一種自動切絲式釺焊球的製取設備及方法與流程
2023-06-12 12:20:26 2
本發明涉及微電子用材料的加工設備技術領域，特別是一種自動切絲式釺焊球的製取設備及方法。
背景技術：
進入21世紀以來，人類社會已全面邁入資訊時代，以集成電路為核心的現代電子製造技術已成為衡量一個國家綜合國力的重要標誌。球柵陣列封裝（Ball Grid Array，BGA）技術在近幾年發展十分迅速，在現代微電子中應用十分廣泛，在大規模集成電路中起至關重要的作用，而電子封裝技術中釺焊球是關鍵材料。國外對釺焊球的研究比較成熟，已經可以生產各種規格的釺焊球，滿足電子封裝的需要，但國內研究很少，中國上海的蔣屹申請了專利《一種低銀焊球的製造方法》(9511332.2)，該專利僅僅適用於大功率管散熱片焊接的低銀焊球的製造，且採用切絲燒結的方法生產；北京張道光申請了封裝材料用的焊球製造方法（CN1355075A），該專利是通過線材的熔融，依靠重力脫落而生成焊球，該方法焊球大小難以精確控制，且焊球尺寸一般較大，不滿足高密度組裝技術的要求。這使我國釺焊球需求依賴進口，增加了我國電子產品的生產成本，嚴重製約著我國晶片製造業的發展。
技術實現要素：
為彌補現有BGA焊球製備技術存在的空缺，本發明的目的在於提供一種自動切絲式釺焊球的製取設備及方法。本發明是採用一套同步送絲和切絲機構來精確控制切絲長度，從而控制釺焊球大小，然後經過球化成形製取釺焊球。本技術加工效率高，生產工藝簡單，球化效果好，產品精度高。
本發明通過以下技術方案來實現上述目的：一種自動切絲式釺焊球的製取設備，包括自上而下依次設置的送絲機構、切絲機構、球化機構和收集機構，其特徵在於：送絲機構包括送絲滾筒、送絲輥組、送絲動力電機和傳動裝置，送絲輥組設置在送絲滾筒的下方，每組送絲輥組包括兩個送絲輥，在送絲輥的表面設有小於焊絲直徑且供焊絲通過的溝槽，由送絲動力電機通過傳動裝置驅動送絲輥組中的送絲輥對向轉動，使送絲輥上位置相對的溝槽對合以牽引並推動焊絲進入下方的切絲機構；所述的切絲機構包括兩個切絲齒輪、切絲動力電機和傳動裝置，兩個切絲齒輪相對於進入切絲機構的焊絲對稱設置，由切絲動力電機通過傳動裝置驅動兩個切絲齒輪對向轉動，並在對向轉動過程中，由兩個切絲齒輪上的切絲齒咬合、張緊並切斷進入兩切絲齒輪之間的焊絲。
進一步的，所述送絲輥上的溝槽槽口寬度和焊絲的直徑一致，深度為焊絲直徑的20-40%。
進一步的，定義切絲齒輪上齒間距為L、焊絲直徑為d、目標釺焊球直徑為D，則齒間距與焊絲直徑和目標釺焊球直徑之間的關係為：L=2D3/3d2。
進一步的，所述送絲機構和切絲機構中的傳動裝置均是由主動齒輪和從動齒輪嚙合組成，從動齒輪設置在送絲輥和切絲齒輪一端，主動齒輪分別與送絲動力電機和切絲動力電機連接，送絲動力電機和切絲動力電機均為同步電機。
進一步的，所述的球化機構包括設置在切絲機構正下方的加熱冷卻管，管內充滿有機油，加熱冷卻管上端為漏鬥形的入口槽，下端和收集機構連接，加熱冷卻管分為上部的加熱熔化部分和下部的球化冷卻部分，加熱熔化部分的外周安裝有兩個距離可調的加熱環，加熱環與溫度控制儀相連接，並且連接在溫度控制儀上的熱電偶的端部接在熔化部分的管體內，球化冷卻部分設有上球閥和下球閥。
利用上述自動切絲式釺焊球的製取設備製取釺焊球的方法，包括如下步驟：
步驟一：選擇直徑為0.1~0.5mm的錫鉛焊絲或無鉛焊絲備用；
步驟二：操作溫度控制儀，使加熱環對加熱冷卻管中的有機油進行加熱，使得有機油溫度高於步驟一所選焊絲的熔點60~80℃；
步驟三：啟動送絲動力電機和切絲動力電機，調整兩電機轉速，使得送絲輥和切絲齒輪的外緣具有同樣的線速度；
步驟四：牽引步驟一所選的焊絲經送絲滾筒至送絲輥組，使焊絲和送絲輥上溝槽位置相對，在送絲輥的轉動過程中，焊絲被牽引至溝槽內，並向切絲機構方向輸送；
步驟五：焊絲在通過切絲機構中的兩個切絲齒輪時，在切絲齒輪的轉動過程中，由切絲齒輪上齒尖的配合牽引、壓緊並切斷焊絲，形成焊絲段；
步驟六：步驟五所得的焊絲段落入下方的球化機構，經加熱、球化和冷卻後形成釺焊球，並通過下球閥進入收集機構中。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
第一，本發明提供的一種自動切絲式釺焊球的製取設備及方法，解決了目前國內在生產高密封裝用釺焊球設備技術落後的問題，還解決了在生產時釺焊球大小難以精確控制，且難以生產尺寸較小焊球以及焊球綜合質量不高的問題；本發明採用了固定切齒間距，保證了切絲長度的均勻性，從而精確控制釺焊球顆粒的大小和均勻性，切絲齒輪可更換，可生產不同規格的產品，利用同步送絲和切絲機構，並採用油熔和油冷的加工工藝，保證了產品的球化質量，具有結構和工藝簡單、操作方便、精度高、產品優良成本低、等優點。
第二，本發明中的送絲輥表面設有小於焊絲直徑的溝槽，這樣一對送絲輥對向轉動的過程中，一方面，可以通過溝槽精確引導焊絲呈直線進入切絲機構中，另一方面，由於溝槽深度小於焊絲的直徑，這樣相對的兩溝槽在對合後可以對其中的焊絲起到夾持的作用，從而張緊焊絲。
第三，在製取過程中，送絲輥和切絲齒輪的外緣具有同樣的線速度，這樣就可以保證送絲和切絲的同步進行，使得送絲機構和切絲機構之間的焊絲段保持張緊，確保切絲的精度，並能夠實現作業的連續性。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖。
圖2是本發明中切絲原理圖。
圖中標記：1—送絲滾筒；2—送絲輥；3—切絲齒輪；4—機架；5—加熱環；6—加熱冷卻管；7—上球閥；8—下球閥；9—線圈；10—從動齒輪；11—送絲動力電機；12—切絲動力電機；13—主動齒輪；14—溫度控制儀；15—熱電偶；16—收集槽；17—焊絲；18—鍵槽；19—切絲齒。
具體實施方式
下面結合附圖，通過具體的實施方式對本發明作進一步的說明。
實施例1
如圖所示，一種自動切絲式釺焊球的製取設備，主要由對焊絲17進行送給的送絲機構、對焊絲17進行剪料的切絲機構、對所切焊絲17進行熔化和球化冷卻的球化機構以及收集機構組成；送絲機構下方設置有切絲機構，切絲機構下方設置有球化機構，球化機構的加熱冷卻管6管口位於切絲機構正下方，球化機構下方設置有收集機構。
所述的送絲機構由線圈9、送絲滾筒1、送絲輥2、從動齒輪10、主動齒輪13和送絲動力電機11組成；所述的線圈9下方設置有送絲滾筒1，所述的送絲滾筒1下方設置有送絲輥2；所述的送絲輥2右端通過傳動軸與從動齒輪10連接，主動齒輪13與安裝在送絲輥2右端的從動齒輪10通過齒輪副連接；所述的主動齒輪13右側通過傳動軸與送絲動力電機11連接；為保證焊絲17呈直線精確地送入切絲機構，送絲輥2表面設有溝槽，溝槽直徑與焊絲17一致，深度為焊絲17直徑的20-40%，最下端的送絲輥2直徑小於5mm，且與切絲機構的咬合部分儘量靠近，最小距離不大於0.5mm。
所述的切絲機構由切絲齒輪3、從動齒輪10、主動齒輪13和切絲動力電機12組成，所述的切絲齒輪3通過傳動軸與從動齒輪10連接；所述的從動齒輪10通過齒輪副與主動齒輪13連接；所述的主動齒輪13右側通過傳動軸與切絲動力電機12連接；所述的送絲動力電機11和切絲動力電機12為同步電機，在送絲切絲過程中同步運行；在兩個切絲齒輪3對向轉動的過程中，由切絲齒輪3上的切絲齒通過齒尖對齒尖將進入切絲機構的焊絲17切斷，因此，切絲齒輪3是精確控制焊球大小的核心，為保證切絲斷裂動作有效進行，在兩切絲齒輪3的切絲齒齒尖相對時，兩切絲齒間距應小於0.01mm；以同一齒輪的齒間距來控制焊絲長度，最終控制焊球大小，不同規格的釺焊球大小完全依賴焊絲直徑和同一齒輪的齒間距，因此，定義切絲齒輪3的齒間距為L、焊絲直徑為d、目標釺焊球的直徑為D，三者之間的關係為：L=2D3/3d2；切絲齒輪3上設計有鍵槽18，可更換切絲齒輪3，切絲齒輪3的切絲齒具有咬合、張緊和切斷的功能。
所述的球化機構由加熱冷卻管6、加熱環5、熱電偶15和溫度控制儀14組成，所述球化機構設置於切絲齒輪3的正下方，所述加熱冷卻管6內充滿有機油，加熱冷卻管6上端為漏鬥形的入口槽，下端和收集機構連接，加熱冷卻管6分為釺料加熱熔化和熔融釺料球化冷卻兩部分，加熱冷卻管6上部是釺料的加熱熔化部分，加熱熔化部分外圍安裝有兩個加熱環5，加熱環5之間距離可調，加熱環5通過耐高溫線與所述溫度控制儀14連接，連接在溫度控制儀14上的熱電偶15的端部接在熔化部分的管體內，在球化冷卻部分分別設有上球閥7和下球閥8，上球閥7用於隔絕有機油，下球閥8用來卸料，所述球閥下方和收集機構連接，用來最終收集球化的釺焊球。
一種利用上述設備製取釺焊球的方法，該方法包括如下步驟：
步驟一：選擇直徑為0.1~0.5mm的錫鉛焊絲或無鉛焊絲備用；
步驟二：操作溫度控制儀14，使加熱環5對加熱冷卻管6中的有機油進行加熱，使得有機油溫度高於步驟一所選焊絲的熔點60~80℃；
步驟三：啟動送絲動力電機11和切絲動力電機12，調整兩電機轉速，使得送絲輥2和切絲齒輪3的外緣具有同樣的線速度；
步驟四：牽引步驟一所選的焊絲17經送絲滾筒1至送絲輥組，使焊絲17和送絲輥2上溝槽位置相對，在送絲輥2的轉動過程中，焊絲17被牽引至溝槽內，並向切絲機構方向輸送；
步驟五：焊絲17在通過切絲機構中的兩個切絲齒輪3時，在切絲齒輪3的轉動過程中，由切絲齒輪3上齒尖的配合牽引、壓緊並切斷焊絲17，形成焊絲段；
步驟六：步驟五所得的焊絲段落入下方的球化機構，經加熱、球化和冷卻後形成釺焊球，並通過下球閥8進入收集機構中。
在上述步驟中，需要對製取設備進行固定：固定送絲滾筒1，並保證其在固定位置正常旋轉，固定並調整送絲輥2，保證送絲輥2一側的齒輪副正常嚙合，固定並調整切絲齒輪3，保證兩切絲齒輪3中處於切絲位置的切絲齒齒間距小於0.01mm，且切絲齒輪3一側的齒輪副正常嚙合，固定主動齒輪13，保證主動齒輪13與從動齒輪10正常嚙合，固定球化機構和收集機構，保證加熱冷卻管6豎直。
實施例2
焊絲17選用錫鉛焊絲，直徑0.1mm，切絲齒輪3齒間距0.067mm，加熱區溫度控制在240~260℃，製取0.1mm直徑釺焊球。
實施例3
焊絲17選用錫鉛焊絲，直徑0.3mm，切絲齒輪3齒間距0.2mm，加熱區溫度控制在240~260℃，製取0.3mm直徑釺焊球。
實施例4
焊絲17選用錫鉛焊絲，直徑0.5mm，切絲齒輪3齒間距0.33mm，加熱區溫度控制在240~260℃，製取0.5mm直徑釺焊球。
實施例5
焊絲17選用錫鉛焊絲，直徑0.5mm，切絲齒輪3齒間距0.58mm，加熱區溫度控制在240~260℃，製取0.6mm直徑釺焊球。
實施例6
焊絲17選用錫鉛焊絲，直徑0.5mm，切絲齒輪3齒間距1.17mm，加熱區溫度控制在240~260℃，製取0.76mm直徑釺焊球。
實施例7
其餘與上述實施例相同，不同之處在於，焊絲17選用無鉛焊絲，加熱區溫度控制在280~300℃。
採用上述技術方案，本發明的有益效果包括：送絲機構的設計，實現了送絲過程的自動化；定位裝置和送絲輥2的設計，使焊絲17在固定方向上送進，且送絲平穩；切絲齒輪3的設計，實現了快速切絲，以齒間距控制切絲長度，使得切絲更精確，且可生產小直徑焊球，可更換切絲齒輪3的結構設計，實現了不同規格焊球的生產；採用有機油作為球化劑，球化效果好；本發明解決了釺焊球設備技術落後的問題，解決了釺焊球生產過程中焊球大小難以控制的問題。
總而言之，本發明是採用一套同步送絲和切絲機構來精確控制切絲長度，從而控制釺焊球大小，然後經過球化成形製取釺焊球。本發明設備送絲平穩，切絲精確，可生產小直徑以及不同規格釺焊球，加工效率高，生產工藝簡單，球化效果好，產品精度高。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入本發明要求保護的範圍內。