简介概要

金属射流受激断裂的实验研究

来源期刊：稀有金属2004年第1期

论文作者：张曙光朱学新何礼君石力开卢彩涛张少明

关键词：射流断裂; 表面波; 精密焊球; 激振;

摘要：主要介绍了射流断裂的机制, 并测量了金属锡熔体在不同喷嘴直径下的压力-速度曲线, 在控制压力保证射流为层流的条件下, 通过快速凝固的方法观察到金属射流表面波产生的现象. 并以此为基础研究在层流射流条件下, 金属熔体受一定激振频率后产生的表面波波长和激振频率的关系. 得出金属射流在低频振动条件下(振动频率小于40 k), 产生的表面波波长大小可以用如下关系式λ=A(σ/ρ)1/3 f-2/3估算, 对金属锡来讲, 其中常数A的取值范围在5～8之间. 并且当激振产生的表面波波长大于金属射流的周长时, 金属射流会断裂为均匀的液滴.

稀有金属 2004,(01),117-121 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.030

金属射流受激断裂的实验研究

张少明张曙光朱学新卢彩涛石力开

北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程研究中心,北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程研究中心,北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程研究中心,北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程研究中心,北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程研究中心,北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程研究中心北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088

摘要：

主要介绍了射流断裂的机制 , 并测量了金属锡熔体在不同喷嘴直径下的压力速度曲线 , 在控制压力保证射流为层流的条件下 , 通过快速凝固的方法观察到金属射流表面波产生的现象。并以此为基础研究在层流射流条件下 , 金属熔体受一定激振频率后产生的表面波波长和激振频率的关系。得出金属射流在低频振动条件下 (振动频率小于 40k) , 产生的表面波波长大小可以用如下关系式λ =A (σ/ρ) 1 /3f- 2 /3估算 , 对金属锡来讲 , 其中常数A的取值范围在 5～ 8之间。并且当激振产生的表面波波长大于金属射流的周长时 , 金属射流会断裂为均匀的液滴。

关键词：

射流断裂;表面波;精密焊球;激振;

中图分类号： TG115.9

收稿日期：2003-09-28

基金：国家 8 63计划“超大规模集成电路配套材料重大专项” ( 2 0 0 3AA3Z14 2 1);

Research on Break-up of Metal Jet

Abstract：

Metallic capillary stream break up into droplets has recently attracted significant industrial and academic interest for applications requiring uniform metal particle production such as solder ball. The mechanism of capillary stream break up into droplets was reviewed. The dependence of jet speed upon pressure and that of wavelength of surface wave upon vibration condition was studied through rapid solidification. It shows that under a certain vibration excitations, surface wave appears on the jet and grows with time. If the wavelength of the surface wave is larger than the circumference of the jet, the jet will become unstable and break into a continuous series of droplets. The relation between wavelength of surface wave and vibration frequency can be predicted by the formula as λ=A (σ/ρ) 1/3 f -2/3 , where the value of A ranges from 5 to 8 for tin melt.

Keyword：

jet break up; surface wave; solder ball; vibration;

Received： 2003-09-28

近年来, 随着终端消费性电子产品朝“轻、薄、短、小”及多功能化方向发展, 电子封装技术的发展亦朝向小型化、窄间距、高密度和集成化的趋势演变。如图1所示, 在BGA (Ball Grid Array) 和CSP (Chip Scale Package) 等先进封装技术中都使用精密焊球来实现元器件和电路基板的连接。上述封装对焊球的尺寸公差要求非常高, 拿直径0.30 mm的焊球来说, 其直径误差应在±10 μm以内, 球形度误差不能大于1.5%。传统的气雾化、离心雾化和超声雾化等制粉方法, 由于其工艺特性决定了生产的金属粉体颗粒尺寸分布范围宽泛, 而且形貌很难保证是严格的几何球体, 不论是从技术还是经济方面考虑都不宜应用于精密焊球的生产。

目前, 国内外关于精密焊球的制备方法主要有以下两种方式: 切丝·重熔法和射流断裂法。切丝·重熔法首先将焊料合金锭进行拉丝、剪切等机械加工方式产生均匀的微质量元, 然后把加工好的微质量元放入具有一定温度梯度的成形设备, 经过重熔和凝固过程, 使微质量元形成标准球体。该方法虽然有工艺可控性好的优点, 但也有明显的缺陷-工序繁多, 生产效率低。近几年在美国、日本和韩国等国家发展起来的射流断裂技术由于工艺简单、生产效率高成为人们研究和开发的热点。本文就金属射流受激断裂的原理和制备精密焊球进行了初步探讨。

1 射流断裂原理

射流断裂现象是自然界中非常普遍的现象, 如自来水从水管中流出、屋檐水的降落过程等。早在1879年, 英国科学家瑞利就已经利用数学模拟的方法分析了非粘性射流 (层流) 的断裂现象 ^[2] 。瑞利关于射流断裂的基本理论如下: 假设射流为无限长、无粘性且不可压缩的柱状流, 忽略重力和周围气体的影响。如图2所示, 当液体从喷嘴流出后, 施加固定频率的微小扰动, 由于表面张力的作用, 在激振条件下, 金属射流表面会产生表面波, 表面波的振幅随时间以指数形式增长, 直到波谷振幅触及喷流中心线, 射流束断裂为液滴。射流半径r随时间t的变化可用如下关系式来描述。

图1 精密焊球的应用

Fig.1 Application of solder ball

图2 受激射流断裂形成液滴示意图

Fig.2 Schematic diagram of droplet formation from jet break-up

r=α+δexp(βt)cos(2πzλ)???(1)

式中r为射流束半径; α为喷嘴出口处的射流束半径, 可用喷嘴半径代替; δ为初始表面波的振幅; t为时间; z为射流轴向距喷嘴的距离; λ为扰动波长; β为表面波增长系数, 取决于溶液的性质 (如溶液的密度、粘度、表面张力等) 以及喷嘴的尺寸。

从上式可以看出, 在喷嘴直径一定的条件下, 射流如何断裂及产生液滴的大小主要取决于激振条件下产生的表面波及波的成长过程。瑞利通过数值分析计算, 得出如下结论: 只有激振产生的表面波波长大于射流周长, 射流才会出现表面波的形成和成长现象; 射流表面波成长最快时, 表面波波长和射流直径有如下关系 ^[2] :

式中, λ_opt为最佳波长; d_jet为射流直径。

1931年Weber在分析过程中考虑了溶液性质如粘度、表面张力和密度等对表面波传播和成长的影响作用, 得出了与瑞利类似的结论。其最佳扰动波长与射流直径和溶液性质的关系如下所示 ^[3] :

式中: η为溶液的粘度; ρ为溶液的密度; σ为溶液的表面张力。

2 实验

本实验采用自制实验设备, 示意图如图3所示, 设备主要由熔炼控温系统、激振系统、超微喷嘴、凝固系统和真空系统等几部分构成。实验中使用的激励振子是压电换能器, 其固定频率为20.32 k; 选用直径为90 μm和180 μm的喷嘴; 其他试验条件如表1所示。

实验内容包括以下两个方面: (1) 射流流速的测定, 以保证射流为层流; (2) 在固定频率激振条件下, 不同喷嘴射流受激断裂研究。

2.1 流速测量

首先对熔炼炉和凝固腔体抽真空, 充入氮气, 然后把坩埚中的金属锡加热熔化至250 ℃, 恒温5～10 min保证体系达到热平衡, 加压使金属从喷嘴流出。在喷嘴下方放置收集器收集射流金属, 秤量在某一时间段内所收集金属的重量, 根据质量不变原理, 利用公式 (8) 就可算出射流的流速。

v=m/ (πr²tρ) (4)

m为收集金属的质量; t为所用时间; r为喷嘴半径。整个过程用秒表记时, 为尽量消除由于计时不准而造成的误差, 实验中计时时间不少于600 s。

在保持温度和周围气体气氛不变的条件下, 选择不同的压差条件 (即加热熔炼炉与液滴凝固腔体间的压差) 测量流体速度, 得到速度随压力变化的速度-压力曲线。测量过程中, 分别在不同压差条件下各取样3次, 然后求取平均值以减少测量过程中射流波动所造成的误差。

图3 试验装置示意图

Fig.3 Schematic of experimental apparatus

表1 相关实验条件

Table 1 Experimental conditions

熔体	密度/ (kg·m^-3)	表面张力/ (N·m^-1)	粘度/ (pa·s)	温度/ K	保护气氛
纯锡	7000	0.544	1.85×10^-3	530	氮气

2.2 固定频率下不同喷嘴直径对射流断裂过程的影响

控制施加的压力使射流保持层流状态。放置金属收集器距射流喷嘴在10 mm以内, 收集器内盛满冷却水, 当射流流出后能够快冷凝固, 然后用图像分析仪来观测在不同条件下射流束变化的情况。

3 结果与讨论

假设射流束的直径等于喷嘴的直径, 则可用式 (8) 来确定射流速度v。

试验中两个喷嘴的射流速度-压力曲线如图4所示, 对180和90 μm喷嘴来说, 当雷诺系数为1000时, 射流速度分别为1.47和2.94 m·s^-1, 其对应的压力分别约为35和230 kPa, 与180 μm的喷嘴相比, 90 μm的喷嘴受毛细张力影响很大, 要达到相同速度所需的压力远远大于180 μm的喷嘴。

图4 射流速度-压力曲线 (a) 喷嘴直径180 μm; (b) 喷嘴直径90 μm

Fig.4 Jet velocity vs. pressure

图5所示为金属射流断裂情况; 图5 (a) 是对喷嘴直径为90 μm没有施加扰动的情况, 由于金属在固态和液态密度的差异以及表面张力作用, 使得射流束直径略小于喷嘴直径。图5 (b) , 是对直径为90 μm射流束施加扰动后, 射流束出现表面波的成长现象, 射流外形呈现出轴对称的正弦波形, 波长λ (两个波峰或波谷间的距离) 约等于喷嘴直径的4.5～5倍左右, 表面波波长接近瑞利和韦伯推导的最佳扰动波长。图5 (c) 中, 喷嘴直径为180 μm, 施加扰动后, 射流束没有出现表面波的成长变化, 但射流束受到激振的影响, 出现类似波状流的现象, 与未受扰动的射流束图5 (a) 有明显的区别。图6是射流在固定频率下断裂为均匀的金属液滴, 通过真空泵油收集的金属小球。

实验中施加振动作用于坩埚溶液内, 与喷嘴直径和表面波波长相比, 坩埚内金属熔体可以用无限大的液体表面来考虑, 因此可以认为喷嘴直径对表面波的产生和波长的大小影响很小, 在相同操作条件下, 施加固定频率振动于不同直径喷嘴的射流所产生的表面波波长为定值。从图5 (b) 可以测出在频率为20.32 kHz, 产生的表面波波长约为406 μm, 406 μm相当于直径为130 μm射流束的周长。当激振产生的表面波波长大于射流束周长时, 有表面波的生成和增长的现象发生, 如图5 (b) 所示。反之, 在图5 (c) 中则没有此现象出现。图5的实验现象符合瑞利的射流不稳定断裂理论。

图5 不同条件下的射流束形态

Fig.5 Appearance of jet under different vibration condition

(a) 喷嘴直径90 μm, 未施加振动; (b) 喷嘴直径90 μm, 施加振动频率为20.32 kHz; (c) 喷嘴直径180 μm, 施加振动频率20.32 kHz

图6 射流断裂制备的金属锡球

Fig.6 Tin balls made by jet break-up

关于在一定激振条件下产生的表面波与激振条件的关系, 虽然其机制仍然不是十分明确, 但人们已经做了大量的试验研究。 Eisenmenger在忽略了液体重力影响且液体表面张力小于0.1 N·m^-1的条件下, 研究了所施加的激振频率与液体中产生的表面波波长的关系 ^[4] 。 Eisenmenger得出结论如下: 在某一溶液中产生表面波则施加的激振振幅必须超过下临界振幅δ_mo。 δ_mo的大小与振动频率和溶液性质有关, 它们之间的具体关系可以用关系式 (4) 表示。

δ_mo=2η[1/ (πσρf^1/2) ]^1/3 (5)

式中: η为溶液的粘度; ρ为溶液的密度; σ为溶液的表面张力; f为施加的振动频率; 当施加的振动振幅超过上临界值δ_md时, 则液体的运动呈现出不稳定的非周期性变化。当振幅δ_m在δ_mo<δ_m<δ_md区间内时, 产生的表面波的波长与施加振动频率的关系如下所示:

λ=[8πσ/ (ρf²) ]^1/3 (6)

Bradley Forrest为了研究超声雾化, 利用数学方法模拟了粘性液体表面受到固定频率激振时, 振动频率和产生表面波波长的关系 ^[5] 。得出了类似的结论。在一定激振条件下, 对具有一定粘度的流体来说, 当激励振子的振动频率比较低时 (超声频率在40 kHz以内) , 其无因次波数k (k=2π/λ) 可用下式来表示:

k=0.62616 (σ/ρ) ^-1/3f^2/3 (7)

当激励振子的振动频率比较高时, 其无因次波数k值为:

k=0.47206ν^-1/2f^1/2 (8)

式中ν为液体的粘度。

就金属熔体施加的受激频率与产生表面波波长的关系而言, 可以把式 (6) 和 (7) 统一写成如下形式:

λ=A (σ/ρ) ^1/3f^-2/3 (9)

其中A为常数, 根据溶体性质和振动条件的不同A的取值范围在2.9～10.1之间, 本试验中, 如图5 (b) 所示, 在频率为20.32 kHz, 金属锡熔体中产生的表面波波长约为406 μm, 代入关系式 (9) 得出A的取值为7.0。根据文献 [ 6, 7, 8] 的相关数据, 计算得出A的取值都在5～8之间。可以用关系式 (9) 来简单预测粘性金属熔体在低频激振条件下产生表面波波长大小。

4 结论

在控制流速保证射流是层流且压电振动频率在40k的低频条件下, 可以用关系式λ=A (σ/ρ) ^1/3f^-2/3 预测金属射流断裂过程中施加的激振频率与产生表面波波长大小的关系。对金属锡而言, A的取值范围约在5～8之间。在激振条件下, 当所产生的表面波波长超过金属射流束的周长时, 金属射流束会出现表面波成长的形态, 并最终会断裂为金属颗粒。