專利名稱：制備焊錫球的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備電子封裝用焊錫球的裝置，特別是制備BGA及CSP封裝用焊錫球 的裝置，屬于電子產(chǎn)品封裝材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電子產(chǎn)品的輕薄短小、高頻、高效率及多功能的需要使BGA (Ball Grid Array)及 CSP (Chip Scale Package)封裝技術(shù)得到迅速的發(fā)展，它們正逐步取代傳統(tǒng)的插腳封裝、 導(dǎo)線架封裝技術(shù)。焊錫球則是用于BGA、 CSP封裝、起電氣互連及機(jī)械支撐作用的材料。所 用焊錫球尺寸一般為0.2-1. 2mm，在真圓度、公差上都有較高的要求。焊錫球的制備工藝包括剪切熱熔成型法、拋射法、熔融液滴固化法等。剪切熱熔成型法是目前市售焊錫球的主要生產(chǎn)方法，工藝流程包括焊錫原料拉絲或軋 板、剪切或沖板、在有溫度梯度的熱介質(zhì)中熔融并成型、過濾、洗滌、干燥、篩選。該方 法工藝流程長且設(shè)備投資較大，另外所生產(chǎn)產(chǎn)品規(guī)格有限，很難生產(chǎn)0.3mm以下的焊錫球。專利文獻(xiàn)CN1476954A所公開的拋射法是將熔融焊錫注入旋轉(zhuǎn)的帶孔容器中，在離心作 用下將焊錫拋射進(jìn)冷卻介質(zhì)中成型。該方法生產(chǎn)的焊錫球球形度難以保證，且顆粒大小不 均勻，成品率較低。根據(jù)液滴產(chǎn)生形式不同，熔融液滴固化法可以分為流體自然斷裂法(JP2002-192383A、 JP2001-340992A)和振動分散法(US6517602B2、 US6312498B1、 US5266098、 US6554166B2、 US6540129B2、 CN1309529C)。流體自然斷裂法是通過壓力將熔融焊錫從小孔中擠出，在重 力作用下斷裂成液滴，液滴在表面張力作用下收圓，而后在冷卻介質(zhì)中凝固，該方法很難 控制焊錫球的大小。振動分散法是將熔融焊錫從小孔中壓出形成噴射流，噴射流在一定頻 率的外力擾動作用下斷裂形成液滴，液滴通過表面張力收圓，而后在冷卻介質(zhì)中凝固成球。 因振動分散能較均勻控制液滴大小而成為研發(fā)的焦點(diǎn)。但目前所公開的振動分散法存在以下的缺點(diǎn)(1)用氣體壓力控制流量，隨著熔融焊 錫的消耗，焊錫液面動態(tài)下移，這樣，噴嘴處壓力隨焊錫消耗而逐漸減小，從而使流量逐 漸減小，最終導(dǎo)致焊錫球尺寸分布不均；(2)不能連續(xù)給料， 一批料用完后需要重新加料、 抽真空、充壓，影響生產(chǎn)效率；(3)當(dāng)分散液滴在液體介質(zhì)中固化成型時，需要洗滌干燥， 工藝復(fù)雜，流程較長，成本較高；當(dāng)分散液滴在室溫惰性氣體中成型時，液滴行程大(如
文獻(xiàn)CN1309529C，成型柱長達(dá)7_9m)，設(shè)備龐大操作不便，而且顆粒在容器底部沖擊大， 易使顆粒變形。另外，振動分散法在設(shè)備上存在的一個難點(diǎn)就是如何解決固定的成型系統(tǒng)與動態(tài)的噴 嘴之間的密封連接。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種連續(xù)給料且能較精確控制給料流量的給料系統(tǒng)，以解決振動 分散法制備焊錫球時因壓力變化導(dǎo)致熔融焊錫流量不穩(wěn)的問題以及生產(chǎn)中不能連續(xù)給料的 問題。本發(fā)明的另一目的是提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、工藝簡單的熔融焊錫液滴固化成型系統(tǒng)，以 解決焊錫液滴在液體介質(zhì)中固化成型使工藝復(fù)雜的問題以及在室溫惰性氣體中固化成型而 使設(shè)備龐大的問題。本發(fā)明還有一個目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單的連接噴嘴與成型裝置的密封機(jī)構(gòu)。本發(fā)明制備焊錫球的裝置包括給料系統(tǒng)、液體分散機(jī)構(gòu)和液滴固化成型系統(tǒng)。給料系 統(tǒng)將焊錫料熔融后通過氣體壓力經(jīng)過管道輸送至位于液滴固化成型系統(tǒng)上方的液體分散機(jī) 構(gòu)，液體分散機(jī)構(gòu)將熔融焊錫均勻分散成顆粒，顆粒通過表面張力作用成球狀，并通過液 滴固化成型系統(tǒng)冷卻凝固成球。所述的給料系統(tǒng)包括熔池、給料罐、連接熔池與給料罐的電磁閥、真空管道及閥門、 給壓管道及閥門。本發(fā)明的給料系統(tǒng)主體包括一個用于溶解固體焊錫料的熔池1和一個用于向噴嘴10給 料的給料罐24。熔池1和給料罐24都可以通過電熱絲加熱并能進(jìn)行溫度控制。給料罐24 位于熔池l下部，給料罐24與熔池1之間有一個泄料閥25。泄料閥25可以為電磁閥，由 置于給料罐24中的料位計26和料位計27控制其開合。熔池1和給料罐24的上端都有氣 體管道引出，兩個罐體經(jīng)過分流閥3、充壓閥6通過管道相連。熔池1與分流閥3之間的管 道上有一支管，支管上裝有一個放壓閥2;放壓閥2與分流閥3之間的管道上有一支管，支 管上裝有排氣閥4，排氣閥4的另一端與真空泵相連；分流閥3與充壓閥6之間的管道上有 一支管，支管上裝有進(jìn)氣閥5，進(jìn)氣閥5的另一端與氣源相連。給料罐24與分配器9之間 通過管道連接，管道外包有保溫材料，管道上裝有給料闊23。給料是通過如下操作實(shí)現(xiàn)的將焊錫料加入熔池l，此時，放壓閥2、進(jìn)氣閥5、給料 閥23為關(guān)閉狀態(tài)；分流閥3、排氣閥4、充壓閥6、泄料閥25為開啟狀態(tài)。接著開啟真空 泵對熔池1和給料罐24抽真空；待真空度達(dá)到要求，關(guān)閉排氣閥4，開進(jìn)氣閥5，向熔池l 和給料罐24充入惰性氣體；在惰性氣體的保護(hù)下將熔池1和給料罐24加熱到設(shè)定溫度使 熔池內(nèi)焊錫熔融，在此過程中，熔池1中的熔融焊錫會流到給料罐24中，當(dāng)給料罐24中 的焊錫液面到達(dá)24-1處時，泄料閥25自動關(guān)閉；在保溫10min以上后，開啟給料閥23并 調(diào)節(jié)惰性氣體壓力至合適值，此時，給料罐24中的熔融焊錫在壓力作用下經(jīng)過管道傳輸至 分配器9，分配器9再將焊錫液分配給各個噴嘴10。噴嘴10處熔融焊錫的流量可以用公式1表示<formula>formula see original document page 5</formula> (1)式(1)中。表示每個噴嘴的熔融焊錫流量；n表示分配器9所配的噴嘴數(shù)；^表示噴 嘴孔徑；/^表示給料罐24中惰性氣體壓力；/4表示給料罐24中熔融焊錫液面至噴嘴10之 間的垂直距離。可見，當(dāng)噴嘴數(shù)目n和噴嘴孔徑^一定時，氣壓A和/4決定了熔融焊錫的流量"而 當(dāng)給料罐24內(nèi)氣壓一定時，將/4穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)就能保證熔融焊錫的流量在允許范圍內(nèi) 波動，從而保證焊錫球尺寸在允許公差范圍內(nèi)。噴嘴10處熔融焊錫的流量控制是通過以下來實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明所述的給料罐24配有料 位計26和料位計27。料位計26和料位計27所感應(yīng)的液面分別為24-2和24-1。液面24-1 與24-2之間的距離經(jīng)過計算得出，能保證所制備的焊錫球在允許公差范圍內(nèi)。隨著給料的 進(jìn)行，給料罐24中熔融焊錫的液面逐漸下降，當(dāng)液面降至24-2時，料位計26將感應(yīng)信號 傳給泄料閥25，泄料閥25自動開啟使熔池l中的熔融焊錫流入給料罐24中；當(dāng)給料罐24 中熔融焊錫液面到24-l時，料位計27將感應(yīng)信號傳給泄料閥25，泄料閥25自動關(guān)閉。這 樣，能保證給料罐24中的液面保持在24-1與24-2之間，最終能確保焊錫球尺寸在允許公 差范圍內(nèi)。連續(xù)給料是通過如下操作實(shí)現(xiàn)的當(dāng)熔池1中的焊錫用盡時，需要向熔池1中添加固 體焊錫料。首先關(guān)閉分流閥3，然后開啟放壓閥2，待熔池l中壓力為零，關(guān)閉放壓閥2、 打開熔池1的密封蓋并加入焊錫料。接著蓋上熔池1的密封蓋、開啟排氣閥4對熔池1抽 真空；當(dāng)熔池1內(nèi)真空度達(dá)到所需值，關(guān)閉排氣閥4，開啟分流閥3對熔池1充壓直到壓力 穩(wěn)定。這樣就可以在不停止對分配器9給料的情況下實(shí)現(xiàn)對給料罐24的加料。本發(fā)明所述的熔融焊錫液滴固化成型系統(tǒng)包括一個氣體分布環(huán)、 一個與氣體分布環(huán)下 端相連的成型柱。所述的氣體分布環(huán)用來輸送常溫的惰性氣體，以防止從噴嘴出來的熔融 焊錫被氧化；所述的成型柱用來通入低溫的惰性氣體，以保證熔融焊錫液滴在較短行程內(nèi) 凝固。之所以使用氣體分布環(huán)，是為了保證焊錫液滴有足夠空間通過表面張力收圓，否則， 成型柱中的低溫氣體容易導(dǎo)致液滴未收圓即凝固或使噴嘴出口處焊錫凝固而使噴嘴堵塞。 為了提供足夠的收圓空間，本發(fā)明所述的氣體分布環(huán)高度不小于20cm。這樣，在焊錫液滴 的行程范圍內(nèi)形成了雙層氣流，上層為常溫惰性氣體，下層為低溫惰性氣體。所述的氣體分布環(huán)13為中空的環(huán)形圓柱體，水平方向上分為兩層，上下兩層內(nèi)側(cè)都均 勻分布有氣孔；上下層的外側(cè)分別與進(jìn)氣管12和出氣管21相連，進(jìn)氣管12與出氣管21 最好處于同一垂直平面的相對位置。所述的成型柱15與氣體分布環(huán)13相連，所述的成型柱15為雙層夾套16結(jié)構(gòu)，可以 抽成真空以防止內(nèi)外氣體通過器壁熱傳遞。在成型柱上部和下部分別有氣流導(dǎo)向環(huán)14、 17， 其結(jié)構(gòu)為中空環(huán)形柱狀，內(nèi)側(cè)均勻分布有氣孔。下部氣流導(dǎo)向環(huán)17與進(jìn)氣管19相連，用 于向成型柱15中導(dǎo)入分布均勻的低溫的惰性氣體；上部的氣流導(dǎo)向環(huán)14與出氣管20相連， 用于將成型柱15中的氣體導(dǎo)出，防止低溫氣體進(jìn)入氣體分布環(huán)13中。出氣管20可與出氣 管21相連通。成型柱底端可以為錐形，以利于收集凝固的焊錫球；錐形底部裝有放料閥18， 用于將成型柱15中的焊錫球放出。本發(fā)明的成型柱中的熱交換介質(zhì)為惰性氣體，如氮?dú)狻?氬氣、氮?dú)馀c氫氣混合氣、氬氣與氫氣的混合氣等，其溫度為2-8"C。由于介質(zhì)溫度低，可 以縮短液滴凝固過程的行程，所以本發(fā)明的成型柱高度比用常溫氣體進(jìn)行熱交換的成型柱 短了很多，約l-3m。本發(fā)明所述的噴嘴與成型裝置之間的連接是通過波紋補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)的，如圖l所示，所述 的波紋補(bǔ)償器11底部與氣體分布環(huán)13通過密封墊圈連接，上部與分配器9通過密封墊圈 連接。所述的密封墊圈需耐高溫，材質(zhì)可為石墨或銅。生產(chǎn)時，信號接收器8接收信號發(fā) 生器7的信號使連桿28作上下運(yùn)動，由于波紋補(bǔ)償器11具有彈性，連桿28帶動分配器9 及噴嘴10 —起上下振動，從而將噴嘴10處的焊錫流體均勻分散成液滴22。本發(fā)明所述的焊錫球的制備裝置克服和解決了目前本技術(shù)領(lǐng)域存在的一些缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了 生產(chǎn)的連續(xù)性，提高了產(chǎn)品的成品率，且設(shè)備緊湊便于操作。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1.熔池，2.放壓閥，3.分流閥，4.排氣閥，5.進(jìn)氣閥，6.充壓閥，7.信號發(fā)生器，8.信號接收器，9.分配器，10.噴嘴，11.波紋補(bǔ)償器，12.進(jìn)氣 管，13.氣體分布環(huán)，14.氣體導(dǎo)向環(huán)，15.成形柱，16.夾套，17.氣體導(dǎo)向環(huán)，18.放料 閥，19.進(jìn)氣管，20.出氣管，21.出氣管，22.液滴，23.給料閥，24.給料灌，25.泄料閥，26. 料位計，27.料位計，28.連桿，24-1.焊錫液面，24-2.焊錫液面；所述給料系統(tǒng)包括1、 2、 3、 4、 5、 6、 23、 24、 24-1、 24-2、 25、 26、 27;液體分散機(jī)構(gòu)包括7、 8、 9、 10、 11、 28;液滴固化成型系統(tǒng)包括12、 13、 14、 15、 16、 17、 18、 19、 20、 21。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例說明本發(fā)明。 實(shí)施例一圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。包括給料系統(tǒng)、液滴分散機(jī)構(gòu)、液滴固化成型系統(tǒng)。其 中給料系統(tǒng)包括熔池1、給料罐24、連接熔池1與給料罐24的泄料闊25、連接給料罐24 與分配器9的管道、給料閥23以及連接于熔池1和給料罐24之間的氣路。液滴分散機(jī)構(gòu) 包括一個信號發(fā)生器7、接收信號發(fā)生器7的信號并帶動連桿28運(yùn)動的信號接收器8，與 連桿28相連并裝有噴嘴10的分配器9、連接分配器9和氣體分布環(huán)13的波紋補(bǔ)償器11。 液滴固化成型系統(tǒng)包括氣體分布環(huán)13、成型柱15及與它們相連的管道12、 20、 21、 19。整個制備過程通過如下操作實(shí)現(xiàn)的將焊錫料加入熔池l，此時，放壓閥2、進(jìn)氣閥5、 給料閥23為關(guān)閉狀態(tài)；分流閥3、排氣閥4、充壓閥6、泄料閥25為開啟狀態(tài)。接著開啟 真空泵對熔池1和給料罐24抽真空；待真空度達(dá)到要求，關(guān)閉排氣閥4，開進(jìn)氣閥5，向 熔池1和給料罐24充入氮?dú)?；在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下將熔池1和給料罐24加熱到設(shè)定溫度使烙 池內(nèi)焊錫熔融，在此過程中，熔池1中的熔融焊錫會流到給料罐24中，當(dāng)給料罐中的焊錫 液面到達(dá)24-1處時，泄料閥25自動關(guān)閉；保溫10inin。與此同時，將氣體分布環(huán)13、成形柱15抽真空，氣流通過管21、管20輸出；待成型 柱15內(nèi)真空度達(dá)到要求，從管道12通入常溫的氮?dú)狻墓艿?9通入溫度為2-8r氮?dú)猓?同時開啟連接出氣管20的抽氣裝置。此時，氣體分布環(huán)13內(nèi)走的為常溫氮?dú)饬?；對成?柱15，低溫氮?dú)鈴倪M(jìn)氣管19進(jìn)入氣流導(dǎo)向環(huán)17，氣流導(dǎo)向環(huán)17將低溫氮?dú)饩鶆蛳蛏蟼鬏敚?最后經(jīng)過氣流導(dǎo)向環(huán)14從排氣管20排出。保持成形柱中壓力穩(wěn)定后，開信號發(fā)生器7和 信號接收器8，通過連桿28帶動分配器9振動。開給料閥23并調(diào)節(jié)給料罐的壓力至合適值， 熔融焊錫經(jīng)閥門23流向分配器9，最后將焊錫液分配給各個噴嘴10。此時，熔融焊錫以噴 射流的形式噴出，在振動作用下被均勻切割成液滴，液滴在表面張力作用下成球22。熔融 錫球22在成形柱15中下落過程中，與低溫氮?dú)獍l(fā)生熱交換而凝固成焊錫球。最后，焊錫 球在成形柱15下端收集，通過放料閥18放出。實(shí)施例二制備成品焊錫球的工藝步驟包括原料熔融、錫球成型、篩分、分選、檢驗(yàn)、包裝。按 照實(shí)施例一所制備的焊錫球接著用滾筒篩篩選，剔除過大和過小的焊錫球，使焊錫球在允 許公差范圍內(nèi)。將尺寸合格的焊錫球用振動臺分選，可以將真圓度合格的焊錫球顆粒與畸 形顆粒分離。所述的畸形顆粒包括扁顆粒、異形顆粒、連體顆粒。分選后的顆粒經(jīng)檢驗(yàn)合 格，最后采用真空包裝以防止氧化。
權(quán)利要求
1.制備焊錫球的裝置，包括給料系統(tǒng)、液體分散機(jī)構(gòu)、液滴同化成型系統(tǒng)，其特征在于，所述給料系統(tǒng)包括一個熔池(1)和一個位于熔池(1)下部的給料罐(24)，熔池(1)和給料罐(24)溫控加熱，熔池(1)與給料罐(24)之間有一個泄料閥(25)，熔池(1)和給料罐(24)的上端的氣體管道經(jīng)過分流閥(3)、充壓閥(6)相連；熔池(1)與分流閥(3)之間有一裝有放壓閥(2)的支管，放壓閥(2)與分流閥(3)之間有一裝有排氣閥(4)的支管，分流閥(3)與充壓閥(6)之間有一裝有進(jìn)氣閥(5)的支管，給料罐(24)與分配器(9)之間經(jīng)過給料閥(23)通過管道連接。
2. 如權(quán)利要求l所述的制備焊錫球的裝置，其特征在于，所述液滴固化成型系統(tǒng)包括一 個與氣體分布環(huán)(13)和一個與氣體分布環(huán)(13)下端相連的成型柱(15)，所述的氣體分 布環(huán)(13)為中空的環(huán)形圓柱體，水平方向上分為兩層，上下兩層內(nèi)側(cè)分布有氣孔，上下層 的外側(cè)分別與進(jìn)氣管(12)和出氣管(21)相連，所述的成型柱(15)為雙層夾套(16)， 在成型柱(15)上部和下部都有氣流導(dǎo)向環(huán)(14、 17)，其結(jié)構(gòu)為中空環(huán)形柱狀，內(nèi)側(cè)分布 有氣孔，下部的氣流導(dǎo)向環(huán)(17)與進(jìn)氣管(19)相連，上部的氣流導(dǎo)向環(huán)(14)與出氣管(20)相連，出氣管(20)與出氣管(21)相連通，所述成型柱(15)底端裝有放料閥(18)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的制備焊錫球的裝置，其特征在于，所述液體分散機(jī)構(gòu)包括波 紋補(bǔ)償器(11)和連桿(28);波紋補(bǔ)償器(11)分別與給料系統(tǒng)分配器(9)及所述液滴固 化成型系統(tǒng)的氣體分布環(huán)(13)密封連接，連桿(28) —端連接給料系統(tǒng)中分配器(9)，另 一端連接信號接收器(8)。如權(quán)利要求1或2所述的焊錫球制備裝置，所述的液體分散機(jī)構(gòu)包括個與分配器(9) 和所述液滴固化成型系統(tǒng)的氣體分布環(huán)(13)密封連接的波紋補(bǔ)償器(11)， 一個一端連接 分配器(9)、 一端通過信號接收器(8)傳動的連桿(28)。
4. 如權(quán)利要求1所述的制備焊錫球的裝置，其特征在于，所述給料系統(tǒng)中的泄料閥(25) 為電磁閥，由置于給料罐(24)中的料位計(26)控制其開，由料位計(27)控制其關(guān)。
全文摘要
制備焊錫球的裝置，屬于電子產(chǎn)品封裝材料技術(shù)領(lǐng)域。裝置包括給料系統(tǒng)、液體分散機(jī)構(gòu)、液滴固化成型系統(tǒng)。給料系統(tǒng)包括熔池(1)和給料罐(24)，通過管路和閥門的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程中的連續(xù)給料；能保證較穩(wěn)定的給料流量。液滴固化成型系統(tǒng)包括一個與氣體分布環(huán)(13)和一個與之相連的成型柱(15)，通過氣流控制，可以在焊錫液滴的行程空間上形成溫度不同的兩層氣流，保證焊錫液滴的收圓和凝固。液體分散機(jī)構(gòu)包括一個與分配器(9)和氣體分布環(huán)(13)密封連接的波紋補(bǔ)償器(11)，分配器(9)與可上下振動的連桿(28)相連，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單而實(shí)用。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的連續(xù)性，提高了產(chǎn)品的成品率，且設(shè)備緊湊便于操作。
文檔編號B22F9/08GK101125369SQ20071017542
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月29日
發(fā)明者盧振明, 廖春圖, 杰 張, 梁彤祥, 王學(xué)洪, 蘇家紅, 邵友林, 郝少昌, 陳進(jìn)中 申請人:清華大學(xué);柳州華錫集團(tuán)有限責(zé)任公司