一种BGA封装金属微焊球的制备装置及方法与流程
一种bga封装金属微焊球的制备装置及方法
技术领域
1.本发明属于电子封装金属微焊球制备技术领域，具体地涉及一种bga封装金属微焊球的制备装置及方法。
背景技术：
2.在电子工业领域，随着每年全球对电子产品需求的逐年增加，对标径bga(球栅阵列)封装金属焊球的需求也在逐年增加。因此研发生产出一台高生产效率，低生产成本，成球球径可控的制球设备成为各机构的研究焦点。传统制球设备主要有气雾化设备、离心雾化设备、切丝重熔设备、模具合成设备等制球设备。随着bga封装技术的不断发展，由于传统制球生产设备生效率低、生产成本高、成球质量低等因素最终将被淘汰，很难在电子技术封装领域更好的发展。
3.例如，本公司在2015年申请的发明专利201510854771.1公开了一种标径bga封装金属焊球的制备装置，采用印刷的方法制备，对印刷模具及原材料进行加热使原材料成为熔融状态，用刮刀将熔融状态的原材料刮入模孔内，然后对印刷模具及原材料进行冷却使模孔内的熔融状态的原材料在表面张力作用下收缩成球并硬化。该装置主要通过印刷的方法制备，工艺步骤较多，生产效率并不是特别的高，因此有必要进行原理性的突破和改进，以进一步提高生产效率和生产成本。
4.公告号为cn 210429739 u的中国专利公开了一种金属焊球的制备装置，包括喷雾腔体、液滴发生单元、充电单元、监测单元、温度控制单元、压力控制单元与收集单元；所述液滴发生单元包括但不限于熔融液容器、设置于熔融液容器底部的至少一个射流口以及使熔融液振动的振动模块；液滴发生单元通过所述射流口与喷雾腔体连通；所述充电单元用于为熔融液充电；所述监测单元设置于喷雾腔体的外部，用于实时监测喷雾腔体内液滴成型情况；所述温度控制单元用于控制熔融液容器的温度；所述压力控制单元分别独立地控制喷雾腔体与熔融液容器的压力；所述收集单元设置于喷雾腔体的底部，用于收集金属焊球。该装置主要通过振动分散、压力差以及充电的方式使液滴均匀分散，达到焊球的粒径更小、更均一。但是上述的控制方式比较多样，且控制比较复杂。
技术实现要素：
5.针对上述存在的技术问题，本发明目的是：提供一种bga封装金属微焊球的制备装置及方法，在内径一致的多个喷射头中通过频率一致的脉冲气流，使得金属液滴定时、定量、定向喷出，采用外加电场控制带电金属液滴的运动方向和运动轨迹制备bga封装金属微焊球，该金属微焊球具有真圆度高、球径均匀性好、球表面质量好等优点。
6.本发明的技术方案是：一种bga封装金属微焊球的制备装置，包括金属焊料承载腔，所述金属焊料承载腔的顶部设置有加热器，所述金属焊料承载腔的底部设置有呈阵列排布的多个喷射头，所述金属焊料承载腔的上部连接脉冲气动装置，所述脉冲气动装置用于发出脉冲气流，所述金
属焊料承载腔的液相金属焊料熔融体通过第一电源加电，使得液相金属焊料熔融体带电，所述金属焊料承载腔的外围设置有电场装置，所述电场装置用于产生一定方向的均匀电场，所述喷射头下方设置有冷却装置，所述冷却装置下方设置有收集装置。
7.优选的技术方案中，所述金属焊料承载腔和喷射头的内壁涂覆有超疏水纳米涂层。
8.优选的技术方案中，所述脉冲气动装置用于发送一定频率、一定气压的脉冲气流，所述脉冲气动装置与金属焊料承载腔之间设置有电磁阀。
9.优选的技术方案中，所述第一电源的正电极连接液相金属焊料熔融体，所述第一电源的负电极接地，所述液相金属熔融体与金属焊料承载腔形成电容器结构，使得液相金属焊料熔融体释放电子，带正电荷。
10.优选的技术方案中，所述电场装置包括设置于金属焊料承载腔外围的缠绕线圈，所述缠绕线圈连接第二电源，所述电场装置产生的电场的方向与喷射头喷出的金属液滴的重力方向平行。
11.优选的技术方案中，所述喷射头呈漏斗状，其上部为圆形锥状结构，下部为内径为0.1～1mm的圆形管柱。
12.优选的技术方案中，所述冷却装置为多孔冷却网筛，所述多孔冷却网筛包括筛子本体，所述筛子本体为中空的立体结构，所述筛子本体的表面设置有阵列排布的通孔，所述通孔具有一定长度，所述通孔与筛子本体内部不连通，所述筛子本体的侧面设置有进水口和出水口，所述筛子本体内设置有冷却液。
13.优选的技术方案中，所述多孔冷却筛网的每一个通孔都与上部的每一个喷射头一一对应。
14.本发明还公开了一种bga封装金属微焊球的制备方法，包括以下步骤：s01：通过加热器对金属焊料进行加热得到液相金属焊料熔融体；s02：通过第一电源对金属焊料承载腔的液相金属焊料熔融体加电，使得液相金属焊料熔融体带电；s03：通过脉冲气动装置发送一定频率和气压的脉冲气流使得液相金属焊料熔融体从喷射头喷射出一定量的带电的金属液滴；s04：控制电场装置产生一定方向的均匀电场，使得带电的金属液滴在均匀电场的作用下呈匀速定向运动，金属液滴在电场和自身表面张力的作用下形成液相bga微焊球；s05：液相bga微焊球在电场力的作用下定向运动至冷却装置内，形成固态bga微焊球，直至运动至收集装置内。
15.优选的技术方案中，通过控制均匀电场的电场强度，控制金属液滴的运动速度，从而控制微焊球的真圆度。
16.与现有技术相比，本发明的优点是：1、在内径一致的多个喷射头中通过频率一致的脉冲气流，使得金属液滴定时、定量、定向喷出，采用外加电场控制带电金属液滴的运动方向和运动轨迹，制备的bga封装金属微焊球具有真圆度高、球径均匀性好、球表面质量好等优点。
17.2、通过本发明所设计的设备由于采用多孔脉冲方式制备，生产效率高、生产成本低，可广泛应用于bga植球，flip chip等电子封装技术领域。
附图说明
18.下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：图1为本发明较佳实施例的bga封装金属微焊球的制备装置的结构示意图；图2为本发明较佳实施例的加热器结构示意图；图3为本发明较佳实施例的多孔冷却筛网结构示意图；图4为本发明bga封装金属微焊球的制备方法流程图。
具体实施方式
19.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
20.实施例：如图1所示，一种bga封装金属微焊球的制备装置，包括金属焊料承载腔4，金属焊料承载腔4的顶部设置有加热器1，金属焊料承载腔4的底部设置有呈阵列排布的多个喷射头8，金属焊料承载腔4的上部连接脉冲气动装置11，脉冲气动装置11用于发出脉冲气流9，金属焊料承载腔4的液相金属焊料熔融体2通过第一电源23加电，使得液相金属焊料熔融体2带电，金属焊料承载腔4的外围设置有电场装置，电场装置用于产生一定方向的均匀电场，喷射头8下方设置有冷却装置，冷却装置下方设置有收集装置20。
21.金属焊料承载腔4可以由不锈钢材料制成，当然也可以为其他材料制成，在此不做限定，金属焊料承载腔4设置有加料口3和观察窗7，加料口3用于添加金属焊料，观察窗7用于观察金属焊料承载腔4内部熔融状况，加料口3和观察窗7全部由法兰密封。
22.金属焊料为in，sn，sn-sp，sn-ag，sn-cu，bi-sb等低熔点电子封装焊料的一种。
23.一较佳的实施例中，如图2所示，加热器1可以为mocvd 加热器，内部设置有蚊香状盘绕加热丝5，加热丝两端电极连接加热控制器6，加热器1通过加热控制器6控制，能够自由调节功率大小，稳定加热温度。加热器1同样也可以使用射频加热，在此不做限定。
24.一较佳的实施例中，金属焊料承载腔4的内壁涂覆有超疏水纳米涂层22。超疏水纳米涂层22主要材质为二氧化硅薄膜，厚度为0.5～2um，表面镜面光滑，表面粗糙度≤10nm，且具有一定的绝缘性。
25.一较佳的实施例中，脉冲气动装置11用于发送一定频率、一定气压的脉冲气流9，脉冲气动装置11与金属焊料承载腔4之间设置有电磁阀21。具体的，脉冲气流的脉冲频率在1～3次/秒，脉冲气流的气压在0.1～1mpa。通过电磁阀21的定时开合，给金属焊料承载腔4内提供一定频率的脉冲气流9。
26.脉冲气流9的介质可以为氮气、氩气等惰性气体中的一种或多种混合，具有一定的保护作用，可以防止熔融的金属焊料氧化。
27.一较佳的实施例中，喷射头可以由不锈钢材料制成，当然也可以为其他材料制成，在此不做限定，喷射头8呈漏斗状，其上部为圆形锥状结构，下部为内径为0.1～1mm的圆形管柱。不锈钢圆形管柱长度在3～10mm。
28.喷射头8下部的不锈钢圆形管柱内径根据所要制备的bga微焊球直径所决定，制备
不同直径的bga微焊球选用的喷射头下部不锈钢圆形管柱内径不同。
29.具体的，阵列排布的多个喷射头之间通过不锈钢焊接互相并排挨着并形成一个大的圆盘状，圆盘状的尺寸直径与金属焊料承载腔4的直径相当，多个喷射头8与金属焊料承载腔4之间也是通过不锈钢材料焊接在一起的，具体的，喷射头8的内壁涂覆有超疏水纳米涂层22。超疏水纳米涂层22主要材质为二氧化硅薄膜，厚度为0.5～2um，表面镜面光滑，表面粗糙度≤10nm，且具有一定的绝缘性。
30.一较佳的实施例中，第一电源23的正电极连接液相金属焊料熔融体2，例如可以通过探针接触（图中未示出），第一电源23的负电极接地，由于液相金属熔融体2与不锈钢材质的金属焊料承载腔4之间有一层超疏水纳米涂层22，这样就形成了一个电容器结构，与第一电源23负电极连接的大地将吸收电源产生的电子，与第一电源23正电极连接的液相金属焊料熔融体2将向第一电源23释放电子，从而使得释放电子后的液相金属焊料熔融体2带正电荷，进而导致从喷射头8中喷出的金属液滴10带正电荷。
31.一较佳的实施例中，电场装置包括设置于金属焊料承载腔4外围的缠绕线圈12，缠绕线圈12连接第二电源24，电场装置产生的电场13的方向与喷射头8喷出的金属液滴10的重力方向平行。带正电荷的金属液滴10在均匀电场的作用下呈定向运动，金属液滴10在电场的作用下下落，由于金属液滴10在下落的过程中存在表面张力，在落体过程中会收缩成液相bga微焊球14。
32.较佳的，液相bga微焊球14本身带正电荷，带正电荷的液相bga微焊球相当于一个带点粒子，在自身重力和一定的脉冲动能的作用下平行于匀强电场的方向射入匀强电场，带正电荷的液相bga微焊球14在匀强电场的作用下做匀速直线运动，在匀强电场的作用下匀速直线运动能够提高bga微焊球的真圆度。
33.一较佳的实施例中，冷却装置为多孔冷却网筛15，如图3所示，多孔冷却网筛15包括筛子本体150，可以由不锈钢材料制成，筛子本体150为中空的立体结构，筛子本体150的表面设置有阵列排布的通孔16，通孔具有一定长度，通孔16与筛子本体150内部不连通，筛子本体150的侧面设置有进水口151和出水口152，筛子本体150内设置有冷却液，例如可以为水17等。
34.较佳的，筛子本体150可以为圆柱体，多孔冷却网筛的通孔直径在0.2～1.3mm，通孔直径的选择由所要制备的bga金属微焊球直径所决定，通常比所要制备的bga金属微焊球的直径大0.1～0.2mm，便于bga微焊球的顺利通过。
35.多孔冷却网筛的高度在3～10mm，这个高度也是液相金属bga微焊球充分冷却的运动路径，可以保证液相bga微焊球14充分冷却，得到固态bga微焊球18。
36.较佳的，为了便于维护，多孔冷却网筛15可以可拆卸安装于金属焊料承载腔体的下方。
37.一较佳的实施例中，多孔冷却筛网的每一个通孔16都与上部的每一个喷射头8一一对应。bga微焊球在自身重力和电场力的作用下沿垂直方向定向运动至多孔冷却筛网内的通孔16内。
38.制备得到的固态bga微焊球18通过出料口19流入收集装置20内，出料口19为漏斗状，在出料口19底部设置有收集装置20，收集装置20为金属材质并接地，使得带电的固态bga微焊球18不带电。
39.另一实施例中，如图4所示，本发明还公开了一种bga封装金属微焊球的制备方法，包括以下步骤：s01：通过加热器对金属焊料进行加热得到液相金属焊料熔融体；s02：通过第一电源对金属焊料承载腔的液相金属焊料熔融体加电，使得液相金属焊料熔融体带电；s03：通过脉冲气动装置发送一定频率和气压的脉冲气流使得液相金属焊料熔融体从喷射头喷射出一定量的带电的金属液滴；s04：控制电场装置产生一定方向的均匀电场，使得带电的金属液滴在均匀电场的作用下呈匀速定向运动，金属液滴在电场和自身表面张力的作用下形成液相bga微焊球；s05：液相bga微焊球在电场力的作用下定向运动至冷却装置内，形成固态bga微焊球，直至运动至收集装置内。
40.具体的，在腔体的外部缠绕线圈并通过第二电源加以通电，为腔体内部提供均匀电场，线圈的缠绕方式决定腔体内电场的方向，电场的方向与金属液滴的重力方向一致，为至上而下方向，带正电荷的金属液体在均匀电场的作用下呈定向运动，金属液滴在电场和自身表面张力的作用下形成液相bga微焊球，由于金属液滴在自由落体过程中存在表面张力，在落体过程中会收缩成液相bga微焊球。
41.一较佳的实施例中，通过控制均匀电场的电场强度，控制金属液滴的运动速度，从而控制微焊球的真圆度。
42.带正电荷的液相bga微焊球相当于一个带点粒子，在自身重力和一定的脉冲动能的作用下平行于匀强电场的方向射入匀强电场，带正电荷的液相bga微焊球在匀强电场的作用下做匀速直线运动，在匀强电场的作用下匀速直线运动能够提高bga微焊球的真圆度，在张力作用下会成型更圆。
43.bga微焊球在自身重力和电场力的作用下定向运动至多孔冷却筛网内，多孔冷却筛网的通孔为具有一定路径的直线通孔，路径能够充分保证液相bga微焊球冷凝形成固体bga微焊球，路径的长度与多孔冷却筛网的厚度一致，直线通孔便于固体bga微焊球的畅通流出，多孔冷却筛网各个小孔周围充满循环冷却水，液相bga微焊球在经过多孔冷却筛网的每一个小孔时冷凝形成固态bga微焊球，最后通过底部漏斗状出料口留出收集在收集箱内。
44.本发明采用脉冲气流多孔定量喷射法制备，生产效率高、生产成本低，并且脉冲气流频率可控，喷射头可根据所制备的bga金属微焊球的直径大小订制，并且可以自由更换，球直径可控且一致性好。用该设备制备的bga封装金属微焊球采用外加电场控制带电金属液滴的运动方向和运动轨迹，在内径一致的多个喷射头中通过频率一致的脉冲气流，使得金属液滴定时、定量、定向喷出，具有真圆度高、球径均匀性好、球表面质量好等优点，可广泛应用于bga植球，flip chip等电子封装技术领域。
45.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
技术特征：
1.一种bga封装金属微焊球的制备装置，包括金属焊料承载腔，其特征在于，所述金属焊料承载腔的顶部设置有加热器，所述金属焊料承载腔的底部设置有呈阵列排布的多个喷射头，所述金属焊料承载腔的上部连接脉冲气动装置，所述脉冲气动装置用于发出脉冲气流，所述金属焊料承载腔的液相金属焊料熔融体通过第一电源加电，使得液相金属焊料熔融体带电，所述金属焊料承载腔的外围设置有电场装置，所述电场装置用于产生一定方向的均匀电场，所述喷射头下方设置有冷却装置，所述冷却装置下方设置有收集装置。2.根据权利要求1所述的bga封装金属微焊球的制备装置，其特征在于，所述金属焊料承载腔和喷射头的内壁涂覆有超疏水纳米涂层。3.根据权利要求1所述的bga封装金属微焊球的制备装置，其特征在于，所述脉冲气动装置用于发送一定频率、一定气压的脉冲气流，所述脉冲气动装置与金属焊料承载腔之间设置有电磁阀。4.根据权利要求2所述的bga封装金属微焊球的制备装置，其特征在于，所述第一电源的正电极连接液相金属焊料熔融体，所述第一电源的负电极接地，所述液相金属熔融体与金属焊料承载腔形成电容器结构，使得液相金属焊料熔融体释放电子，带正电荷。5.根据权利要求1所述的bga封装金属微焊球的制备装置，其特征在于，所述电场装置包括设置于金属焊料承载腔外围的缠绕线圈，所述缠绕线圈连接第二电源，所述电场装置产生的电场的方向与喷射头喷出的金属液滴的重力方向平行。6.根据权利要求1所述的bga封装金属微焊球的制备装置，其特征在于，所述喷射头呈漏斗状，其上部为圆形锥状结构，下部为内径为0.1～1mm的圆形管柱。7.根据权利要求1所述的bga封装金属微焊球的制备装置，其特征在于，所述冷却装置为多孔冷却网筛，所述多孔冷却网筛包括筛子本体，所述筛子本体为中空的立体结构，所述筛子本体的表面设置有阵列排布的通孔，所述通孔具有一定长度，所述通孔与筛子本体内部不连通，所述筛子本体的侧面设置有进水口和出水口，所述筛子本体内设置有冷却液。8.根据权利要求7所述的bga封装金属微焊球的制备装置，其特征在于，所述多孔冷却筛网的每一个通孔都与上部的每一个喷射头一一对应。9.一种bga封装金属微焊球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s01：通过加热器对金属焊料进行加热得到液相金属焊料熔融体；s02：通过第一电源对金属焊料承载腔的液相金属焊料熔融体加电，使得液相金属焊料熔融体带电；s03：通过脉冲气动装置发送一定频率和气压的脉冲气流使得液相金属焊料熔融体从喷射头喷射出一定量的带电的金属液滴；s04：控制电场装置产生一定方向的均匀电场，使得带电的金属液滴在均匀电场的作用下呈匀速定向运动，金属液滴在电场和自身表面张力的作用下形成液相bga微焊球；s05：液相bga微焊球在电场力的作用下定向运动至冷却装置内，形成固态bga微焊球，直至运动至收集装置内。10.根据权利要求9所述的bga封装金属微焊球的制备方法，其特征在于，通过控制均匀电场的电场强度，来控制金属液滴的运动速度，从而控制微焊球的真圆度。
技术总结
本发明公开了一种BGA封装金属微焊球的制备装置，包括金属焊料承载腔，所述金属焊料承载腔的顶部设置有加热器，所述金属焊料承载腔的底部设置有呈阵列排布的多个喷射头，所述金属焊料承载腔的上部连接脉冲气动装置，所述脉冲气动装置用于发出脉冲气流，所述金属焊料承载腔的液相金属焊料熔融体通过第一电源加电，使得液相金属焊料熔融体带电，所述金属焊料承载腔的外围设置有电场装置，所述电场装置用于产生一定方向的均匀电场，所述喷射头下方设置有冷却装置，所述冷却装置下方设置有收集装置。采用外加电场控制带电金属液滴的运动方向和运动轨迹得到BGA封装金属微焊球，该封装金属微焊球具有真圆度高、球径均匀性好、球表面质量好等优点。质量好等优点。质量好等优点。
