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CN110842209B - 一种压差调控+电磁扰动制备均一金属颗粒的装置 - Google Patents

一种压差调控+电磁扰动制备均一金属颗粒的装置 Download PDF

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Abstract

一种压差调控+电磁扰动制备均一金属颗粒的试验装置，涉及一种射流模式的微喷装置。该装置提供适用于微焊球(如锡及其合金)及其它金属颗粒的高频高质制备。技术方案是：所述装置包括电磁力发生器，压控系统，温控系统和成球系统。该方法属于一种非接触直驱式连续喷射均一金属颗粒制备技术。通过合理匹配压差参数和脉冲电磁扰动参数(电流频率、电流波形、电流的幅值和磁场强度)以实现均一金属颗粒的高频高质制备，该方法简单易行。

Description

一种压差调控+电磁扰动制备均一金属颗粒的装置
技术领域
本发明涉及一种基于压差调控+电磁扰动高频高质制备均一金属颗粒(如锡及其合金)的装置，属于一种非接触直驱式连续喷射均一金属颗粒制备技术实现装置，适用于金属颗粒或金属微滴的高频高质制备。
背景技术
微电子器件封装和半导体芯片制造是微电子工程中的两个重要部分。大规模集成电路封装均采用均一金属颗粒(微焊球)焊接以实现芯—芯和芯—板之间信号传递和机械连接。连续喷射技术和按需滴射技术是目前均一金属颗粒制备常用的两种方式。连续喷射技术是基于射流不稳定原理，利用微扰动在射流液柱表面形成的表面波控制微滴的形成，该方式制备微焊球的频率较高。按需滴射技术是在喷嘴上方施加一个周期性的脉冲驱动力，以实现一个脉冲力按需产生一个金属颗粒微滴，该方法制备微焊球具有其频率和大小可控的优点，但微滴制备频率低。
中国专利CN101745763A，公开了一种连续喷射技术高频制备微焊球的方法，利用电磁激振器在喷嘴上方产生扰动，属于一种接触式扰动。中国专利 CN103203294A公开了一种电磁微滴制备装置，该方法利用脉动电磁力直接作为脉冲驱动力以实现喷嘴出口处金属微滴的周期性按需可控低频过渡，一个脉冲驱动力对应一个金属微滴的形成，属于按需滴射技术中的一种。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于均一金属颗粒(如锡及其合金)高频高质制备技术，并基于此技术构建其制备装置。该装置是一种基于压差调控+电磁扰动高频高质制备均一金属颗粒(如锡及其合金)的新型装置。使用该装置实现了非接触直驱式、连续喷射技术制备均一金属颗粒的方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种压差调控+电磁扰动制备均一金属颗粒的试验装置，其特征在于，设有温控和气控装置、电磁力发生装置和成球装置；电磁力发生装置包括永磁铁提供的恒定磁场(5)、功率放大器(2)、信号发生器(1)、不锈钢电极板(10)、喷射腔(7)、熔化腔(4)；喷射腔(7)位于熔化腔(4)的正下方，两者间设有连接孔(6)，在喷射腔(7)的两相对的侧面各设有一个不锈钢电极板(10)，两不锈钢电极板(10)平行相对，在喷射腔(7)内两平行相对的不锈钢电极板 (10)之间加有永磁铁提供的恒定磁场(5)，恒定磁场(5)的磁场方向平行于不锈钢电极板(10)；熔化腔(4)和喷射腔(7)的外侧设有熔化加热线圈(8)；熔化腔(4)的底部为带有带喷嘴的不锈钢板(9)；信号发生器(1)经由功率放大器(2)与两不锈钢电极板(10)进行连接；两不锈钢电极板10的相对的面与金属熔夜是面连接的；上述永磁铁提供的恒定磁场(5)、喷射腔(7)、熔化腔(4)、不锈钢电极板(10)、带喷嘴的不锈钢板(9)、熔化加热线圈(8) 构成电磁力发生器(3)；
电磁力发生器(3)中喷嘴正下方为轴向直立的高温花生油管(17)，高温花生油管(17)的四周为成球加热线圈(18)，成球加热线圈(18)用于对高温花生油管(17)内部的花生油加热；高温花生油管(17)的下方没有设有成球加热线圈(18)的为同轴且连通的低温花生油管(19)，低温花生油管(19)的管径小于高温花生油管(17)的管径；从带喷嘴的不锈钢板(9)的喷嘴处至低温花生油管(19)的外侧设置成封闭的成球罐(25)，带喷嘴的不锈钢板(9)的喷嘴与成球罐(25)连通；成球罐(25)外低温花生油管(19)的下端设有颗粒收集开关(21)，成球罐(25)外低温花生油管(19)的正下方为颗粒收集容器(22)，成球罐(25)侧面设有观察窗口(20)；真空泵(28)与成球罐(25)连接，同时成球罐(25)还配有氧含量测试仪(24)；
第一氮气罐(12)通过第一微型电动阀(11)与第一稳压罐(13)连接，第一稳压罐(13)通过第一精密气体稳压阀(14)与成球罐(25)连接；第二氮气罐(29)通过第二微型电动阀(27)与第二稳压罐(26)连接，第二稳压罐(26) 通过第二精密气体稳压阀(23)与熔化腔(4)的正上方连接；同时第二稳压罐 (26)通过第二精密气体稳压阀(23)、气门开关(16)与成球罐(25)连接；
熔化加热线圈(8)、成球加热线圈(18)与温控和气控装置(15)连接；
第一稳压罐(13)、第二稳压罐(26)、成球罐(25)均分别设有一个压力计，所述的压力计与温控和气控装置(15)连接；
第一微型电动阀(11)、第二微型电动阀(27)与温控和气控装置(15)连接。
熔化腔(4)内部的金属在加热线圈的作用下熔化并充满喷射腔(7)；永磁铁置于喷射腔两侧，用于产生均匀磁场，喷射腔内部与磁场垂直的方向设有不锈钢电极板，不锈钢电极板与液态金属溶液接触良好，通过信号源和功率放大器产生脉冲电流；当高频脉冲电流流经喷射腔体内处于恒定磁场的液态金属时，会以喷射腔体内的熔化金属为载体在喷嘴上方产生高频脉动扰动。
温控和气控装置(15)包括温控装置部分和气控装置部分。
该高频脉冲扰动可作为连续喷射技术制备均一金属颗粒的扰动。
采用上述装置的一种基于压差调控+电磁扰动高频高质制备均一金属颗粒的方法，包括如下步骤：
(1)在熔化腔内装入金属块体，通过温控和气控装置(15)中的气控装置部分实现熔化腔、电磁力发生装置和成球腔体内氧含量低于300ppm；
(2)通过调节温控和气控装置(15)中的气控装置使熔化腔体内自有液体表面与喷嘴出口处之间产生压力差，在此压力差的作用下熔化腔体内的流体通过喷嘴射流而出形成射流液柱；同时使高频脉冲电流流经处于恒定磁场的液态金属，通过调节扰动参数(电流频率、电流波形、电流幅值和磁场强度)，获得所需的扰动；当该扰动传递到射流液柱上后将会产生表面波，通过表面波控制射流液柱端头高频断裂，连续形成均一金属颗粒。
喷射腔(7)的金属熔夜是充满的，熔化腔(4)的金属熔夜与喷射腔(7) 的金属熔夜通过连接孔(6)进行熔夜连通。
与现有技术相比，本发明的工作原理及有益效果如下：
该方法的驱动方式属于无接触直接驱动型。即在喷嘴上方喷射腔内液态金属中产生高频电磁力(属于体积力)，该电磁力直接作用于喷射腔的液态金属内，产生精确可控的高频电磁(力)扰动，并通过液柱传递到液柱端头，形成均一金属微滴的高频射流过渡。而不是作为驱动力用于按需制备单一金属微滴，这是与中国专利CN103203294A的本质区别。在该装置中，当磁场恒定时，电磁扰动力就直接受电流波形、电流频率和电流幅值的控制。由于电参数的可控性好，精确、稳定和持续。因此相比于目前的其他扰动模式，电磁力直接扰动模式可控性和稳定性更好，且设备更加的简单易行，易于实现大规模的生产。
附图说明
图1为本发明电磁力发生系统示意图。
图2为本发明(压差调控+电磁扰动技术)高频制备均一金属颗粒的装置示意图。
信号发生器1，功率放大器2，电磁力发生器3，熔化腔4，恒定磁场5，连接孔6，喷射腔7，熔化加热线圈8，带喷嘴的不锈钢板9，不锈钢电极10，第一微型电动阀11，第一氮气罐12，第一稳压罐13，第一精密气体稳压阀14，温控和气控装置15，气门开关16，高温花生油管17，成球加热线圈18，低温花生油管19，观察窗口20，颗粒收集开关21，颗粒收集容器22，第二精密气体稳压阀23，氧含量测试仪24，成球罐25，第二稳压罐26，第二微型电动阀27，真空泵28，第二氮气罐29。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
参见图1和图2，本发明实施例设有信号发生器1，功率放大器2，电磁力发生器3，熔化腔4，恒定磁场5，连接孔6，喷射腔7，熔化加热线圈8，带喷嘴的不锈钢板9，不锈钢电极10，第一微型电动阀11，第一氮气罐12，第一稳压罐13，第一精密气体稳压阀14，温控和气控装置15，气门开关16，高温花生油管17，成球加热线圈18，低温花生油管19，观察窗口20，颗粒收集开关21，颗粒收集容器22，第二精密气体稳压阀23，氧含量测试仪24，成球罐25，第二稳压罐26，第二微型电动阀27，真空泵28，第二氮气罐29。
温控和气控装置15具有温控系统和压控系统。相互平行的永磁铁在喷射腔 7内部产生恒定磁场5。在喷射腔7内部垂直于磁场方向放置平行不锈钢电极板 10，信号发生器1和功率放大器2产生的高频电流信号，其正负极与不锈钢电极 10相连。初始时刻喷射腔7内部填充金属块。打开气门开关16，使熔化腔4上部与成球罐25内部之间保持相同压力，通过反复用真空泵28抽真空和第一氮气罐12或第二氮气罐29充气，利用氧含量分析仪24测试腔体内部氧含量，使整个密封腔内部的氧含量(ppm)降低到特定数值(300ppm)以下。熔化加热线圈 8和成球加热线圈18分别与温控和气控装置15相连，通过设定不同的温控参数，使金属在合适的温度下熔化。熔化腔内的金属熔化后通过熔化腔和喷射腔之间的连接孔6进入并充满喷射腔7。
待金属熔化温度和成球温度稳定在相应的数值附近时。此时关闭气门开关 16，随后调节喷嘴出口处和熔化腔体内熔化金属表面上的气压差。首先喷嘴出口处气压力大小的调节，包括粗调节和细调节。粗调节是通过温控和气控装置15 中的PLC控制第一微型电动阀11的通断间接控制第一稳压罐13内的气压大小，其调节过程是当传感器获取的气压信号与PLC设定的信号一致时，PLC发出信号关闭第一微型电动阀11，由于电磁阀的关闭需要时间，因此，其第一稳压罐13 内获取的压力值要稍大于所设定的气压。此时第一稳压罐13内的气压与成球罐 25内所需要的气压相差不大，再通过第一精密气体稳压阀14使第一稳压罐13 内的气体缓慢流入成球腔内，从而达到精确控制气压的目的。熔化腔体内熔化金属表面上的气压通过相同的方式获取相应的气压大小，包括粗调节和细调节。粗调节是通过温控和气控装置15中的PLC控制第二微型电动阀27的通断间接控制第二稳压罐26内的气压大小，其调节过程是当传感器获取的气压信号与PLC设定的信号一致时，PLC发出信号关闭第二微型电动阀27，由于电磁阀的关闭需要时间，因此，其第二稳压罐26内获取的压力值要稍大于所设定的气压。此时第二稳压罐26内的气压与熔化腔4内所需要的气压相差不大，再通过第二精密气体稳压阀23使第二稳压罐26内的气体缓慢流入熔化腔4内，从而达到精确控制气压的目的。
通过调节成球罐25内和熔化腔4内熔化金属上部的压力差，使喷射腔7内的流体通过喷嘴射流而出形成射流液柱。此时打开信号发生器1、功率放大器2，并调节信号发生器，在喷射腔体内产生脉动电磁力，该脉冲电磁力作为微扰动传递到射流液柱上产生表面波，通过表面波控制射流液柱端头高频断裂，形成均一金属颗粒微滴。
通过电磁射流扰动技术制备的均一金属颗粒微滴会通过随后的成球装置形成均一金属球形颗粒。具体过程如下：采用花生油作为液态金属颗粒成球的介质。液态金属颗粒在花生油介质中成球时需要把介质划分为高温球化区和低温成球区。在高温球化区，形成的液态金属颗粒进一步球化。随后，球化的颗粒在低温成球区通过冷却形成球形金属颗粒。
打开颗粒收集开关21，通过颗粒收集容器22收集通过压差调控+电磁扰动高频高质制备的均一金属颗粒。

Claims (2)

1.一种压差调控+电磁扰动制备均一金属颗粒的方法，其特征在于，采用的试验装置设有温控和气控装置、电磁力发生装置和成球装置；电磁力发生装置包括永磁铁提供的恒定磁场(5)、功率放大器(2)、信号发生器(1)、不锈钢电极板(10)、喷射腔(7)、熔化腔(4)；喷射腔(7)位于熔化腔(4)的正下方，两者间设有连接孔(6)，在喷射腔(7)的两相对的侧面各设有一个不锈钢电极板(10)，两不锈钢电极板(10)平行相对，在喷射腔(7)内两平行相对的不锈钢电极板(10)之间加有永磁铁提供的恒定磁场(5)，恒定磁场(5)的磁场方向平行于不锈钢电极板(10)；熔化腔(4)和喷射腔(7)的外侧设有熔化加热线圈(8)；熔化腔(4)的底部为带有喷嘴的不锈钢板(9)；信号发生器(1)经由功率放大器(2)与两不锈钢电极板(10)进行连接；两不锈钢电极板（10）的相对的面与金属熔液是面连接的；上述永磁铁提供的恒定磁场(5)、喷射腔(7)、熔化腔(4)、不锈钢电极板(10)、带喷嘴的不锈钢板(9)、熔化加热线圈(8)构成电磁力发生器(3)；
电磁力发生器(3)中喷嘴正下方为轴向直立的高温花生油管(17)，高温花生油管(17)的四周为成球加热线圈(18)，成球加热线圈(18)用于对高温花生油管(17)内部的花生油加热；高温花生油管(17)的下方设有没有成球加热线圈(18)的为高温花生油管(17)同轴且连通的低温花生油管(19)，低温花生油管(19)的管径小于高温花生油管(17)的管径；从带喷嘴的不锈钢板(9)的喷嘴处至低温花生油管(19)的外侧设置成封闭的成球罐(25)，带喷嘴的不锈钢板(9)的喷嘴与成球罐(25)连通；成球罐(25)外低温花生油管(19)的下端设有颗粒收集开关(21)，成球罐(25)外低温花生油管(19)的正下方为颗粒收集容器(22)，成球罐(25)侧面设有观察窗口(20)；真空泵(28)与成球罐(25)连接，同时成球罐(25)还配有氧含量测试仪(24)；
第一氮气罐(12)通过第一微型电动阀(11)与第一稳压罐(13)连接，第一稳压罐(13)通过第一精密气体稳压阀(14)与成球罐(25)连接；第二氮气罐(29)通过第二微型电动阀(27)与第二稳压罐(26)连接，第二稳压罐(26)通过第二精密气体稳压阀(23)与熔化腔(4)的正上方连接；同时第二稳压罐(26)通过第二精密气体稳压阀(23)、气门开关(16)与成球罐(25)连接；
熔化加热线圈(8)、成球加热线圈(18)与温控和气控装置(15)连接；
第一稳压罐(13)、第二稳压罐(26)、成球罐(25)均分别设有一个压力计，所述的压力计与温控和气控装置(15)连接；
第一微型电动阀(11)、第二微型电动阀(27)与温控和气控装置(15)连接；
温控和气控装置(15)包括温控装置部分和气控装置部分；
熔化腔(4)内部的金属在加热线圈的作用下熔化并充满喷射腔(7)；永磁铁置于喷射腔两侧，用于产生均匀磁场，喷射腔内部与磁场垂直的方向设有不锈钢电极板，不锈钢电极板与液态金属溶液接触良好，通过信号源和功率放大器产生脉冲电流；当高频脉冲电流流经喷射腔体内处于恒定磁场的液态金属时，会以喷射腔体内的熔化金属为载体在喷嘴上方产生高频脉动扰动；
具体包括如下步骤：
1)在熔化腔内装入金属块体，打开气门开关（16），使熔化腔（4）上部与成球罐（25）内部之间保持相同压力，通过反复用真空泵（28）抽真空和用第一氮气罐（12）或第二氮气罐（29）充气，结合温控和气控装置(15)中的气控装置部分实现熔化腔、电磁力发生装置和成球腔体内氧含量低于300ppm；
2)通过调节温控和气控装置(15)中的气控装置使熔化腔体内自有液体表面与喷嘴出口处之间产生压力差，待金属熔化温度和成球温度稳定在相应的数值附近时，关闭气门开关（16），调节喷嘴出口处和熔化腔体内熔化金属表面上的气压差；喷嘴出口处气压力大小的调节，包括粗调节和细调节；熔化腔体内熔化金属表面上的气压调节包括粗调节和细调节；在此压力差的作用下熔化腔体内的流体通过喷嘴射流而出形成射流液柱；同时使高频脉冲电流流经处于恒定磁场的液态金属，通过调节扰动参数，获得所需的扰动，扰动参数包括电流频率、电流波形、电流幅值和磁场强度；当该扰动传递到射流液柱上后将会产生表面波，通过表面波控制射流液柱端头高频断裂，连续形成均一金属颗粒；
喷嘴出口处气压力粗调节和细调节，粗调节是通过温控和气控装置（15）中的PLC控制第一微型电动阀（11）的通断间接控制第一稳压罐（13）内的气压大小，其调节过程是当传感器获取的气压信号与PLC设定的信号一致时，PLC发出信号关闭第一微型电动阀（11），由于电磁阀的关闭需要时间，因此，其第一稳压罐（13）内获取的压力值要大于所设定的气压，此时第一稳压罐（13）内的气压与成球罐（25）内所需要的气压相差不大，再通过第一精密气体稳压阀（14）使第一稳压罐（13）内的气体缓慢流入成球腔内，从而达到精确控制气压的目的；
熔化腔体内熔化金属表面上的气压粗调节和细调节，粗调节是通过温控和气控装置（15）中的PLC控制第二微型电动阀（27）的通断间接控制第二稳压罐（26）内的气压大小，其调节过程是当传感器获取的气压信号与PLC设定的信号一致时，PLC发出信号关闭第二微型电动阀（27），由于电磁阀的关闭需要时间，因此，其第二稳压罐（26）内获取的压力值要大于所设定的气压，此时第二稳压罐（26）内的气压与熔化腔（4）内所需要的气压相差不大，再通过第二精密气体稳压阀（23）使第二稳压罐（26）内的气体缓慢流入熔化腔（4）内，从而达到精确控制气压的目的。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，喷射腔(7)的金属熔液是充满的，熔化腔(4)的金属熔液与喷射腔(7)的金属熔液通过连接孔(6)进行熔液连通。
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Denomination of invention: A device for preparing uniform metal particles through pressure difference regulation and electromagnetic disturbance

Granted publication date: 20221104

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