07-22 ズロドウスキ,ルカシュ Sonotrode for handling liquid metal and method for handling liquid metal

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