[发明专利]一种卵式合金焊球的制备装置及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及合金金属粉末的制备技术，具体来说，涉及一种复合合金焊球的制备装置及其制备方法。

背景技术

现在电子工业中，球栅阵列封装(BGA封装)已逐渐成为电子封装技术的主流，该技术就是采用合金焊球代替以往的引脚来满足电子元器件之间的电路互连及机械互连要求的电子封装方式，其核心技术就是高质量合金焊球的制备。合金金属粉末的制备方法大体可以分为物理化学法和机械法两大类，其中机械法主要是机械粉碎法和金属熔体直接物化法，包括机械研磨、冷气流粉碎、离心粉碎和雾化等方法。

日本东京大学的C.P.Wang和X.J.Liu等人在2002年提出利用喷雾法制备特定成分的合金球时，在冷却成型过程中会形成多相分层结构。他们把这种现象归结为Marangoni效应。利用这种方法制备的合金焊球具有很好的刚性和焊接性能，与传统的焊球相比，这种焊球的多相分层结构具备很多工业应用优点。但由于喷雾的方法不好控制形成球的尺寸，而且在冷却成型过程中，冷却速率控制不足会使成品率降低。

卵式结构合金球的形成是因为Cu-Sn-Bi合金为三元偏晶合金，从其相图分析可知，快速凝固时在其难混熔区发生液固两相分离，根据Marangoni运动，富Cu相向合金焊球的中心移动，富Sn-Bi相向合金焊球的外围移动，从而形成卵式结构(如附图1)。在美国麻省理工学院(MIT)和Passow提出的喷射技术缺少良好的冷却环境，而Marangoni运动需要较大的温度梯度，因此影响了卵式结构的形成，其冷却环境非常有必要改进，以制备出结构性能良好的合金焊球来满足当前BGA封装技术的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，利用现有均匀液滴喷射装置，增加了圆柱形内螺旋液氮循环冷却装置，提供良好的冷却环境，使液滴在下落过程中形成较大的温度梯度，从而促进核壳结构的快速形成，获得有较好综合性能性能的合金焊球。

本发明的目的还在于提供一种利用上述装置制备合金球的方法。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种卵式合金焊球的制备装置，包括真空腔室、熔融容器、气压控制器、压电振荡器、信号发生器、加电极板、冷却装置，其中：

所述熔融容器设置在真空腔室的上面，与真空腔室之间密闭连接；

所述真空腔室和熔融容器分别通过各自的输气管和阀门与气压控制器相连，在所述 真空腔室和熔融容器中设置有压力传感器，所述气压控制器根据压力传感器的输入信号调节真空腔室和熔融容器中的气体压力，所述真空腔室和熔融容器分别通过各自的输气管和阀门与惰性气体储藏装置相连；

所述熔融容器的底部设置有与真空腔室相连通的微型喷嘴，所述压电振荡器的振动头设置在微型喷嘴的上方，所述信号发生器在微机控制系统的控制下产生振荡信号，并将振荡信号加载到所述压电振荡器上；

所述加电极板设置在微型喷嘴的下方，其上设置有与微型喷嘴位置相应的开口；

所述冷却装置为圆筒形状，其筒壁上设置有螺旋管道；所述冷却装置设置在加电极板的下方，其中冷却装置的储存装置与回收装置分别与螺旋管道的底部和顶部相连。

所述真空腔室的侧壁上设置有与微机控制系统相连接的摄像装置和闪频器，用以获得熔融液滴从微型喷嘴流出的形态，根据分析获得的液滴直径，反馈调节压电振荡器的频率。

所述微型喷嘴是直径在0.050-5.00mm之间的小孔。

所述压电振荡器的振动频率范围在1-20kHz。

所述熔融容器的外壁上设置有加热器，其中熔融液体中设置有测温元件，所述测温元件将温度信号传递给控温装置，所述控温装置控制加热器的开关，以维持熔融容器中熔融液体的温度。

在所述加电电极和冷却装置之间优选设置有挡板，挡板通过固定装置连接在真空腔室的腔壁上。

在所述冷却装置下部设置有收集器。

在所述圆筒形状冷却装置的螺旋管道中装有液氮。

一种利用上述装置制备卵式合金焊球的方法，按照下述步骤进行：

(1)密封真空腔室和熔融容器，并对其抽真空，并对其中充入惰性气体；

(2)加热熔融容器，熔化其中的金属合金材料；

(3)利用压力控制器控制惰性气体的充入量，使熔融容器和真空腔室之间达到稳定的压力差，从而使熔融金属合金从微型喷嘴中以层流射流的形式射出，并在压电振荡器振动头的作用下，使流出的金属合金射流断裂为均匀的液滴；

(4)给加电极板加以电压，使其与熔融容器间产生电场，以使通过加电极板上开口的液滴带上相同电荷，达到液滴的均匀分散；