高性能LED封裝點(diǎn)膠中流體運(yùn)動與膠液噴射研究*

彭先安，單修洋，沈 平，李涵雄

（1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083；2.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083）

高性能LED封裝點(diǎn)膠中流體運(yùn)動與膠液噴射研究*

彭先安1，單修洋1，沈 平1，李涵雄2

（1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083；2.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083）

LED照明具有高亮度、低能耗、體積小、環(huán)保等特點(diǎn)，因此被認(rèn)為是未來替代傳統(tǒng)照明方式的最佳光源。而對于高粘度、高頻、微量、高一致性的LED熒光粉點(diǎn)膠，目前還存在無法出膠、點(diǎn)膠性能不穩(wěn)定、膠滴一致性不好等問題。首先闡述了LED照明的應(yīng)用特點(diǎn)以及當(dāng)前照明封裝產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平，隨后結(jié)合將來主流的噴射式點(diǎn)膠技術(shù)，利用Flow-3D軟件建立了LED噴射點(diǎn)膠過程的計算機(jī)仿真模型。隨后得到了點(diǎn)膠過程中膠液在噴膠閥內(nèi)的流動情況，在此基礎(chǔ)上又探討了各因素對膠液噴射的影響規(guī)律。其結(jié)果可以為后續(xù)的研究奠定基礎(chǔ)，同時對具體的LED工業(yè)生產(chǎn)及封裝裝備制造也有一定的參考價值。

發(fā)光二極管封裝；噴射式點(diǎn)膠；有限元分析；影響分析

1 引言

發(fā)光二極管（LED）是一種新型的固體光源，它具備節(jié)能、環(huán)保、安全、小巧、高效、壽命較長、發(fā)光性能穩(wěn)定等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]。粗略計算一下，如果目前中國50%的照明由LED照明取代，那么大約能夠節(jié)約四個三峽水電站的年發(fā)電量。因此大力發(fā)展LED照明產(chǎn)業(yè)對于落實(shí)低碳經(jīng)濟(jì)和建設(shè)兩型社會具有十分明顯的戰(zhàn)略意義[2~3]。

中國目前尚未掌握高性能LED產(chǎn)業(yè)的核心制造技術(shù)，部分關(guān)鍵設(shè)備依賴進(jìn)口。在大功率LED制造產(chǎn)業(yè)鏈中，處于中游的LED芯片封裝是LED照明產(chǎn)業(yè)中承上啟下的重要一環(huán)[1~4]。LED光源的產(chǎn)品性能與封裝質(zhì)量密切相關(guān)。LED芯片封裝示意圖如圖1所示。

圖1 LED芯片示意圖

熒光粉點(diǎn)膠是LED封裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響著LED器件的封裝質(zhì)量。若點(diǎn)膠過程中粉膠不均、成型不好，將會造成芯片熱分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致芯片局部過熱，引起光衰。若膠滴尺寸不一，則會導(dǎo)致LED的色溫分布變大，使得產(chǎn)品質(zhì)量下降，制造成本上升。

隨著LED封裝向高品質(zhì)、高生產(chǎn)率、高成品率方向發(fā)展，220 lm/W及以上的白光LED器件制造對光效提升及封裝成本控制提出了更高的要求。實(shí)現(xiàn)高粘度、納升級膠滴噴出，并大幅度提升點(diǎn)膠效率，同時保證膠滴一致性成為LED點(diǎn)膠裝備制造的難題。

目前封裝業(yè)廣泛使用的是時間-壓力式點(diǎn)膠[5]。但它存在效率低、點(diǎn)膠一致性不穩(wěn)定、容易損傷器件等問題，其點(diǎn)膠性能無法滿足高性能LED制造的高頻率、高一致性要求[6~10]。

噴射式點(diǎn)膠是一種非接觸式點(diǎn)膠技術(shù)。它在生產(chǎn)過程中針頭不需要進(jìn)行豎直Z方向的往復(fù)運(yùn)動，因而大幅度提高了點(diǎn)膠速度，同時避免了對器件表面的損傷[11]，將成為未來LED點(diǎn)膠的主流技術(shù)。兩種點(diǎn)膠技術(shù)比較見表1。

表1 兩種點(diǎn)膠技術(shù)的對比[8，10]

在目前LED點(diǎn)膠裝備產(chǎn)業(yè)鏈中，噴膠閥的設(shè)計與制造是其中的關(guān)鍵技術(shù)。LED封裝用硅膠粘度在1.5~6 Pa·s之間，而且膠液粘度還會隨著時間推移而發(fā)生改變。當(dāng)前利用噴射式點(diǎn)膠閥進(jìn)行LED點(diǎn)膠時還存在一些問題：一是對于高粘度的膠液無法平穩(wěn)噴射，二是達(dá)不到噴射納升級膠滴的水平。因此如何實(shí)現(xiàn)高粘度、微量、高速的膠液噴射是當(dāng)前LED點(diǎn)膠裝備制造的瓶頸。噴射式點(diǎn)膠閥的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 噴射式點(diǎn)膠閥結(jié)構(gòu)示意圖[5]

國內(nèi)不少學(xué)者針對點(diǎn)膠裝備做過研究。趙翼翔、陳從平等人建立了時間-壓力式噴膠過程模型，但沒有涉及噴射式點(diǎn)膠[6~13]。焦曉陽、劉建芳等人研究了壓電驅(qū)動式噴射閥，但并沒有討論點(diǎn)膠過程中閥體內(nèi)部膠液的流動情況[7]。劉華勇、孫慧研究了機(jī)械式與壓電式噴射閥，但并不涉及具體LED封裝應(yīng)用[14~15]。鄧圭玲系統(tǒng)地研究了各種原理驅(qū)動的點(diǎn)膠閥，并且實(shí)現(xiàn)了微量膠液的噴射[17~19]。針對LED封裝點(diǎn)膠過程中膠液的流動情況以及各參數(shù)對膠液噴射的影響方面還未見到公開發(fā)表的論文。

本文首先建立了課題組試制的噴膠閥的三維有限元模型，接著依照實(shí)際點(diǎn)膠的工況條件對整個噴膠過程進(jìn)行了流體仿真，隨后結(jié)合噴膠實(shí)驗(yàn)中拍攝的圖片，對噴膠閥內(nèi)部流體的運(yùn)動情況進(jìn)行了分析，并發(fā)現(xiàn)了膠液在噴射過程中的回流現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，文章還討論了膠液粘度、撞針?biāo)俣?、閥體尺寸各因素對于膠液噴射的影響。

2 仿真有限元模型

2.1噴膠閥的有限元模型

進(jìn)行仿真之前需要建立與實(shí)際情況吻合的三維空間模型，并通過模型來模擬膠液在該模型內(nèi)的運(yùn)動情況。本文利用Flow-3D軟件對膠液的流動情況進(jìn)行仿真，進(jìn)而揭示膠液在噴膠閥內(nèi)部的流動情況。其幾何模型如圖3所示。

圖3 噴膠閥幾何模型

在幾何模型建立后，為了進(jìn)一步對模型進(jìn)行分析計算，需要對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后的離散模型如圖4所示。

圖4 噴膠閥離散模型

2.2膠液的本構(gòu)方程及參數(shù)設(shè)定

LED封裝用硅膠是一種典型的非牛頓流體，具有剪切變稀的性質(zhì)，據(jù)此本文采用軟件中Power Law指數(shù)模型作為硅膠的本構(gòu)方程。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中μ為不同剪切速率下的粘度；μ0為靜態(tài)下測量的粘度；eij為流體運(yùn)動過程中的剪切速率；n為冪律指數(shù)，當(dāng)n＜1時液體具有剪切變稀的流變特性。

在實(shí)際的LED點(diǎn)膠中會根據(jù)膠液的特性對噴膠閥噴嘴進(jìn)行加溫，從而降低膠液的粘度，方便膠液噴射。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得60 ℃下膠液的粘度為0.4 Pa·s，因此相應(yīng)地選取μ0為0.4 Pa·s。

為了確定方程中n的選取，課題組利用流變儀測試了膠液粘度與剪切速率的關(guān)系曲線。最后通過數(shù)值方法確定當(dāng)n為0.9時最符合實(shí)驗(yàn)情況。

2.3邊界條件的設(shè)定

在本研究中，根據(jù)LED點(diǎn)膠過程中的實(shí)際生產(chǎn)情況，設(shè)定撞針的速度從1.4 m/s逐漸遞減至0 m/s。ρ=1000 kg/m3，μ0=0.4 Pa·s；ρ、μ0分別為流體的密度與粘度。噴膠過程中管道因其雷諾數(shù)約為500以下，故認(rèn)為噴膠過程中膠液處于層流狀態(tài)。重力加速度為9.8 m·s-2。膠液入口的壓強(qiáng)以及基座頂部的壓強(qiáng)均為0.1 MPa。定義好邊界條件的離散模型如圖6所示。

圖5 膠液粘度隨剪切應(yīng)變率變化趨勢圖

圖6 邊界條件示意圖

3 噴膠過程中流體運(yùn)動情況研究

3.1膠液噴射過程計算機(jī)仿真

為了揭示在LED點(diǎn)膠過程中噴膠閥內(nèi)部流體的運(yùn)動情況，我們對噴射過程進(jìn)行了計算機(jī)仿真。仿真模型平面圖與時間序列仿真組圖如圖7、圖8所示。

通過上面的組圖可以看出，隨著撞針的向下運(yùn)動，膠液噴射基本上可以分為噴出、拉絲、分離、滴落等幾個階段。同時注意到在撞針回程運(yùn)動后，閥體的噴嘴處形成了一個膠液空腔。

圖7 LED點(diǎn)膠過程中流體運(yùn)動仿真平面圖

圖8 時間順序排列的噴膠過程仿真組圖

3.2膠液噴射過程實(shí)驗(yàn)圖像采集

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真過程的真實(shí)性與可靠性，課題組利用高速攝像機(jī)拍攝了膠液從閥體被噴射至基板的全過程。從這一組圖像中可以看出，膠液噴射過程大致經(jīng)歷了膠液噴出、膠體拉絲、速度分離、膠滴滴落4個階段。同時對比圖8，可以發(fā)現(xiàn)由仿真得到的膠液噴射過程與通過高速攝像機(jī)拍攝到的時間序列圖像基本一致。

圖9 時間順序排列的膠液噴射過程組圖

3.3膠液噴射過程的流體運(yùn)動分析

為了進(jìn)一步揭示膠液在運(yùn)動過程中出現(xiàn)各種運(yùn)動現(xiàn)象的原因，課題組基于前述的仿真結(jié)果，得到并分析了噴膠過程中速度矢量分布圖，如圖10所示。

圖10 噴膠過程速度矢量圖

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴膠閥撞針開始向下運(yùn)動時，膠液出現(xiàn)了向噴射方向的反方向運(yùn)動的趨勢。隨著撞針深入閥體基座腔，速度矢量愈發(fā)密集，并可以看到閥腔中上方的膠液從灌膠口中涌出。同時噴嘴中已噴出膠液的速度出現(xiàn)明顯的分離，逐漸導(dǎo)致膠液斷裂。當(dāng)在第14幀時發(fā)現(xiàn)有大量的膠液從灌膠入口回流。而到達(dá)第70幀時，仍有部分膠液從灌膠口噴出，同時由于膠液回流，在閥的噴嘴處形成了一個空腔。

4 影響膠液噴射的耦合因素研究

通過上述的噴膠過程運(yùn)動仿真與圖像采集，我們發(fā)現(xiàn)了膠液在撞針運(yùn)動過程中的回流現(xiàn)象，并從宏觀尺度上了解了膠液在噴射過程中的運(yùn)動情況。

但細(xì)化到微觀尺度上來講，我們還不清楚各種因素對膠液噴射運(yùn)動過程的影響。因此課題組又在此基礎(chǔ)上從膠液粘度、撞針?biāo)俣?、閥體尺寸三個方面對膠液噴射的影響進(jìn)行了仿真研究。

4.1膠液粘度對膠液噴射的影響

為了研究膠液的粘度對膠液噴射的影響，我們設(shè)計了5組仿真實(shí)驗(yàn)，膠液的粘度分別為0.4 Pa·s、0.8 Pa·s、2 Pa·s、5 Pa·s和10 Pa·s，其他工藝參數(shù)保持不變。5組不同仿真中的主要參數(shù)見表2。

表2 膠液粘度參數(shù)研究中仿真模型的主要參數(shù)

不同粘度下噴嘴口處膠液的速度分布情況如圖11所示。隨著膠液粘度的增加，膠液噴出的速度會有些許下降。注意到當(dāng)膠液的粘度超過5 Pa·s時，部分已經(jīng)噴出的膠液又返回到噴嘴中，圖中5 Pa·s和10 Pa·s的曲線出現(xiàn)了波峰。其原因在于粘度較大的膠液內(nèi)部存在更大的液體張力，因而當(dāng)膠液的噴射動能達(dá)不到一定值的時候?qū)o法分離。因此會有部分已經(jīng)噴出的膠液又被拉回基座腔內(nèi)。

圖11 膠液噴出的速度

不同粘度的膠液最終到達(dá)基板上的膠液的體積如圖12所示?？梢钥闯觯z液粘度越大，噴出的膠液體積越少，到達(dá)基板的時間也越晚。這也驗(yàn)證了膠液粘度越大，越難以噴出膠液，且噴出的速度也越慢。

不同粘度膠液從灌膠口噴出的膠液體積如圖13所示。膠液粘度越大，從灌膠口噴出的膠液體積越少。但值得注意的是，從灌膠口噴出的膠液體積大約為從噴嘴口噴出的膠液體積的100倍。在撞針下沖的過程中，閥腔內(nèi)部的體積被壓縮，僅僅只有很小一部分的膠液通過噴嘴噴射出來，而絕大部分膠液則被排擠到灌膠口處。這對于計算膠液噴射體積、建立點(diǎn)膠過程模型具有很重要的指導(dǎo)作用。

圖12 最終到達(dá)基板上的膠液體積

圖13 灌膠口噴出的膠液體積

4.2撞針?biāo)俣葘δz液噴射的影響

為了研究撞針?biāo)俣葘娔z的影響，課題組設(shè)計了5組仿真實(shí)驗(yàn)，以參照組中撞針?biāo)俣葹閂，其他四組的速度分別為0.25V，0.5V，2V和3V，其他參數(shù)保持不變。5組不同仿真中的主要參數(shù)見表3。

表3 撞針?biāo)俣葏?shù)研究中仿真模型的主要參數(shù)

不同撞針?biāo)俣认?，膠液噴出的速度如圖14所示。從圖中可以看到，撞針的速度越大，膠液噴出的速度也越大。其原因在于撞針的速度越大，其運(yùn)動過程中傳遞給膠液的動能也越大，因而膠液才能在運(yùn)動過程中克服其內(nèi)部的張力而噴出。

不同撞針?biāo)俣认?，最終到達(dá)基板上的膠液體積如圖15所示。撞針?biāo)俣仍酱?，噴出的膠液體積越多，到達(dá)基板的時間越早。當(dāng)速度為0.25V時，膠液噴出的速度過小，在仿真時間內(nèi)都沒有到達(dá)基板。

圖14 不同撞針?biāo)俣认履z液噴出的速度

圖15 到達(dá)基板上的膠液體積

從灌膠口噴出的膠液體積如圖16所示。從圖可以看到，撞針?biāo)俣仍酱?，從灌膠口噴出的膠液體積也越大。

圖16 灌膠口噴出的膠液體積

在目前使用的噴射式點(diǎn)膠閥中，正常工作下撞針的運(yùn)動位移與作用時間十分短暫。因此為了實(shí)現(xiàn)LED封裝中高粘度的膠液噴射，解決膠液無法噴出的問題，就需要在這段微小的時空范圍內(nèi)盡可能提升撞針的動能。

4.3腔針間隙對膠液噴射的影響

為了探索噴膠閥基座腔體與撞針間的間隙對膠液噴射效果的影響，課題組設(shè)計了5組仿真實(shí)驗(yàn)，主要參數(shù)見表4，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖17所示。

表4 腔針間隙參數(shù)研究中仿真模型的主要參數(shù)

圖17 不同的腔針間隙

腔體與撞針間隙對膠液噴出速度的影響如圖18所示。從圖中可以看出，兩者之間的間隙越小，膠液噴出的速度越大。其原因在于越小間隙導(dǎo)致膠液回流更加困難，故能增加膠液噴出的速度。

圖18 腔針間隙對膠液噴出速度的影響

腔針間隙對基板上膠液體積的影響如圖19所示。從圖中可以看到，隨著間隙的增加，最終到達(dá)基板上膠液的體積逐漸減小。其原因在于間隙增大，膠液回流相比從噴嘴口噴出更加容易，導(dǎo)致從噴嘴口噴出的膠液體積減少。

圖19 腔針間隙對基板上膠液體積的影響

腔針間隙對灌膠口噴出膠液體積的影響如圖20所示。從圖中可以看到，間隙對灌膠口噴出膠液體積的影響較小。這是由于灌膠口距離基座腔下半部分較遠(yuǎn)，而基座腔下半部分間隙的變化對上半部分膠液運(yùn)動的影響有限。

可以看出，即便間隙大小不一，從灌膠口噴出膠液的體積仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于從噴嘴處噴出的膠液體積。因此縮小基座腔與撞針間的間隙，會更有利于膠液噴射。但間隙若過分狹小，一則會加大閥體制造工藝上的難度。二則容易使閥體內(nèi)部受力復(fù)雜，甚至?xí)p小噴膠閥的使用壽命。

圖20 腔針間隙對灌膠口噴出膠液體積的影響

5 結(jié)論

在LED封裝過程中，熒光粉點(diǎn)膠是一項(xiàng)極其重要的工序，它直接影響了LED成品的質(zhì)量。而如何實(shí)現(xiàn)高性能LED制造中高粘度、高頻率、高可靠性的點(diǎn)膠要求則成為LED封裝裝備制造的難題。

本文圍繞LED封裝中的點(diǎn)膠環(huán)節(jié)，首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)工況建立了噴膠閥的有限元仿真模型，結(jié)合噴膠實(shí)驗(yàn)對噴膠過程進(jìn)行仿真。根據(jù)仿真結(jié)果分析了噴膠過程中閥體內(nèi)部膠液的運(yùn)動情況，并發(fā)現(xiàn)了膠液往灌膠口回流這一特殊的運(yùn)動現(xiàn)象。隨后在宏觀運(yùn)動的基礎(chǔ)上，文章分析了在LED點(diǎn)膠過程中膠液粘度、撞針?biāo)俣取㈤y體結(jié)構(gòu)對膠液噴射的影響，并得出了以下結(jié)論。

從宏觀的流體運(yùn)動角度來看，主要有三點(diǎn)：

（1）LED點(diǎn)膠中膠液的運(yùn)動情況大致分為：膠液噴出、膠滴拉絲、速度分離、膠滴滴落、膠液回縮5個階段。

（2）膠液回縮過程中由于膠液內(nèi)部張力與大氣壓強(qiáng)的作用，會在噴膠閥的噴嘴處出現(xiàn)一個空腔。這對于計算每一次撞針工作下排出的膠滴體積有重要作用。

（3）從膠液的運(yùn)動速度分析結(jié)果與圖11可以得出點(diǎn)膠過程中閥體內(nèi)部存在膠液回流至灌膠口的現(xiàn)象。而且從圖11、圖12等的對比可以看出回流量遠(yuǎn)大于噴射量。

從微觀的噴射因素角度考量，主要有三點(diǎn)：

（1）從圖11可以發(fā)現(xiàn)，膠液粘度對閥體內(nèi)部膠液回流的影響很大，高粘度的膠液回流現(xiàn)象十分明顯。這對于建立整個噴膠過程的數(shù)學(xué)模型有很大意義。

（2）撞針?biāo)俣葘τ谀z液噴射的影響很大。對比圖11與圖14可以看出，撞針?biāo)俣认鄬τ谀z液粘度來講，它對膠液噴射速度的貢獻(xiàn)更大。因此要達(dá)到LED點(diǎn)膠高粘度、高頻率的要求，必須要解決撞針高速運(yùn)動的問題。

（3）在膠液粘度較大的時候，撞針?biāo)俣扰c腔針間隙對膠液的噴出有很大的影響。從圖15與圖19可以看出，撞針?biāo)俣冗^小或者腔針間隙過大會導(dǎo)致噴膠量大大減小，甚至出現(xiàn)膠液無法噴出的情況。

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Research on Fluid Motion and Fluid Jetting Dispensing in High Performance Manufacturing of LED

PENG Xian'an1, SHAN Xiuyang1, SHEN Ping1, LI Hanxiong2

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University,Changsha410083,China; 2.State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing,Central South University,Changsha410083,China）

LED lighting has high brightness, low power consumption, small size, environmental protection and other features, so it is considered to be the best source of future lighting method. For high viscosity, high frequency, high consistency of the LED phosphor dispensing, there are still some problems.Such as can’t jet glue, glue performance is not stable, dots consistency is not good and so on.The paper first describes the characteristics of LED lighting and the lighting package industry technical level, and then combined with the future mainstream jet dispensing technology, establish a computer simulation model of the LED jet dispensing process by using Flow-3D software. Then obtain the flow situation of glue dispensing process in the spray valve, and on the basis of it, discuss the factors to the glue injection. The results can lay a foundation for related research, also has certain reference function to the concrete LED industrial production and packaging equipment manufacturing.

LED package; jet dispensing; finite element analysis; influence analysis

TN305.94

A

1681-1070（2014）08-0008-07

彭先安（1989—），男，湖南衡陽人，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榉庋b裝備制造；

單修洋（1989—），男，山東日照人，博士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榫軝C(jī)電系統(tǒng)建模、智能控制；

沈 平（1983—），男，陜西寶雞人，博士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榭刂评碚撆c控制工程、數(shù)字信號處理；

李涵雄（1959—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)閺?fù)雜機(jī)電系統(tǒng)建模、智能控制、機(jī)器學(xué)習(xí)等。

2014-03-06

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2011CB013100)