時(shí)間-壓力點(diǎn)膠技術(shù)淺析

楊軍安

（新疆眾和股份有限公司 烏魯木齊 830013）

時(shí)間-壓力點(diǎn)膠技術(shù)以其操作柔性高、所使用的流體（環(huán)氧樹(shù)脂）粘度范圍大、且成本低及易于維護(hù)的特點(diǎn)，在電子器材行業(yè)、實(shí)驗(yàn)應(yīng)用很廣泛，在所有點(diǎn)膠系統(tǒng)中占70%以上，其性能一直能很好的滿足要求[2]。時(shí)間-壓力點(diǎn)膠技術(shù)通過(guò)高通過(guò)壓縮空氣作動(dòng)力，氣體在傳送過(guò)程以及針筒內(nèi)氣體作用膠體的過(guò)程受到很多因素的影響，這些將影響到點(diǎn)膠的流速和膠點(diǎn)的大小。時(shí)間-壓力型點(diǎn)膠設(shè)備通常采用控制點(diǎn)膠壓力以及施壓持續(xù)時(shí)間來(lái)控制出膠量。本文從時(shí)間-壓力點(diǎn)膠技術(shù)的最基礎(chǔ)膠液特性、流體特性理論入手，應(yīng)用數(shù)學(xué)理論及其數(shù)學(xué)模型思維，將時(shí)間-壓力點(diǎn)膠技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，為時(shí)間-壓力點(diǎn)膠技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用做出了必要的理論支持和指導(dǎo)。

1 時(shí)間-壓力點(diǎn)膠技術(shù)理論基礎(chǔ)

1.1 膠液產(chǎn)生粘接力的基本理論

膠液通過(guò)潤(rùn)濕作用、擴(kuò)散作用，以及與被粘表面的相互作用等三個(gè)基本過(guò)程，產(chǎn)生牢固的粘接力。為了粘接的本質(zhì)通過(guò)研究提出了一些理論模型[4]。

（1）機(jī)械理論

任何物體光滑的表面實(shí)質(zhì)上是凹凸不平的。膠液滲透到這些不平的溝痕或空隙中，不排除其界面上吸附的空氣，固化后在界面區(qū)產(chǎn)生了嚙合力。

（2）吸附理論

粘接是由兩材料間分子接觸和界面力產(chǎn)生所引起的。粘接力的主要來(lái)源是分子間作用力包括氫鍵力和范德華力。膠液與被粘物連續(xù)接觸的過(guò)程叫濕潤(rùn)，要使膠液潤(rùn)濕固體表面，膠黏劑的表面張力應(yīng)小于固體的臨界表面張力，膠液侵入固體表面的凹陷與空隙就形成了良好潤(rùn)濕。如果膠液在表面的凹處被架空，便減少了膠液與被粘物的實(shí)際接觸面積，從而降低了接頭的粘接強(qiáng)度。

通過(guò)潤(rùn)濕使膠液與被粘物緊密接觸，主要是靠分子間作用力產(chǎn)生永久的粘接。在粘附力和內(nèi)聚力中所包含的化學(xué)鍵有三種類型，即離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵，還存在分子間作用即范德華力。

（3）擴(kuò)散理論

粘接是通過(guò)膠液與被粘物界面上分子擴(kuò)散產(chǎn)生的。分子或鏈段的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了膠液和被粘物分子之間的互相擴(kuò)散，從而使一個(gè)物體的分子跑到另一個(gè)物體的表層里，另一物體的分子也跑到這個(gè)物體的表面力，兩者的界面逐漸消失，相互“交織”而牢固結(jié)合。

1.1.1 環(huán)氧樹(shù)脂膠液的特性

電子材料行業(yè)多是粘接盆架、振膜、線材等材料，其質(zhì)量輕、體積小，一般采用熱固性膠液如環(huán)氧樹(shù)脂、聚丙烯及氰基丙烯酸酯等膠液。最常用的為環(huán)氧樹(shù)脂膠液，以下重點(diǎn)介紹環(huán)氧樹(shù)脂膠液的特性。

環(huán)氧樹(shù)脂是指高分子鏈結(jié)構(gòu)中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的高分子化合物的總稱，屬于熱固性樹(shù)脂。環(huán)氧樹(shù)脂膠液具有如下特點(diǎn)：

（1）粘接度高，環(huán)氧樹(shù)脂膠液含有羥基和醚基等極性基團(tuán)與被粘界發(fā)生反應(yīng)而生成化學(xué)鍵，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的粘接強(qiáng)度。

（2）固化收縮率小，在有機(jī)膠液中環(huán)氧樹(shù)脂膠接劑的固化收縮率最小，為1%～3%。

（3）化學(xué)介質(zhì)穩(wěn)定性好，在固化體系中不易受酸堿侵蝕。

環(huán)氧樹(shù)脂的缺點(diǎn)為操作粘度大，給施工帶來(lái)不便；固化物性脆，伸長(zhǎng)率小；剝離強(qiáng)度低；耐機(jī)械沖擊和熱沖擊差。

1.1.2 點(diǎn)膠流體的基本特性

研究物質(zhì)必須研究其本質(zhì)特性，電子制造中所用的點(diǎn)膠膠液，其流動(dòng)特性極為復(fù)雜，屬于非牛頓流體，為了更好地應(yīng)用時(shí)間-壓力點(diǎn)膠技術(shù)，需通過(guò)流體力學(xué)相關(guān)知識(shí)對(duì)膠液進(jìn)行研究。

牛頓提出了關(guān)于粘性流體作直線層狀運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩流體層間速度梯度成正比，見(jiàn)圖1。即：

圖1 流體的直線層狀運(yùn)動(dòng)

式中，μ為動(dòng)力粘性系數(shù)，取決于流體的物理性質(zhì)。

稱式（1）為牛頓內(nèi)摩擦定律，根據(jù)式（1），有：

斯托克斯把牛頓內(nèi)摩擦定律推廣到粘性流體的任意流動(dòng)中，根據(jù)胡克定律，提出了以下三個(gè)假設(shè)[6]：

（1）流體是連續(xù)的，應(yīng)力與應(yīng)變率之間成線性關(guān)系。

（2）流體是各向同性的，也就是它們的性質(zhì)與方向無(wú)關(guān)。因此無(wú)論選取什么樣的坐標(biāo)系，它們的應(yīng)力與應(yīng)變率之間的關(guān)系是相同的。

（3）當(dāng)流體靜止時(shí)，應(yīng)變率為零，流體中的應(yīng)力只有正應(yīng)力—靜壓，切應(yīng)力為零。

或?qū)懗桑?/p>

通常λ稱為膨脹粘性系數(shù)，而式(2)和式(3)稱為廣義牛頓定律。

在直角坐標(biāo)系中，應(yīng)力張量各分量的表達(dá)式為：

對(duì)于不可壓縮流體▽·V=0，則：

廣義牛頓定律建立了一般情況下應(yīng)力張量和應(yīng)變率張量之間的關(guān)系，它是粘性流體力學(xué)的一個(gè)理論基礎(chǔ)。

凡是滿足上述斯托克斯假設(shè)的流體稱為牛頓流體，如水和空氣。反之稱為非牛頓流體。

1.2 粘性流體的基本特征

粘性流體流動(dòng)主要有以下幾點(diǎn)[7-8]；

（1）流動(dòng)的有旋性，粘性流體必定是有旋流動(dòng)。

（2）有旋性就是在流動(dòng)中有渦的存在，渦一旦產(chǎn)生就會(huì)分裂、擴(kuò)散，從大至小，以至消滅，這就是渦的擴(kuò)散性。

（3）伴隨著渦的擴(kuò)散是能量的消耗，這是一個(gè)能量從有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)變成無(wú)規(guī)律的分子運(yùn)動(dòng)-熱能的不可逆過(guò)程。

①粘性流動(dòng)的有旋性。無(wú)粘性流動(dòng)可能是無(wú)旋的，也可能是有旋的，它的有旋流動(dòng)是從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度提出的。粘性流動(dòng)必定是有旋的，這是粘性流體的動(dòng)力學(xué)特征，可以利用反證法加以證明。

不可壓粘性流體的連續(xù)方程和動(dòng)量方程：

粘性流動(dòng)在固壁表面的邊界條件為無(wú)滑移條件，流動(dòng)的速度Vf等于固壁的速度Vω，即Vf=Vω，寫成壁面的法向n和切向s的分量：

對(duì)于式（7）二階偏微分方程，此處有兩個(gè)邊界條件，故問(wèn)題是可解的。

如果粘性流動(dòng)中，渦量為零，即Ω=0，那么動(dòng)量方程就會(huì)變成無(wú)粘性的歐拉方程：

式（8）為一階偏微分方程，兩個(gè)邊界條件式（7），必定有一個(gè)是多余的了。所以滿足無(wú)粘性流動(dòng)的歐拉方程和滿足粘性的無(wú)滑移邊界條件的流動(dòng)是不存在的。這就證明了粘性流動(dòng)不可能是無(wú)旋的。

②粘性流動(dòng)中，環(huán)量和渦通量的變化率可能為零，也就是說(shuō)環(huán)量和渦通量可能永遠(yuǎn)保持下去。凱爾文定律正是描述了這種情況：在質(zhì)量力有勢(shì)、流體為正壓流體條件下，無(wú)粘性流動(dòng)沿封閉曲線的速度環(huán)量將永遠(yuǎn)不變。而在粘性流動(dòng)中，環(huán)量和渦通量總是變化的。

2 時(shí)間-壓力點(diǎn)膠應(yīng)用及特點(diǎn)

實(shí)踐中通過(guò)裝夾有針管的Z軸向下運(yùn)動(dòng)，直到針頭與工件表面距離達(dá)到設(shè)定值，使針尖上被擠出的膠體與工件表面接觸，然后Z軸向上運(yùn)動(dòng)，膠體和針尖自然斷開(kāi)或拉斷，完成一個(gè)點(diǎn)膠周期。在這種方式中，除材料本身特性會(huì)影響點(diǎn)膠一致性外，針尖與基板距離以及針頭直徑也是影響一致性的重要因素。對(duì)于高粘度的膠體，膠體易在針尖上殘留，導(dǎo)致明顯的拖尾效應(yīng)，嚴(yán)重影響點(diǎn)膠一致性，尤其在微量高速點(diǎn)膠場(chǎng)合，拖尾效應(yīng)的影響更為顯著。在接觸式點(diǎn)膠中，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的點(diǎn)膠設(shè)備是提高效率的關(guān)鍵。

（1）時(shí)間-壓力點(diǎn)膠

該技術(shù)適用于中等粘度的膠液，如圖1所示，點(diǎn)膠量取決于所用氣體壓力大小和作用時(shí)間。這種方式經(jīng)濟(jì)、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、便以清潔，適用性好。但點(diǎn)膠量對(duì)膠體粘度敏感，氣體反復(fù)壓縮、釋放過(guò)程中易使膠體溫度升高，改變膠液的黏度和和膠液的體積，影響膠量的大小。這種技術(shù)點(diǎn)膠速度難以提高。

（2）活塞式點(diǎn)膠

如圖2所示，該方法是一種正向位移的點(diǎn)膠方式，通過(guò)活塞擠壓針管內(nèi)膠體使其流出，特別適合中、高粘度的膠體。點(diǎn)膠量主要由活塞位移大小決定，對(duì)膠體粘度、溫度、和壓力不敏感，在高速時(shí)有很好的一致性，重復(fù)性高，特別適合小體積連續(xù)點(diǎn)膠。但這種方式清洗過(guò)程復(fù)雜，對(duì)針管容腔內(nèi)氣體敏感，對(duì)密封性要求很高，點(diǎn)膠頻率難以提高。點(diǎn)較量大小不好調(diào)節(jié)，須配專用點(diǎn)膠頭才能正常工作，維護(hù)性較差。

圖2 時(shí)間-壓力點(diǎn)膠示意圖

圖3 活塞式點(diǎn)膠示意圖

3 時(shí)間-壓力點(diǎn)膠系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

對(duì)于確定的流體，溫度固定（即粘度確定）時(shí)，其流態(tài)決定于臨界速度。因此引用了下列無(wú)量綱的組合數(shù)作為判別流態(tài)的準(zhǔn)則，對(duì)于管流：

式中，Re為雷諾數(shù)；V為管內(nèi)平均流速；d為管徑；ν為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

上述實(shí)驗(yàn)上臨界雷諾數(shù)和下臨界雷諾數(shù)分別表示為：

可以看出，當(dāng) Recr＞時(shí)為湍流，Recr＜時(shí)為層流，＞Re＞Recr時(shí)，可以是湍流也可以是層流，工程上多按湍流處理。圓管中的臨界雷諾數(shù)為：Recr=2300 和=8000～12000 。

液體在等徑直管中流動(dòng)時(shí)因內(nèi)外摩擦而產(chǎn)生的壓力損失，稱為沿程壓力損失。它主要取決于液體的流速、粘性和膠管的長(zhǎng)度以及膠管的內(nèi)徑等。對(duì)于不同狀態(tài)的液流，流經(jīng)膠管時(shí)的壓力損失是不相同的。膠液的流速、流量以及沿程壓力損失等方面對(duì)點(diǎn)膠有一定的影響。

(1)膠液在膠管中流速

圖1所示，膠液在內(nèi)直徑為d的膠管中運(yùn)動(dòng)，流態(tài)為層流。在液流中取一微小圓柱體，其內(nèi)半徑為r，長(zhǎng)度為l，圓柱體左端的液壓力為P1，右端的液壓力為P2。由于膠液有黏性，在不同半徑處液體的速度是不同的，其速度的分布如圖4中所示。液層間的摩擦力則可按式（牛頓定律公式計(jì)算）。

圖4 流速的分布規(guī)律

由圖4可知，微小液柱上所受的作用力的平衡方程式為：

整理得：

式中負(fù)號(hào)表示流速u隨r的增大而減少。

對(duì)上式進(jìn)行積分得：

上式表明：膠液在膠筒中做層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度對(duì)稱于膠管中心線并按拋物線規(guī)律分布。當(dāng)r=0時(shí)，流速為最大，其值為：

(2)通過(guò)膠管的流量

在膠管中取微小圓環(huán)過(guò)流斷面，通過(guò)此斷面的微小流量為dq=μdA=2rπμdr，所以通過(guò)膠管的流量：

(3)膠管內(nèi)的平均流速:

(4)膠管形狀對(duì)點(diǎn)膠影響:

由上式整理后得沿程壓力損失為：

可見(jiàn)當(dāng)膠管中液流為層流時(shí)，其壓力損失與管長(zhǎng)、流速和液體黏度成正比，而與管徑的平方成反比。上式適當(dāng)變換后，沿程壓力損失公式可改寫成如下形式：

式中,v為液流的平均流速；ρ為液體的密度；λ為沿程阻力系數(shù)。

它可適用于層流和湍流。對(duì)于膠管層流，理論值λ=64Re，考慮到實(shí)際膠管截面可能有變形以及靠近管壁處的液層可能冷卻，阻力略有加大，膠管取λ=80Re。湍流時(shí)，當(dāng) 2.3×103＜Re＜105時(shí)，可取λ≈0.3164Re-0.25。由此得出，在條件允許情況下，膠管管徑直徑越大，膠管盡可能越短，沿程壓力損失越小，也就是在出膠量相同的情況下，所使用氣壓壓力最小，從而提高氣壓利用效率。沿程壓力損失越小，膠液的自身對(duì)膠量的控制影響越小。膠管管徑直徑的大小對(duì)膠液通流能力的影響很大，膠管管徑直徑大，意味著液流和管壁的接觸周長(zhǎng)短，管壁對(duì)液流的阻力小，通流能力大。

［1］沈正湘.微電子封裝中點(diǎn)膠控制系統(tǒng)及其性能控制研究[D].武漢：華中科技大學(xué)碩士論文，2005.

［2］趙翼翔，李涵雄，丁漢等.基于譜方法的點(diǎn)膠過(guò)程建模[J].液壓與氣動(dòng)，2004，(3)：1-4.

［3］D Dixon, J Kazalski, Fmurch, etc. Practical issues concerningdispensing end effectors [EB/OL],http://www.uic.com/wcms/WCMS.nsf/index/Material-Dispensing-9.html,2002.

［4］徐濱士.納米表面工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004，113-118.

［5］王衛(wèi)華，劉鵬.貼片膠的研發(fā)和應(yīng)用[J].粘接，2007，(06)：15-18.

［6］周建文.單組分環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑的研究現(xiàn)狀[J].化學(xué)與粘合，2004，(01)：23-25.

［7］章梓雄，董曾南.粘性流體力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999，10-67.

［8］吳玉林，劉樹(shù)紅.粘性流體力學(xué)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2005，58-64.

［9］莊禮賢.流體力學(xué)（第二版）[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009，124-156.