喷嘴头和使用该喷嘴头的金属粒子制造装置及其制造方法技术领域
本发明涉及一种喷出液状的材料的喷嘴头和使用该喷嘴头的装
置、方法。尤其是涉及一种喷出熔融金属材料，制造具有均匀的尺寸
的粒子的喷嘴头和使用该喷嘴头的装置、方法。
背景技术
形状统一的均匀的粒子不管其材质为何，在以电气制品为首的各
种领域中正被广泛利用。例如，利用溶胶凝胶法制造的二氧化硅的均
匀粒子作为在液晶面板中高精度地确保玻璃板的间隔的粒子而被广泛
利用。
并且，为了将半导体IC封装安装到电路基板，在该电极部分使用
焊锡粒子。由于半导体IC封装的电极配置是格子状，因此这种焊锡粒
子被称为球栅阵列。
作为制造这种焊锡粒子的方法，如专利文献1所示，一般利用向
高温的油中喷出熔融焊锡，通过表面张力使其球形化的油中喷散法。
但是，熔融焊锡受到油产生的阻力，其球度降低。为了解决这个问题，
在专利文献2中提案了通过压电致动器将熔融金属喷出到气体中。
利用图6的喷嘴头300的剖视图说明专利文献2的制造焊锡粒子
的方法。在图6中，在喷嘴头300的内部将金属材料352熔融。利用
活塞推压该熔融的金属材料352，将金属材料352从喷嘴303喷出。喷
出后，金属材料352固化，制作出球形的焊锡粒子。活塞320由压电
元件330进行推压。
现有技术文献
专利文献：
专利文献1：日本特开平11-207493号公报
专利文献2：日本特开2002-155305号公报
发明内容
但是，在使金属材料352熔融的情况下，在使其熔融的槽内产生
温度分布，熔融的金属材料352的温度不稳定。由此熔融的金属材料
352的成分非均质化，喷出的金属材料352的成分产生偏差。因此，存
在凝固时的焊锡粒子的形状不稳定的课题。
进而，熔融的金属材料352的粘度根据其温度而变化。因此，其
温度不稳定时，粘度发生变化，喷出的熔融的金属材料352的体积不
稳定。因此，存在形成的焊锡粒子的直径不均匀的课题。
本发明鉴于以上问题点而完成，其目的在于提供一种能够使喷出
的熔融金属的成分始终均质，并且喷出体积能够保持恒定的喷嘴头、
利用该喷嘴头的金属粒子制造装置和金属粒子制造方法。
为了解决上述课题，利用一种喷嘴头，具备：喷嘴，喷出熔融金
属；压力室，生成用于通过喷嘴喷出所述熔融金属的压力；供给室，
向压力室供给熔融金属；活塞，位于跨过压力室和供给室的位置，传
递压力；及加压部，使活塞能够移动，所述喷嘴头设有：第一加热机
构，对压力室和供给室进行加热；及第二加热机构，对活塞进行加热。
另外，利用使用所述喷嘴头的金属粒子制造装置。
利用一种金属粒子制造方法，包括：对供给金属的供给室和加压
金属的压力室进行加热，将金属熔融的第一加热工序；对位于跨过压
力室和供给室的位置的活塞进行加热的第二加热工序；通过活塞对熔
融的金属进行加压的加压工序；及通过压力室的喷嘴将熔融的金属喷
出的喷出工序。
如上所述，根据本发明，能够构成一种喷嘴头，使熔融的金属材
料始终在压力室内对流，能够将熔融金属的温度分布始终保持恒定的
状态。因此，能够始终以同样的组成使喷出的熔融的金属材料的体积
恒定化。另外，能够以高精度形成所希望的金属组成构成的球。因此，
能够制造出均质的、形状高度统一的金属球。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式涉及的喷嘴头的构造的剖视图。
图2(a)是表示向本发明的喷嘴头中的压力室和供给室供给金属
材料的状态的剖视图，图2(b)是表示在本发明的喷嘴头中的压力室
和供给室中将金属材料熔融的状态的剖视图，图2(c)是表示插入本
发明的喷嘴头的驱动单元的状态的剖视图，图2(d)是表示在本发明
的喷嘴头中将金属材料熔融的状态的剖视图。
图3是表示本发明的实施方式涉及的压力室内的金属材料的状态
的剖视图。
图4是表示熔融的金属材料的粘度和温度的关系的曲线图。
图5是表示本发明的实施方式涉及的活塞的变形例的剖视图。
图6是表示现有的喷嘴头的构造的剖视图。
具体实施方式
下面，参考附图对本发明的实施方式进行说明。
(结构)
图1是表示从正面观察实施方式中的喷嘴头的剖面构造的示意
图。在喷嘴头100上设有存储作为原材料的金属材料的供给室102。在
供给室102的周围具备加热机构141，将金属材料加热到其熔点以上而
使其熔融。并且，喷嘴头100具备喷出所熔融的金属的喷嘴103。进而，
具备与喷嘴103连通并生成用于喷出所熔融的金属材料的压力的压力
室104。供给室102和压力室104由活塞120隔开。因此，通过加热机
构141，压力室104和供给室102同时被从外侧加热。并且，压力室
104的上方被间隔壁107密闭。
并且，该活塞120与产生推力的压电元件130连接，起到将压电
元件130的推力向压力室104传递的作用。压电元件130被托架105
固定。并且，压电元件130与外部电源131电连接，能够被外部电源
131驱动。活塞120的压力室104侧的前端部121被加工成尖塔状。进
而，在活塞120具备加热机构142，对活塞120进行加热。由此，能够
从内侧加热供给室102和压力室104。
喷嘴头100通过固定件106固定于桌台(未图示)等。
(金属材料的供给)
接着，对向喷嘴头100供给材料的方法进行说明。图2(a)～图
2(d)是表示从正面观察喷嘴头100中的压力槽202即供给室102和
压力室104的剖面构造的示意图。
在图2(a)中，在压力室104和供给室102中导入有用于进行基
于所希望的组成的喷出的金属材料151。在此，对于金属材料151以焊
锡材料为例进行了说明，但铜或硅等材料也是同样的。导入的金属材
料151被压力室104和供给室102周围具备的加热机构141加热。
在一般的电子电路的安装所使用的、由锡-银-铜的组成构成的焊锡
材料中，由于其熔点是221℃，因此能够通过加热到该熔点以上的温度
将其熔融。
图2(b)表示通过该熔融的金属材料152充满压力室104和供给
室102的下部的状态。并且，在此示出了供给预先加工成粒状的金属
材料151的图，但在带状或块状的形态下，通过熔点以上的加热将其
逐次熔融，从而熔融的金属材料152充满压力室104和供给室102，因
而也能够毫无问题地使用。
接着，在图2(c)中，将喷嘴头100的活塞120插入压力室104。
进而，图2(d)表示使熔融的金属材料152喷出的状态。
在该状态下，压力室104和供给室102被活塞120隔开。另外，
压力室104和供给室102并不是完全独立，以在压力室104和活塞120
之间预先设有预定的间隙108的方式进行加工。
由此，能够从供给室102补充压力室104内的金属材料152的喷
出导致的减少量，能够在压力室104内始终保持一定量的金属材料152。
另外，在活塞120上也设有加热机构142，通过活塞120的插入，
熔融的金属材料152凝固，为了不阻碍活塞120的插入，预先加热到
金属材料152的熔点以上。
另外，喷嘴103是圆形。喷嘴103的直径最大是0.5mm左右，由
于熔融的金属材料152具有的高的表面张力的效果，不会由于重力而
从喷嘴103滴下。喷嘴103不限于圆形，也可以是椭圆形状。
(驱动)
接着，对向喷嘴头100的驱动机构进行说明。在图2(d)中，活
塞120的后端部122通过粘结剂或施压机构等与压电元件130连接，
以能够传递压电元件130的推力。在此，压电元件130被外部电源131
驱动时，其动作通过活塞120向压力室104传递。活塞120的动作产
生提高压力室104内的压力的作用，该压力直到熔融的金属材料152
从作为敞开端的喷嘴103喷出为止。此时，在压力室104和活塞120
中存在用于将熔融的金属材料152向压力室104供给的间隙108，但其
流路阻力比喷嘴103的流路阻力大，压力室104内的压力的大部分作
用于从喷嘴103的喷出。
喷出的金属材料152由于其表面张力而成为球形，在气体中被冷
却，进行球形成。此时，为了抑制表面的氧化，优选向氮气等不活泼
气体氛围中喷出和冷却。
(金属材料的状态)
接着对压力室104中的熔融的金属材料152的状态进行详细叙述。
图3是放大压力室104的剖视图。在此，以使加热机构141产生的压
力室104的金属材料152的温度高于加热机构142产生的活塞120的
温度的方式进行调节。
作为例子，示出由锡、银和铜的合金形成金属材料的情况。锡、
银和铜的合金的熔点是221℃。在此，加热机构141、142的温度分别
设定成245℃、235℃。在该情况下，加热机构142、141的温度差经由
压力室104内的熔融的金属材料152而圆滑地生成温度倾斜度，因此
在熔融金属自身中，从中央部到端部产生5℃左右的温度差，能够产生
生成有效的对流所需要的2～3℃以上的温度差。至少有2℃以上、优
选有3℃以上的温度差。
由此，压力室的周围的熔融的金属材料152的温度变高，产生上
升流161。上升流161最终到达活塞的前端部121。在此，活塞120的
温度被设定成低于压力室104的温度，因此稍微被冷却，上升流161
向下降流162移动。此时，活塞120的前端部121形成为尖塔状，从
而来自周围的上升流161以沿着尖塔状的前端部121的形状的方式朝
向压力室中心部作为下降流162被引导，从上升流向下降流的转移能
够无滞留地进行。由此，在压力室104内熔融的金属材料152能够生
成稳定的对流。因此，熔融的金属材料152在压力室104内能够始终
将其温度分布保持恒定。
该稳定的对流生成会成为稳定的搅拌，从而能够将熔融的金属材
料152的组成始终保持恒定。尤其是在金属材料由复合材料构成的情
况下，能够抑制由于所包含的每个成分的比重不同产生的各种材料的
不均匀。由此能够始终喷出均质的金属材料。
进而，能够获得稳定的温度分布，因此能够使熔融的金属材料的
粘度保持恒定。
图4是表示作为金属材料152的由锡-银-铜构成的焊锡材料中的熔
融粘度和温度的关系的曲线图。
如图4的曲线所示，金属材料152在作为熔点的220℃熔融，状
态从固体向液体变化。由此，金属材料152的粘度急剧下降。使该金
属材料152的熔融物从喷嘴103喷出的是从金属材料152的熔点升温
了20℃左右的温度区域。这是为了切实地避免因为温度分布的不均等
没有完全熔融而未能液体化，还包含一部分以固体或固溶体的状态存
在的材料。并且，该部分的粘度的变化剧烈。由此可知需要将温度保
持恒定。成为更高的温度时，会产生材料变性、装置劣化等不良影响，
因此形成为比熔点高20℃左右。
在此，在如上所示利用压电元件130的喷嘴头100的情况下，由
于粘度不同，喷出阻力变化，从而喷出的体积会产生变化，因此为了
确保稳定的体积，粘度的稳定化是重要的。
金属材料152的熔融温度通常是高于室温的温度区域，因此很难
将温度保持相同，必定会产生温度分布。但是，在本实施方式中，并
不是要消除这种不可避免的温度分布，相反地，如图3所示的那样，
通过积极地生成对流，该温度分布始终保持恒定，而不会变化。由此，
作为喷出对象的喷嘴103附近的金属材料的温度始终保持恒定，从而
能够实现喷出体积的稳定化。
在此，如图2(d)所示，通过喷出而减少的压力室内的金属材料
152的补充通过压力室104和活塞120的间隙108而从供给室102进行，
因此会有产生温度变化的危险。但是，在喷嘴喷射中，由于生成的压
力而喷出的材料的体积大概是从100皮升最大到1微升左右。这与1～
10毫升的压力室体积相比充分小，金属材料的补充导致的温度变化不
会成为问题。
此时，在图2(d)中，以活塞120的直径为8mm，间隙108为
50μm～100μm左右的方式形成压力室。金属材料152的补充在活塞
120前进并使金属材料152喷出之后、向初始位置后退时进行，与喷出
的体积相当的金属材料152通过间隙108向压力室补充。
另外，间隙108的部分的开口面积优选大于喷嘴103的开口面积。
其理由是为了确保喷出的熔融金属的体积的稳定性。另外，优选喷嘴
103的直径大于间隙108的开口部分的最小间隙距离。
(变形例)
在图1中，作为活塞120的前端部121的形状示出了圆锥形的形
状，但如图5所示，前端部123也可以是半球状。只要是椭圆形、纺
锤形、圆锥台等向下凸出并以中心线作为基线的旋转对象，都能够获
得同样的效果。
另外，压力室104的下部具有随着到达喷嘴103而具有缩细的构
造，这是为了使由活塞120的推力生成的压力集中在喷嘴103而进行
的设计。在图1中，压力室104的下部是与活塞120相似的形状，但
并不限定于此。
在压力室104的下部是圆锥的情况下，其顶角为30度～150度左
右是适当的，优选为90度±10度左右。
工业上的可利用性
在本发明的喷嘴头中，在将金属材料熔融并使其喷出时，能够使
其组成均质化，进而能够始终喷出稳定的体积。尤其是在进行基于熔
融金属的球形成的情况等，能够在高的直径精度下进行制造。