TWI647033B - Nozzle head, metal particle manufacturing apparatus using the same, and metal particle manufacturing method - Google Patents

Abstract

本發明的課題在於，在用來吐出熔融後的金屬材料之噴嘴頭中，熔融狀態的金屬材料之溫度分布變大，結果所吐出之金屬材料發生組成偏差、體積不穩定。

所使用的噴嘴頭，係具備：用來吐出熔融金屬之噴嘴、與噴嘴連通而生成為了吐出前述熔融金屬的壓力之壓力室、用來對壓力室供給熔融金屬之供給室、設置成橫跨壓力室和供給室而用來傳遞壓力之活塞、以及使活塞活動之加壓部；該噴嘴頭還設有：用來加熱壓力室及供給室之第1加熱機構、及用來加熱活塞之第2加熱機構。此外，所採用的金屬粒子製造裝置，係使用上述噴嘴頭。

Description

噴嘴頭及使用該噴嘴頭之金屬粒子製造裝置、以及金屬粒子製造方法

本發明是關於用來吐出液狀的材料之噴嘴頭及利用其之裝置、方法。特別是關於將熔融金屬材料吐出而製造具有均一尺寸的粒子之噴嘴頭、及使用其之裝置、方法。

形狀一致之均一粒子，不分材質被廣泛應用於包括電氣製品之各種領域。例如，使用溶膠凝膠法所製造的二氧化矽的均一粒子，在液晶面板中，作為高精度地確保玻璃板的間隔之手段而被廣泛地使用。

此外，為了將半導體IC封裝體連接於電路基板，在其電極部分是使用焊料粒子。該焊料粒子，因為半導體IC封裝體的電極配置成格子狀，而被稱為球柵陣列。

作為該焊料粒子的製造手段，如專利文獻1所示般，一般是採用油中粉化法，其是在高溫的油中將熔融焊料吐出，利用表面張力使其球形化。然而，熔融焊料受到油的阻力，其真球度會降低。為了解決此問題，在專利文獻2提出，利用壓電致動器在氣體中將熔融金屬吐出。

使用圖6的噴嘴頭300之剖面圖，說明專利文獻2的焊料粒子之製造方法。在圖6，是在噴嘴頭300的內部讓金屬材料352熔融。該熔融後的金屬材料352藉由活塞320按壓，而從噴嘴303將金屬材料352吐出。吐出後，金屬材料352凝固，製作出球狀的焊料粒子。活塞320是被壓電元件330按壓。

[專利文獻1]日本特開平11-207493號公報

[專利文獻2]日本特開2002-155305號公報

然而，在讓金屬材料352熔融的情況，在用來使其熔融的槽會產生溫度分布，熔融後的金屬材料352之溫度並不穩定。起因於此，熔融後的金屬材料352的成分無法均質化，所吐出之金屬材料352的組成會發生偏差。因此，存在有凝固時的焊料粒子的形狀不穩定的課題。

再者，熔融後的金屬材料352的黏度，會依其溫度而改變。因此，當其溫度不穩定時，黏度會改變而使所吐出之熔融後的金屬材料352的體積不穩定。因此，所形成的焊料粒子的直徑變得不均一。

本發明是有鑑於上述問題點而開發完成的，其目的是為了提供一種噴嘴頭，其所吐出之熔融金屬的成分始終均質且吐出體積能保持一定，並提供使用該噴嘴頭之金屬粒子製造裝置以及金屬粒子之製造方法。

為了解決上述課題所採用的噴嘴頭，係具備：用來吐出熔融金屬之噴嘴、與噴嘴連通而生成為了吐出前述熔融金屬的壓力之壓力室、用來對壓力室供給熔融金屬之供給室、設置成橫跨壓力室和供給室而用來傳遞壓力之活塞、以及使活塞活動之加壓部；該噴嘴頭還設有：用來加熱壓力室及供給室之第1加熱機構、及用來加熱活塞之第2加熱機構。

此外，所採用的金屬粒子製造裝置，係使用上述噴嘴頭。

所採用的金屬粒子製造方法，係包含：將用來供給金屬的供給室和用來加壓金屬的壓力室予以加熱而使金屬熔融之第1加熱步驟、將設置成橫跨壓力室和供給室之活塞予以加熱的第2加熱步驟、利用活塞將熔融後的金屬加壓之加壓步驟、以及從壓力室的噴嘴將熔融後的金屬吐出之吐出步驟。

如以上所記載，依據本發明，可將噴嘴頭構成為，使熔融後的金屬材料在壓力室內始終對流，而將熔融金屬的溫度分布保持成始終一定的狀態。因此，可獲得始終一致的組成，且能使所吐出之熔融後的金屬材料的體積一定化。此外，可高精度地形成具有期望的金屬組成之球體。 因此，可謀求均質且形狀一致之金屬球的製造。

100‧‧‧噴嘴頭

102‧‧‧供給室

103‧‧‧噴嘴

104‧‧‧壓力室

105‧‧‧托架

106‧‧‧固定具

107‧‧‧間隔壁

108‧‧‧間隙

120‧‧‧活塞

121‧‧‧前端部

122‧‧‧後端部

123‧‧‧前端部

130‧‧‧壓電元件

131‧‧‧外部電源

141‧‧‧加熱機構

142‧‧‧加熱機構

151‧‧‧金屬材料

152‧‧‧金屬材料

161‧‧‧上昇流

162‧‧‧下降流

202‧‧‧壓力槽

300‧‧‧噴嘴頭

303‧‧‧噴嘴

320‧‧‧活塞

330‧‧‧壓電元件

352‧‧‧金屬材料

圖1係顯示本發明的實施形態之噴嘴頭的構造之剖面圖。

圖2(a)係顯示朝向本發明之噴嘴頭的壓力室及供給室供給金屬材料的狀態之剖面圖，圖2(b)係顯示在本發明之噴嘴頭的壓力室及供給室使金屬材料熔融後的狀態之剖面圖，圖2(c)係顯示將本發明之噴嘴頭的驅動單元插入的狀態之剖面圖，圖2(d)係在本發明的噴嘴頭使金屬材料熔融後的狀態之剖面圖。

圖3係顯示本發明的實施形態之壓力室內的金屬材料的狀態之剖面圖。

圖4係顯示熔融後的金屬材料的黏度和溫度的關係圖。

圖5係顯示本發明的實施形態之活塞的變形例之剖面圖。

圖6係顯示習知的噴嘴頭的構造之剖面圖。

以下，針對本發明的實施形態，參照圖式作說明。

<構成>

圖1係顯示將實施形態之噴嘴頭從正面觀察的剖面構 造之示意圖。在噴嘴頭100，設有用來儲存作為原材料的金屬材料之供給室102。在供給室102的周圍設置加熱機構141，用來將金屬材料加熱到其熔點以上而使其熔融。此外，噴嘴頭100係具備將熔融後的金屬吐出之噴嘴103。再者還具備：與噴嘴103連通而生成為了將熔融後的金屬材料吐出的壓力之壓力室104。供給室102和壓力室104是被活塞120隔開。因此，藉由加熱機構141將供給室102和壓力室104同時從外側施以加熱。此外，壓力室104的上方是藉由間隔壁107施以密閉。

此外，該活塞120，是與讓推力發生的壓電元件130連接，而發揮將壓電元件130的推力傳遞至壓力室104的作用。壓電元件130是藉由托架105施以固定。此外，壓電元件130是與外部電源131電氣連接，可藉由外部電源131予以驅動。活塞120之壓力室104側的前端部121被加工成尖塔狀。再者，在活塞120設有加熱機構142，用來將活塞120加熱。藉此，能將供給室102及壓力室104從內側施以加熱。

噴嘴頭100是藉由固定具106固定於載台(未圖示)等。

<金屬材料的供給>

接下來，說明對噴嘴頭100之材料的供給方法。圖2(a)~圖2(d)係顯示，將噴嘴頭100當中的壓力槽202、亦即供給室102及壓力室104從正面觀察的剖面構造之示意 圖。

圖2(a)中，在壓力室104及供給室102，將用來以所期望的組成進行吐出之金屬材料151導入。在此，關於金屬材料151，雖是以焊料材料為例作說明，但銅或矽等的材料也是同樣的。所導入的金屬材料151，藉由設置於壓力室104及供給室102的周圍之加熱機構141施以加熱。

一般電子電路的構裝所使用之錫-銀-銅的組成所構成之焊料材料，其熔點為221℃，可藉由加熱至其熔點以上的溫度而使其熔融。

圖2(b)係顯示，該熔融後的金屬材料152充滿壓力室104及供給室102之下部的狀態。又在此雖圖示出供給事先加工成粒狀之金屬材料151，但條帶狀或錠塊的形態也是，藉由熔點以上的加熱使其逐漸熔融，能使壓力室104及供給室102逐漸充滿熔融後的金屬材料152，因此可毫無問題地使用。

接下來，在圖2(c)中，將噴嘴頭100之活塞120插入壓力室104。接著，圖2(d)係顯示將熔融後的金屬材料152吐出的狀態。

在該狀態下，壓力室104和供給室102是被活塞120隔開。又壓力室104和供給室102並非完全獨立的，是加工成在壓力室104和活塞120之間事先設有既定的間隙108。

藉此，壓力室104內之金屬材料152經由吐出所減少的量，可從供給室102進行補充，而能始終將一定量的金 屬材料152保持於壓力室104內。

此外，在活塞120也設有加熱機構142，事先加熱到金屬材料151的熔點以上，以避免因活塞120的插入造成熔融後的金屬材料152凝固而阻害活塞120的插入。

又噴嘴103是圓形的。噴嘴103的直徑頂多為0.5mm左右，利用熔融後的金屬材料152所具有的高表面張力效果，避免因重力而從噴嘴103滴下。噴嘴103並不限定為圓形，亦可為橢圓形。

<驅動>

接下來說明噴嘴頭100的驅動機構。在圖2(d)中，活塞120的後端部122是與壓電元件130藉由黏著劑或施壓機構等進行連接，以傳遞壓電元件130的推力。在此，當壓電元件130被外部電源131驅動時，其動作通過活塞120傳遞到壓力室104。活塞120的動作產生將壓力室104內的壓力提高的作用，該壓力造成從位於開放端之噴嘴103之熔融後的金屬材料152之吐出。這時，在壓力室104和活塞120之間，雖存在有用來朝向壓力室104供給熔融後的金屬材料152之間隙108，其流路阻力比噴嘴103的流路阻力更大，壓力室104內的壓力幾乎都造成從噴嘴103之吐出而發揮作用。

吐出後的金屬材料152，利用其表面張力而成為球形，在氣體中被冷卻而形成球體。這時，為了抑制表面的氧化，較佳為朝向氮氣等的惰性氣體氛圍氣中進行吐出及 冷卻。

<金屬材料的狀態>

接下來，針對壓力室104中之熔融後的金屬材料152的狀態詳細地說明。圖3係將壓力室104放大的剖面圖。在此是調節成，使利用加熱機構141加熱之壓力室104之金屬材料152的溫度比利用加熱機構142加熱之活塞120的溫度更高。

作為例子，係顯示金屬材料是由錫、銀及銅的合金所形成的情況。錫、銀及銅的合金之熔點為221℃。在此，加熱機構141、142的溫度分別設定為245℃及235℃。在此情況，加熱機構142、141的溫度差可透過壓力室104內之熔融後的金屬材料152而生成平滑的溫度梯度，因此熔融金屬本身從中央部至端部產生5℃左右的溫度差，可賦予為了生成有效對流所需之2~3℃以上的溫度差。只要至少有2℃以上的溫度差即可，較佳為3℃以上溫度差。

如此，壓力室周圍之熔融後的金屬材料152的溫度變高，而發生上昇流161。上昇流161不久到達活塞的端部121。在此，因為活塞120的溫度設定成比壓力室104的溫度更低，會被稍微冷卻，使上昇流161轉移成下降流162。這時，因為活塞120的前端部121形成為尖塔狀，來自周圍的上昇流161以沿著尖塔狀之前端部121的形狀的方式成為下降流162而被導向壓力室中心部，可使從上昇流往下降流的轉移流暢地進行。藉此，在壓力室104內 熔融後的金屬材料152可生成穩定的對流。因此，熔融後的金屬材料152在壓力室104內，其溫度分布可保持始終一定。

該穩定的對流生成，成為穩定的攪拌，而與將熔融後的金屬材料152之組成始終保持一定密切相關。特別是當金屬材料是由複合材料所構成的情況，可抑制所含的各成分之比重不同所產生之各種材料的分布不均。這點是與始終吐出均質的金屬材料密切相關。

再者，因為使溫度分布穩定，能將熔融後的金屬材料的黏度保持一定。

圖4係顯示，作為金屬材料152之錫-銀-銅所構成的焊料材料之熔融黏度和溫度的關係圖。

如圖4所示般，金屬材料152在熔點220℃會熔融，而從固體狀態朝液體狀態變化。因此會使金屬材料152的黏度急劇降低。讓該金屬材料152的熔融物從噴嘴103吐出的溫度，是從金屬材料152的熔點昇溫20℃左右的溫度區域。這是為了確實地避免起因於溫度分布不均等，造成無法完全地熔融、液化，而含有一部分以固體或固溶體的狀態存在的材料。此外，該部分之黏度的變化劇烈。因此必須將溫度保持一定。當成為更高的溫度時，會發生材料變質、裝置劣化等的不良影響，因此設定為比熔點高20℃左右。

在此，在使用上述所示的壓電元件130之噴嘴頭100的情況，因為隨著黏度不同吐出阻力會改變，而使所吐出 的體積改變，為了確保穩定的體積，黏度的穩定化是重要的。

金屬材料152的熔融溫度通常在比室溫更高的溫度區域，很難將溫度保持一致，必然會產生溫度分布。然而，在本實施形態中，並非將該不可避免的溫度分布除去，相反地，如圖3所示般，藉由積極地生成對流，使該溫度分布始終保持一定而不改變。藉此，使成為吐出對象之噴嘴103附近之金屬材料的溫度始終保持一定，而謀求吐出體積的穩定化。

在此，如圖2(d)所示般，通過壓力室104和活塞120的間隙108而從供給室102補充因吐出所減少之壓力室內的金屬材料152，因此有產生溫度變化之虞。然而，在噴嘴噴射中，利用所生成的壓力而吐出之材料體積是大致100微微升~最大1微升左右。這比起1~10毫升之壓力室體積乃非常小，因此金屬材料的補充所導致的溫度變化完全不會造成問題。

這時，在圖2(d)中，活塞120直徑為8mm，以間隙108成為50μm~100μm左右的方式形成壓力室。在活塞120前進而將金屬材料152吐出後，當活塞120朝向初期位置後退時進行金屬材料152的補充，相當於所吐出的體積之金屬材料152通過間隙108而往壓力室進行補充。

又間隙108的一部分之開口面積較佳為比噴嘴103的開口面積更大。其理由是為了確保所吐出之熔融金屬的體積之穩定性。此外，噴嘴103的直徑較佳為比間隙108之 開口部分的最小間隙距離更大。

<變形例>

在圖1，作為活塞120之前端部121形狀雖示出圓錐形的形狀，但如圖5所示般，前端部123亦可為半球狀。橢圓形、紡錘形、圓錐台等，只要是往下凸的形狀且以中心線為基線之旋轉對象的話，可獲得同樣的效果。

此外，壓力室104的下部具有朝向噴嘴103而變細的構造，此設計是為了使利用活塞120的推力所生成的壓力集中於噴嘴103。在圖1，壓力室104的下部成為與活塞120相似的形狀，但並不限定於此。

當壓力室104的下部呈圓錐狀的情況，其頂角宜為30度~150度左右，較佳為90度±10度左右。

[產業利用性]

本發明的噴嘴頭，在將金屬材料熔融而使其吐出時，能使其組成均質化且始終吐出穩定的體積。特別是在使用熔融金屬來形成球體的情況等，能以高直徑精度進行製造。

Claims (11)

1. 一種噴嘴頭，其特徵在於，係具備：用來吐出熔融金屬之噴嘴、與前述噴嘴連通而生成為了吐出前述熔融金屬的壓力之壓力室、用來對前述壓力室供給前述熔融金屬之供給室、設置成橫跨前述壓力室和前述供給室而用來傳遞壓力之活塞、以及使前述活塞活動之加壓部；該噴嘴頭還設有：用來加熱前述壓力室及前述供給室之第1加熱機構、及用來加熱前述活塞之第2加熱機構。
2. 如申請專利範圍第1項之噴嘴頭，其中，將利用前述第1加熱機構加熱之前述壓力室及前述供給室的溫度，設定成比利用前述第2加熱機構加熱之前述活塞的加熱溫度為更高的溫度。
3. 如申請專利範圍第2項之噴嘴頭，其中，前述更高的溫度為2℃以上。
4. 如申請專利範圍第1項之噴嘴頭，其中，前述活塞之前端部的形狀呈尖塔狀。
5. 如申請專利範圍第4項之噴嘴頭，其中，前述尖塔狀之前端的角度為30度~150度。
6. 如申請專利範圍第1項之噴嘴頭，其中，在前述活塞和前述壓力室之間具有間隙。
7. 如申請專利範圍第6項之噴嘴頭，其中， 前述間隙的開口面積比前述噴嘴的開口面積更大。
8. 如申請專利範圍第6項之噴嘴頭，其中，前述間隙的開口部分之最小距離比前述噴嘴的直徑小。
9. 如申請專利範圍第6項之噴嘴頭，其中，前述間隙為50μm~100μm。
10. 一種金屬粒子製造裝置，其特徵在於，是使用如申請專利範圍第1至9項中任一項之噴嘴頭。
11. 一種金屬粒子製造方法，係包含：將用來供給金屬的供給室和用來加壓前述金屬的壓力室予以加熱而使前述金屬熔融之第1加熱步驟、將設置成橫跨前述壓力室和前述供給室之活塞予以加熱的第2加熱步驟、利用前述活塞將前述熔融後的金屬加壓之加壓步驟、以及從前述壓力室的噴嘴將前述熔融後的金屬吐出之吐出步驟。