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1、(10)申请公布号 CN 102773493 A (43)申请公布日 2012.11.14 C N 1 0 2 7 7 3 4 9 3 A *CN102773493A* (21)申请号 201210305237.1 (22)申请日 2012.08.24 B22F 9/08(2006.01) (71)申请人哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街92号 (72)发明人许志武 马琳 黎华栋 闫久春 (74)专利代理机构哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人王艳萍 (54) 发明名称 一种利用超声表面驻波制备金属微球的装置 和方法 (57) 摘要 一种利用超声。
2、表面驻波制备金属微球的装置 和方法，本发明涉及制备金属微球的装置与方法。 本发明是要解决现有制备金属微球装置复杂，尺 寸控制不灵活的问题。本发明制备金属微球的装 置，由气仓和位于气仓内的钛合金铸模、加热元 件、基板、两个超声表面波发射装置及液滴控流装 置组成。本发明的制备方法为：一、将金属材料完 全熔化后得到金属液，金属液逐滴滴至基板表面， 在超声波作用下形成尺寸相同的球形金属液滴； 二、用空冷系统对金属微球进行冷却，直至金属液 球冷却成固体，得到尺寸一致的金属微球。本发明 可以制备多种尺寸较小的金属微球，一次制备过 程仅需12min，大大提高了生产效率。本发明 应用于金属微球制备领域。 (5。
3、1)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/1页 2 1.一种利用超声表面驻波制备金属微球的装置，其特征在于利用超声表面驻波制备金 属微球的装置由气仓（1）和位于气仓内的钛合金铸模（2）、加热元件（3）、基板（4）、两个超 声表面波发射装置（5）及液滴控流装置（6）组成，所述加热元件（3）设置在钛合金铸模（2） 外表面，所述钛合金铸模（2）的底部设置有液滴控流装置（6），所述基板（4）的上表面的两 端分别设置超声表面波发射装置（5），所述基板（4）位于钛合金铸模（2）。
4、的正下方，所述气 仓（1）的一个侧壁上端设置进气口（7），在与进气口相对的侧壁下端设置出气口（8）。 2.根据权利要求1所述的一种利用超声表面驻波制备金属微球的装置，其特征在于所 述的加热元件（3）为感应或电阻加热元件。 3.利用权利要求1所述的装置制备金属微球的方法，其特征在于一种利用超声表面驻 波制备金属微球的方法按以下步骤实现： 一、将金属材料放置于钛合金铸模（2）中同时向气仓（1）中通入惰性气体保护，然后 启动加热元件（3），将金属材料加热至熔点以上20100后保温1030min，待金属材料 完全熔化后，得到金属材料熔液，再启动超声表面波发射装置（5），同时打开液滴控流装置 （6）使金。
5、属材料熔液逐滴滴至基板（4）表面，在超声波作用下形成尺寸相同的球形金属液 滴； 二、停止超声表面波发射装置（5）及加热元件（3），用空冷系统以520/min的冷 却速度开始冷却，冷却至室温25，冷却过程中继续以惰性气体进行保护以避免金属微球 的氧化，直至金属液球冷却成固体，即得到尺寸一致的金属微球； 其中步骤一中所述金属材料为Sn基、Zn基或Al基合金中的任意一种； 步骤一中所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中的一种或几种气体的混合物； 步骤一中所述基板是Ti合金、Al 2 O 3 陶瓷或SiC陶瓷中的任意一种； 步骤一中所述超声表面波振动频率为1MHz50MHz，振幅为10nm500nm。 4.。
6、根据权利要求3所述的一种利用超声表面驻波制备金属微球的方法，其特征在于步 骤一中将金属材料加热至熔点以上5070后保温1525min。 5.根据权利要求3所述的一种利用超声表面驻波制备金属微球的方法，其特征在于步 骤一中将金属材料加热至熔点以上60后保温20min。 6.根据权利要求3所述的一种利用超声表面驻波制备金属微球的方法，其特征在于步 骤二中用空冷系统以817的冷却速度开始冷却。 7.根据权利要求3所述的一种利用超声表面驻波制备金属微球的方法，其特征在于步 骤二中用空冷系统以13的冷却速度开始冷却。 8.根据权利要求3所述的一种利用超声表面驻波制备金属微球的方法，其特征在于步 骤一中所。
7、述超声表面波振动频率为10MHz40MHz，振幅为100nm300nm。 9.根据权利要求3所述的一种利用超声表面驻波制备金属微球的方法，其特征在于步 骤一中所述超声表面波振动频率为30MHz，振幅为200nm。 权 利 要 求 书CN 102773493 A 1/4页 3 一种利用超声表面驻波制备金属微球的装置和方法 技术领域 0001 本发明涉及制备金属微球的装置与方法。 背景技术 0002 随着半导体封装产业的高速发展，对各种不同形式和结构的高密度封装提出了更 高的要求，其中微球形栅格封装（BGA），由于其易操作，具有高I/O密度及高良率等诸多优 点被广泛应用。锡球作为封装的输出端与电路。
8、板相连接。为提高封装件与电路板间的焊接 质量，要求锡球具有合适并且一致的尺寸及良好的真圆度。目前通常是首先使用锡球生产 装置制备锡球，然后将制备好的锡球置于锡球筛选装置中，利用振荡方式采用锡球筛选装 置进行锡球的质量筛选。然而采用振荡的方式所筛选的锡球易因彼此的碰撞而使锡球表面 产生破坏，而且因其产生的锡球不具备良好的尺寸一致性而必须对尺寸进行重新筛选，增 加了生产工序，造成生产效率的降低。因此如何满足锡球尺寸及形状的要求，并提高生产效 率是目前研发的重要项目之一。 0003 台湾公告第M277550号新型专利提出了一种锡球筛选供给装置，此种装置包括一 盛料桶、一支撑座、一旋转轴及一出料管。所。
9、述装置复杂且体积较大，不易操作，并且锡球与 旋转轴间存在摩擦，易使锡球因摩擦而氧化变黑，同时表面摩擦易产生静电而使输出的锡 球相互沾黏。 0004 台湾公告第M324547号新型专利提出了一种金属微球化装置。其包括一微球成形 装置和一冷却装置，其中所述成形装置包括一振动装置、一加热熔炉、一静电单元及一绝缘 组件。但此装置由于静电管尺寸差异问题可能造成不同静电管形成的金属球的尺寸不一致 而降低制造良率。 0005 中国专利ZL200820059688.0公开了一种新型金属微球落料装置，其包含一底座、 一置料盒、一旋转出料管及一驱动部。所述驱动部设于所述底座内，以驱动所述旋转出料管 转动。通过这种。
10、方式，所述金属微球会因重力作用落入所述出料口，以逐一落料输出所述金 属微球至一微球筛选装置。 0006 中国专利ZL200920001314.8公开了一种金属微球成形装置，其包含一供料模块、 一静电产生模块、一缓冲定形模块及一冷却模块。其中所述供料模块具有一加热容器、一振 动单元及一支撑单元，所述加热容器用以容置及加热一熔融金属，且其底部具有至少二成 形孔。所述振动单元用以产生振动，促使所述熔融金属通过所述成形孔。所述静电产生模 块设于所述成形孔及支撑单元之间，并具有至少二静电管、一导线及至少二绝缘套管。所述 静电管是通过所述导线相互连接，所述绝缘管则套设于所述静电管外，并定位于所述支撑 单元。
11、上。所述缓冲定形模块及冷却模块用以确保通过其内的金属微球能完全球化固化。 0007 中国专利01113644.8公开了一种以天然花粉为核心骨架的轻质金属微球的制备 方法。其是一种以非金属物质为核心骨架的轻质金属微球的制备方法。 0008 由以上材料可见，当前金属微球的制备方法主要有机械振荡后筛分和采用非金属 物质骨架化学镀包覆后筛分。其中机械振荡法为最为传统且普遍的制备金属微球的方法， 说 明 书CN 102773493 A 2/4页 4 但其制备金属微球的尺寸主要依靠成型孔的尺寸控制，由于成型孔的制造限制及金属较大 的粘性，使制备金属微球的尺寸存在限制，不易制备尺寸较小的金属微球，且金属微球。
12、的尺 寸控制存在难度。而化学镀包覆法无法制备纯金属球，其需前期制备核心骨架，且制备方法 较为复杂，且其需要对金属球进行纯化和筛分处理，降低了生产效率。 发明内容 0009 本发明是要解决现有制备金属微球装置复杂，尺寸控制不灵活的问题，而提出一 种利用超声表面驻波制备金属微球的装置和方法。 0010 一种利用超声表面驻波制备金属微球的装置，由气仓和位于气仓内的钛合金铸 模、加热元件、基板、两个超声表面波发射装置及液滴控流装置组成，所述加热元件设置在 钛合金铸模外表面，所述钛合金铸模的底部设置有液滴控流装置，所述基板的上表面的两 端分别设置超声表面波发射装置，所述基板位于钛合金铸模的正下方，所述气。
13、仓的一个侧 壁上端设置进气口，在与进气口相对的侧壁下端设置出气口。 0011 利用上述的利用超声表面驻波制备金属微球的装置制备金属微球的方法按以下 步骤实现： 0012 一、将金属材料放置于钛合金铸模中同时向气仓中通入惰性气体保护，然后启动 加热元件，将金属材料加热至熔点以上20100后保温1030min，待金属材料完全熔化 后，得到金属材料熔液，再启动超声表面波发射装置，同时打开液滴控流装置使金属材料熔 液逐滴滴至基板表面，在超声波作用下形成尺寸相同的球形金属液滴； 0013 二、停止超声表面波发射装置及加热元件，用空冷系统以520/min的冷却速 度开始冷却，冷却至室温25，冷却过程中继续。
14、以惰性气体进行保护以避免金属微球的氧 化，直至金属液球冷却成固体，即得到尺寸一致的金属微球； 0014 其中步骤一中所述金属材料为Sn基、Zn基或Al基合金中的任意一种； 0015 步骤一中所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中的一种或几种气体的混合物； 0016 步骤一中所述基板是Ti合金、Al 2 O 3 陶瓷或SiC陶瓷中的任意一种； 0017 步骤一中所述超声表面波振动频率为1MHz50MHz，振幅为10nm500nm。 0018 本发明的机理是基板表面特定间距放置的超声表面波发射装置同时产生两列频 率及振幅完全相同的两列行波，叠加后形成超声驻波。金属液体滴至基板表面后迅速铺开， 在驻波波腹。
15、区域产生强烈的雾化效应而使金属液滴雾化飞离基板，而驻波波节区域由于无 振动而使表面液滴保留。由于上述选择基板与金属液体为不润湿体系，因此基板上保留的 液体在表面张力的作用下形成球状。金属球的尺寸由施加表面波的波长控制。 0019 本发明特点及效果： 0020 1、超声表面驻波的作用，可使金属液体快速铺展于基板表面，且具有雾化区域选 择性，可在基板表面一次性形成大量金属微球，可制备多种金属微球，适合制备的材料体系 广泛； 0021 2、金属微球的尺寸直接由驻波波长决定，改变波长即可改变金属微球的体积，且 尺寸一致性好； 0022 3、制备全过程采用惰性气体保护，避免了金属微球的氧化及内部气孔等问。
16、题，且 微球间具有一定距离，避免了微球间的沾黏问题； 说 明 书CN 102773493 A 3/4页 5 0023 4、一次制备过程仅需12min，大大提高了生产效率且生产效率为传统落料法的 23倍。 附图说明 0024 图1为利用超声表面驻波制备金属微球的装置示意图。 具体实施方式 0025 具体实施方式一：结合图1说明本具体实施方式，本实施方式的一种利用超声表 面驻波制备金属微球的装置，由气仓1和位于气仓内的钛合金铸模2、加热元件3、基板4、两 个超声表面波发射装置5及液滴控流装置6组成，所述加热元件3设置在钛合金铸模2外 表面，所述钛合金铸模2的底部设置有液滴控流装置6，所述基板4的上。
17、表面的两端分别设 置超声表面波发射装置5，所述基板4位于钛合金铸模2的正下方，所述气仓1的一个侧壁 上端设置进气口7，在与进气口相对的侧壁下端设置出气口8。 0026 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的加热元件3为 感应或电阻加热元件。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。 0027 具体实施方式三：本实施方式中一种利用超声表面驻波制备金属微球的方法按以 下步骤实现： 0028 一、将金属材料放置于钛合金铸模2中同时向气仓1中通入惰性气体保护，然后启 动加热元件3，将金属材料加热至熔点以上20100后保温1030min，待金属材料完全 熔化后，得到金属材料熔液，再启动超声。
18、表面波发射装置5，同时打开液滴控流装置6使金 属材料熔液逐滴滴至基板4表面，在超声波作用下形成尺寸相同的球形金属液滴； 0029 二、停止超声表面波发射装置5及加热元件3，用空冷系统以520/min的冷 却速度开始冷却，冷却至室温25，冷却过程中继续以惰性气体进行保护以避免金属微球 的氧化，直至金属液球冷却成固体，即得到尺寸一致的金属微球； 0030 其中步骤一中所述金属材料为Sn基、Zn基或Al基合金中的任意一种； 0031 步骤一中所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中的一种或几种气体的混合物； 0032 步骤一中所述基板是Ti合金、Al 2 O 3 陶瓷或SiC陶瓷中的任意一种； 0033 步。
19、骤一中所述超声表面波振动频率为1MHz50MHz，振幅为10nm500nm。 0034 本实施方式步骤一和二中惰性气体为混合物时，各组分之间按任意比例混合。 0035 本发明特点及效果： 0036 1、超声表面驻波的作用，可使金属液体快速铺展于基板表面，且具有雾化区域选 择性，可在基板表面一次性形成大量金属微球，可制备多种金属微球，适合制备的材料体系 广泛； 0037 2、金属微球的尺寸直接由驻波波长决定，改变波长即可改变金属微球的体积，且 尺寸一致性好； 0038 3、制备全过程采用惰性气体保护，避免了金属微球的氧化及内部气孔等问题，且 微球间具有一定距离，避免了微球间的沾黏问题； 0039。
20、 4、一次制备过程仅需12min，大大提高了生产效率且生产效率为传统落料法的 23倍。 说 明 书CN 102773493 A 4/4页 6 0040 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤一中将金属材料 加热至熔点以上5070后保温1525min。其它步骤及参数与具体实施方式三相同。 0041 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是：步骤一中将金属 材料加热至熔点以上60后保温20min。其它步骤及参数与具体实施方式三或四相同。 0042 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是：步骤二中用 空冷系统以817/min的冷却速度开始冷却。其它。
21、步骤及参数与具体实施方式三至五 之一相同。 0043 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是：步骤二中用 空冷系统以13/min的冷却速度开始冷却。其它步骤及参数与具体实施方式三至六之一 相同。 0044 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是：步骤一中所 述超声表面波振动频率为10MHz40MHz，振幅为100nm300nm。其它步骤及参数与具体实施 方式三至七之一相同。 0045 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同的是：步骤一中所 述超声表面波振动频率为30MHz，振幅为200nm。其它步骤及参数与具体实施方式三至八之 一相同。 。
22、0046 通过以下试验验证本发明的有益效果： 0047 试验一：本试验的一种利用超声表面驻波制备金属微球的方法按以下步骤实现： 0048 采用金属材料为纯Sn基合金，熔点为231.96，所采用的基板为钛合金，其成分 的质量百分含量为Al：5.56.8、V：3.54.5、Fe：0.3、Si：0.15、C：0.1、N：0.05、H： 0.015、O：0.2、余量为Ti； 0049 一、将纯Sn基合金放置于钛合金铸模2中，同时向氩气仓1中通入惰氩气体保护， 启动感应或电阻加热元件3，将金属材料纯Sn基合金加热至熔点280保温后25min，待 纯Sn基合金完全熔化后得到纯Sn基合金液体，再启动超声表面。
23、波发射装置5，超声频率为 10MHz，振幅为100nm，利用重力作用将纯Sn基合金液体通过铸模底部的液滴控流装置6逐 滴滴至基板4表面，在超声波作用下形成直径为201m的球形纯Sn基合金液滴； 0050 二、停止超声表面波发射装置5及加热元件3，用空冷系统以10/min的冷却速 度开始冷却，冷却至室温25，空冷条件下继续以惰氩气体进行保护以避免纯Sn基合金金 属微球的氧化，直至纯Sn基合金金属液球冷却成固体金属球，即完成了金属微球的制备。 0051 试验二：本试验的一种利用超声表面驻波制备金属微球的方法以下步骤实现： 0052 采用金属材料为纯Al基合金，熔点为660。所采用的基板为SiC陶瓷。
24、； 0053 一、将纯Al基合金放置于钛合金铸模2中，同时向氩气仓1中通入惰氩气体保护， 启动感应或电阻加热元件3，将金属材料纯Al基合金加热至熔点700后保温25min，待 纯Al基合金完全熔化后得到纯Al基合金液体，再启动超声表面波发射装置5，超声频率为 10MHz，振幅为100nm，利用重力作用将纯Al基合金液体通过铸模底部的液滴控流装置6逐 滴滴至基板4表面，在超声波作用下形成直径为201m的球形纯Al基合金液滴； 0054 二、停止超声表面波发射装置5及加热元件3，用空冷系统以10/min的冷却速 度开始冷却，冷却至室温25，空冷条件下继续以惰氩气体进行保护以避免纯Al基合金金 属微球的氧化，直至金属液球冷却成固体金属球，即完成了金属微球的制备。 说 明 书CN 102773493 A 1/1页 7 图1 说 明 书 附 图CN 102773493 A 。