均匀微米级的Sn-Bi合金球焊料在科学领域、电子封装、新能源及化工等多个领域得到了非常广泛的运用。在制备方法中以本文中所用的均匀射流法制备最为高效快捷。本文中以功率超声为振动系统来实现均匀射流，以特定频率的扰动是下落的Sn-Bi合金液滴按该频率相互分离的从微孔中喷出。最终在表面张力的作用下形成球体。该方法可以满足制备球粒直径均匀，圆球度高等优点的焊球的需要。本课题将主要研究功率超声制备Sn-Bi合金球粒设备的设计及优化。通过功率超声对合金液体施加压力，使金属液通过微孔喷射装置，在冷却装置中得到表面光滑球粒细小的合金球粒。初级阶段的装置在2000W超声功率下，280℃的Sn-Bi合金从微孔铁片中喷出，通过空冷冷却成形。但由于高度受限最终形成不规则的Sn-Bi合金片状固体。而后设计采用水冷装置，其他条件不变，但最终成形效果也不好，呈圆片状。在实验装置优化阶段对装置的坩埚进行了改善采用恒温设计，在冷却装置部分采用阶梯油冷装置。最终在2000W超声功率下，280℃的Sn-Bi合金从不锈钢针头处喷出，在180℃热油中成形，在25℃冷油中凝固形成大小在740μm的Sn-Bi焊球。后期未使装置实现连续化生产还将优化超声装置工作头，使其由球型辐射改为平板型辐射。坩埚方面设计进料装置帮助连续化生产，优化阶梯油冷装置最终满足生产要求实现生产。关键词装置设计；实验优化；结果分析；
目录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2国内外研究综述 1
1.2.1恒温系统 1
1.2.2 SnBi合金焊料的发展 2
1.2.3功率超声设备的运用 3
1.2.4金属焊球制备方法在国内外的发展 4
1.2.5焊球冷却的研究 6
1.2.6存在问题及展望 6
1.2.7本文研究的内容与目的 6
第二章 实验前期装置设计 8
2.1空冷实验装置设计 8
2.1.1空冷装置工作原理 8
2.1.2空冷装置振动系统设计 9
2.1.3空冷微孔坩埚设计 10
2.1.4空冷焊球收集装置设计 11
2.1.5空冷装置实验结果分析 11
2.2水冷实验装置
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设计 12
2.2.1水冷实验装置工作原理 12
2.2.2水冷实验装置冷却系统优化 12
2.2.3水冷装置实验结果分析 13
第三章 实验优化装置设计 15
3.1阶梯油冷实验装置优化设计 15
3.1.1阶梯油冷装置工作原理 15
3.1.1振动系统选择 16
3.1.2坩埚恒温优化 17
3.1.3冷却装置的优化 21
3.1.4 阶梯油冷实验结果分析 23
第四章 设备进一步优化展望 24
4.1设备实现连续自动化生产的设计 24
4.1.1超声振动装置的优化 24
4.1.2坩埚装置优化 25
4.1.3冷却装置优化 26
结语 28
致谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1引言
现如今随着电子产品越来越融入到我们的生活中，其便携化、小型化和智能化逐渐成为主要的潮流趋势。电子封装技术也由原来的DIP和QFP逐渐被球珊阵列（BGA）等面封装技术所取代。如何生产低成本高质量的无铅焊球成为了电子业界一个重要的议题[1]。BGA封装技术是1980年有富士通公司提出的，然后再IBM公司与CITIZEN公司合作下的OMPAC芯片中真是采用，目前被广泛运用在计算机CPU和数字信号处理器等芯片封装中，他消除了细密器件见由于引线而产生的共面度及翘曲的问题。BGA技术可提高组装成品率，改善芯片电热性能，重量轻厚度小，可靠性高等众多优点被电子业界所广泛追捧[2]。目前生成焊球的方法有水、气雾化法，超声雾化法，离心雾化法，切丝重熔法和均匀射流法[3]。前四种方法成球度不高，形成颗粒尺寸参差不齐，需要进行检验和筛选才能获得最终的成品。切丝重熔法由于其生产过程繁琐且效率低精确度不高等缺陷在实际运用中未能收到良好的效果。而均匀射流法制备的焊球尺寸均匀表面质量好及成球度高被研究者所推崇。本文中将针对均匀射流装置在实验过程中遇到的一些问题对设备进行再设计，改善其使用过程中的缺陷。
1.2国内外研究综述
1.2.1恒温系统
恒温控制系统原理：基本上由加热套管，恒温箱，温度传感器，温度控制器，电源，继电器组成，如本实验需要200度恒温，开始有温控器控制发热体工作，当温度接近设定值时，温度传感器反馈信号到温控器，温控器向继电器发送断电信号，于是发热器停止工作，余热会继续将恒温箱加热，温度会在设定值的10%内波动，当温度传感器感应到温度有所下降时，再次发送反馈信号至温控器，再一次通过继电器控制发热体工作。基本上，发热器是断断续续工作的，工作电源低通高停[4]。一般温度波动会在10分钟左右进入稳定状态。通过此恒温系统来控制坩埚中的合金液恒定在200度左右从而来保持金属液的流动性，防止金属快速冷却堵塞针头。在电路上采用继电器作为控温的核心，继电式调温通过继电器的频繁切换来保持温度基本不变，当加热套管温度到达指定值时继电器会自动断开电路，当温度低于指定温度时电路会自动接通电源使加热器持续加热。这样能够使本实验中坩埚中的金属液始终保持其流动性[5]。
1.2.2 SnBi合金焊料的发展
SnBi合金焊料的熔点为139℃，比传统的SnPb焊料的183℃低，低熔点的焊料相比传统焊料，可以更加广泛的运用于多层电路板焊接、防雷元件焊接和其他对温度敏感性强的无铅电子产品等焊接中。这会减少焊缝由于焊接热膨胀导致的危害，从而使高温耐热性能的电子元器件得到运用，同时能降低了生产成本。SnBi合金焊料焊接时不需要助焊剂，减少了助焊剂带来的污染，而且其焊接区的键合合金均匀，没有缝隙、气泡等不良现象键合封装工艺气密性较好。
Sn和Bi都是无毒性元素，所以SnBi合金也是没有毒的。SnBi焊料的成本低廉，能够大量生产满足需求。SnBi合金具有良好的力学性能。室温下，它比SnPb焊料具有更高的屈服强度、剪切强度、拉伸强度和抗蠕变性。它也具有良好的热疲劳性能。本课题以Sn52Bi共晶合金为研究对象，着重研究该种合金焊球在制备过程中做需要的设备条件，从而进行设备的优化设计[6]。
在国外，从20世纪80年代后期开始，美国颁布限铅令，后来发展到更多的发达国家，使得世界上使用最为广泛的铅锡焊料使用量大为减少。进入新世纪后，随着人们生活水平的提高，人们对环境保护提出了更高的要求，人们越发的发现铅对环境及人类健康的危害。Sn和Bi都是无毒性元素，且其合金也是无毒的。焊料的成本低廉，能够大量生产满足需求。因此SnBi合金焊料逐渐得到越来越广泛的使用。通过多年的研究，各国在这方面的研究也越来越深入，使SnBi焊料可以逐渐部分取代铅锡焊料。

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