基于數(shù)值仿真的氣動(dòng)噴射閥回流間隙的優(yōu)化

魏新明, 沈　平, 單修洋, 李渭松

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

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基于數(shù)值仿真的氣動(dòng)噴射閥回流間隙的優(yōu)化

魏新明, 沈平, 單修洋, 李渭松

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

氣動(dòng)噴射閥是微電子封裝中不可或缺的封裝設(shè)備,但現(xiàn)有氣動(dòng)噴射閥在噴射高黏膠液時(shí)仍不能完全滿足工業(yè)界對(duì)膠滴一致性的需求,原因在于其噴射高黏膠液時(shí)常出現(xiàn)因噴射速度太小而導(dǎo)致的掛膠漏噴現(xiàn)象.要減小上述現(xiàn)象的發(fā)生概率,就必須提高現(xiàn)有氣動(dòng)噴射閥的高黏流體噴射能力.回流間隙作為氣動(dòng)噴射閥的關(guān)鍵尺寸,直接影響著噴射閥的噴射能力.為了通過(guò)優(yōu)化回流間隙來(lái)提高噴射能力,首先建立氣動(dòng)噴射閥的膠液噴射數(shù)值仿真模型并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性,同時(shí)基于不同回流間隙的仿真數(shù)據(jù)建立了相應(yīng)的高斯擬合模型.然后利用擬合模型以膠滴滴落速度為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)回流間隙進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)優(yōu)化前后的噴射對(duì)比驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的可靠性,最后獲得氣動(dòng)噴射閥的最優(yōu)回流間隙.

氣動(dòng)噴射閥; 回流間隙; 點(diǎn)膠; 微電子封裝; 優(yōu)化設(shè)計(jì)

從20世紀(jì)到如今21世紀(jì),微電子封裝技術(shù)一直是微電子廠家核心競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)之一[1].為實(shí)現(xiàn)微電子封裝高效、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的目的,世界各地的研究人員在創(chuàng)新封裝方式、建立封裝過(guò)程模型以及優(yōu)化控制算法等方面進(jìn)行了大量的研究.隨之微電子封裝中的關(guān)鍵技術(shù)——流體點(diǎn)膠技術(shù)得到了空前的發(fā)展[2-3].

點(diǎn)膠是一種將封裝用膠液如環(huán)氧樹(shù)脂、硅膠等分配到芯片、集成電路所需位置的技術(shù)[4-7].目前盛行4種形式的點(diǎn)膠技術(shù),包括螺旋泵式、時(shí)間壓力式、活塞泵式和噴射式點(diǎn)膠[8-11].前3種形式的點(diǎn)膠技術(shù)均為接觸式,而噴射式點(diǎn)膠為非接觸式的點(diǎn)膠技術(shù).非接觸式噴射點(diǎn)膠能大大提高膠液的分配速度,并且膠點(diǎn)均勻.因其具有高效、非接觸等優(yōu)點(diǎn)而被普遍認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮c(diǎn)膠技術(shù)[12-13].

噴射式點(diǎn)膠技術(shù)雖已被提出并發(fā)展了很長(zhǎng)一段時(shí)間,但是在噴射高黏度微量膠滴的工況下,其噴射性能尚未完全達(dá)到工業(yè)界的要求.其原因之一在于現(xiàn)有關(guān)鍵點(diǎn)膠設(shè)備——點(diǎn)膠閥噴射高黏膠液能力不足,這就會(huì)導(dǎo)致噴嘴口掛膠現(xiàn)象嚴(yán)重甚至無(wú)法噴射等.目前通常采用加溫的方式降低膠液的黏度,進(jìn)而間接地提高點(diǎn)膠閥噴射能力,但該方式又帶來(lái)了膠液性質(zhì)變化、固化速度加快等問(wèn)題.所以加溫不能完全解決點(diǎn)膠閥噴射能力不足的問(wèn)題.因此,優(yōu)化噴射閥本身以提高其高黏膠液噴射能力成為必要.

影響點(diǎn)膠閥噴射能力的一個(gè)非常重要的因素是其流道的尺寸.特別是占據(jù)大部分流道空間的回流腔,其可認(rèn)為回流間隙是噴射閥流道尺寸中一項(xiàng)關(guān)鍵尺寸.其原因是回流間隙與供膠壓力決定了回流阻力的大小,而回流阻力影響撞針撞擊噴嘴基座的速度,進(jìn)而影響擠壓腔內(nèi)流體壓強(qiáng)的大小.擠壓腔內(nèi)的壓強(qiáng)則直接決定了膠滴噴落速度.然而,對(duì)于點(diǎn)膠閥流道尺寸方面的優(yōu)化,目前所做的研究工作非常少.Nguyen，Shan等從機(jī)理出發(fā)分別建立了點(diǎn)膠閥體內(nèi)部流體穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)模型[14-16],Chen等為噴嘴外部膠液拉絲斷裂機(jī)理建立了模型[17].這些工作均側(cè)重于膠液噴射機(jī)理的研究,目的在于更深入地了解噴射閥的工作機(jī)理.但模型的完備性與準(zhǔn)確性不足,使得以上工作尚不能直接用于閥體的流道尺寸優(yōu)化.

本文基于數(shù)值仿真進(jìn)行點(diǎn)膠閥流道尺寸的優(yōu)化.文章首先簡(jiǎn)單介紹了噴射點(diǎn)膠閥的工作原理.然后根據(jù)流體本構(gòu)方程建立了點(diǎn)膠閥的膠液噴射模型,并結(jié)合Fluent軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)膠閥的膠液噴射動(dòng)態(tài)仿真.相應(yīng)的點(diǎn)膠閥噴射實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的正確性.最后采用仿真模型進(jìn)行了回流間隙的優(yōu)化分析,與此同時(shí),建立回流間隙與膠滴滴落速度的高斯擬合模型.通過(guò)對(duì)該模型的極值求解獲得回流腔的最優(yōu)回流間隙.進(jìn)一步的仿真結(jié)果顯示：優(yōu)化后的回流腔相比未優(yōu)化的,其噴射能力有了明顯的提升.

1　氣動(dòng)噴射閥簡(jiǎn)介與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

目前市場(chǎng)上的非接觸式噴射點(diǎn)膠閥產(chǎn)品眾多,按撞針的驅(qū)動(dòng)原理可以分為以下4類:氣動(dòng)彈簧式、超磁伸縮式、壓電陶瓷式、電磁彈簧式.各種類型的噴射閥各有優(yōu)缺點(diǎn),本文實(shí)驗(yàn)中所用的氣動(dòng)噴射閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)[18].因此,氣動(dòng)式是電子封裝工業(yè)使用較普遍的類型.無(wú)論何種噴射點(diǎn)膠閥,其噴射出膠均靠閥內(nèi)撞針快速撞擊擠壓作用，所以文中優(yōu)化回流間隙的思路與方法具有普遍適用性.

氣動(dòng)式噴射的工作原理比較簡(jiǎn)單,其工作原理如圖1所示.首先,高壓氣體進(jìn)入閥體空腔并推動(dòng)撞針上移進(jìn)而壓縮彈簧,同時(shí)膠液進(jìn)入撞擊腔內(nèi)進(jìn)行膠液補(bǔ)充；然后,釋放高壓氣體,此時(shí)壓縮彈簧迅速推動(dòng)撞針下移并撞擊基座,撞擊過(guò)程中撞擊腔內(nèi)將形成極高壓強(qiáng)；最后,微量膠液因高壓噴射而出.

圖1　噴射閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1　Schematic structure of jetting valve

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖2所示，其中：控制器用于點(diǎn)膠閥的3個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)控制,以及對(duì)點(diǎn)膠頻率、氣壓、溫度等工作參數(shù)的控制；高速攝像儀采用的是FAST-CAM SA1.1 (由Photron生產(chǎn)),它能以1 024×1 024的高分辨率和5 400幀/s的高速進(jìn)行拍攝；監(jiān)視器用于顯示并記錄高速攝像儀所拍攝的圖片；撞針位移測(cè)量系統(tǒng)能時(shí)刻記錄閥體內(nèi)部撞針的位移數(shù)據(jù).

2　數(shù)值仿真模型的建立與驗(yàn)證

2.1本構(gòu)數(shù)學(xué)模型

1)連續(xù)性方程為

其中：ρ為膠液密度，由于不考慮膠液可壓縮，式中ρ 為常值；x為軸向坐標(biāo)，r為徑向坐標(biāo)；ux為軸向速度，ur為徑向速度.

圖2　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2　Experiment setup

2)動(dòng)量守恒方程為

其中：

，

P為流體壓強(qiáng)，μ為膠液黏度.

3)流體體積函數(shù)(VOF)為

3.2數(shù)值仿真模型實(shí)現(xiàn)

本文要仿真的對(duì)象為氣動(dòng)噴射閥內(nèi)被彈簧驅(qū)動(dòng)的撞針開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到撞擊基座這一運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的物理出膠過(guò)程.實(shí)驗(yàn)所用氣動(dòng)噴射閥膠液入口以下為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),而噴射閥的噴嘴又離膠液入口較遠(yuǎn),所以膠液入口以下流體區(qū)域可以軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效近似.表1為筆者實(shí)驗(yàn)所用的某公司生產(chǎn)的氣動(dòng)噴射閥部分參數(shù).

表1部分流道參數(shù)

Table 1　Partial parameters of flow channel　mm

選用當(dāng)下被廣泛認(rèn)可并使用的CFD仿真軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值仿真.數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)需要相應(yīng)網(wǎng)格對(duì)流體計(jì)算域進(jìn)行離散,網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定了仿真中每步迭代的收斂性,同時(shí)也影響著仿真結(jié)果的好壞.而且,由于仿真過(guò)程中撞針下撞擠壓流體,仿真過(guò)程必須使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù).不合理的網(wǎng)格將使動(dòng)網(wǎng)格預(yù)覽無(wú)法正確進(jìn)行,這就對(duì)網(wǎng)格劃分提出了更嚴(yán)格的要求.本文選用ICEM CFD對(duì)流體計(jì)算域進(jìn)行細(xì)致的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，具體如圖3所示.仿真中選用2D軸對(duì)稱瞬態(tài)求解器,并用VOF模型來(lái)捕捉膠滴的自由表面.同時(shí)使用了Fluent提供的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),網(wǎng)格更新方式為L(zhǎng)ayering.

圖3　流體域結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格Fig.3　Structured grid of fluid domain

撞針的耦合運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算依靠UDF中的DIFINE_CG_MOTION實(shí)現(xiàn)，其中主要還包括F_STORAGE_R_N3V，F(xiàn)_P,它們分別用來(lái)計(jì)算撞針?biāo)艿募羟辛土黧w壓強(qiáng)作用于撞針的壓力.由這些宏計(jì)算得到的力以及當(dāng)前時(shí)刻的撞針?biāo)俣纫约拔灰?下一個(gè)時(shí)間步的撞針?biāo)俣染涂梢杂?jì)算得出,最后通過(guò)DIFINE_CG_MOTION賦值給撞針壁面.具體撞針運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型如下所示:

其中：F0與k分別為彈簧預(yù)緊力和剛度系數(shù)；s為撞針位移；ffluid與f分別為流體阻力和閥內(nèi)軌道阻力；m為運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量,主要為撞針的質(zhì)量；dt為仿真時(shí)間步長(zhǎng).為了獲得膠液滴落速度,還需用C_VOF獲取膠滴低端位置并輸出記錄到文本文件.

3.3模型驗(yàn)證

模型建立后需經(jīng)與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比校核以驗(yàn)證所建模型的可靠性.本文的校核方法為:1)利用高速攝像儀拍攝記錄實(shí)驗(yàn)中的出膠過(guò)程并將其與仿真結(jié)果對(duì)比；2)利用撞針位移測(cè)量系統(tǒng)獲取實(shí)驗(yàn)中撞針動(dòng)態(tài)位移并將其與仿真結(jié)果對(duì)比.為此,本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的噴膠實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)平臺(tái)前文已有所簡(jiǎn)介.仿真中的相關(guān)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)中氣動(dòng)噴射點(diǎn)膠閥相應(yīng)工作參數(shù)保持一致.在膠液噴射過(guò)程中,用高速攝像儀記錄了噴嘴口膠滴形成過(guò)程.所拍攝的出膠圖片可與仿真中膠液形態(tài)進(jìn)行比對(duì).圖4為仿真與實(shí)驗(yàn)中在各時(shí)刻膠滴自由表面變化情況.由圖可以看出噴射出膠過(guò)程：首先是噴嘴口圓柱形出膠,圓柱半徑大約為噴嘴口半徑；然后膠柱靠近噴嘴端開(kāi)始縮頸并逐漸變細(xì)至最終掉落.從圖4可以看出,仿真與實(shí)驗(yàn)中膠液自由表面除一些具體細(xì)節(jié)外,其主要出膠過(guò)程大體相似.

圖4　出膠狀態(tài)對(duì)比(左:實(shí)驗(yàn)；右:仿真)Fig.4　Comparison on droplet profile (left:experiment,right:simulation)

整個(gè)噴膠過(guò)程的發(fā)生靠的是撞針的運(yùn)動(dòng),因此比較仿真與實(shí)驗(yàn)中各自的撞針位移對(duì)于驗(yàn)證仿真模型也具有十分可靠的參考意義.實(shí)驗(yàn)中撞針位移的測(cè)量可以通過(guò)本文設(shè)計(jì)的撞針位移測(cè)量系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn).最終獲得的位移對(duì)比效果如圖5所示.

圖5　撞針位移對(duì)比Fig.5　Comparison on needle displacement

4　基于數(shù)值仿真的回流間隙的優(yōu)化

4.1仿真分析

不同的回流間隙將對(duì)噴射閥的出膠速度產(chǎn)生較大的影響,本節(jié)通過(guò)仿真深入研究其影響程度.仿真過(guò)程中,除了黏度與回流間隙外,其它邊界條件與相關(guān)參數(shù)均保持不變.圖6中離散數(shù)據(jù)點(diǎn)均為各回流間隙不同黏度膠液下的膠滴噴落速度.由圖可以看出,當(dāng)間隙相同時(shí),隨著膠液黏度的增加,膠液速度逐漸減小，這是由于黏度的增加導(dǎo)致撞針加速困難,進(jìn)而減小了撞針噴射動(dòng)力.相同黏度下,不同的回流間隙表現(xiàn)出極大的噴射差異.間隙過(guò)大或者過(guò)小均使得噴射速度降低.間隙過(guò)小使得回流阻力極大,這同樣導(dǎo)致撞針加速困難.而間隙過(guò)大時(shí),前期膠液能快速回流,腔內(nèi)壓強(qiáng)難以上升,所以前期緩慢出膠.后期撞擊時(shí),雖因撞針高速而形成高壓,但撞擊那一刻也是閥門(mén)關(guān)閉之時(shí),這導(dǎo)致此刻噴出的高速膠液的質(zhì)量極其微小.這部分膠液所擁有的動(dòng)能會(huì)被噴嘴外做負(fù)功的膠液阻力如表面張力迅速消耗.所以其噴射速度仍不能提高.由此可以得出一定存在最優(yōu)間隙使得噴射速度最大.

圖6　滴落速度對(duì)比Fig.6　Comparison on dropping speed

通過(guò)以上分析可知,回流間隙逐漸增大或減小,滴落速度都趨向并最終等于0.為擬合具有此特征的數(shù)據(jù),本文選擇高斯函數(shù).據(jù)最小二乘思想,該擬合可轉(zhuǎn)為如下數(shù)學(xué)優(yōu)化問(wèn)題：

式中，(xi，yi)為仿真數(shù)據(jù)，β=(β1,…,β6)為待定系數(shù).將原目標(biāo)函數(shù)用給定信賴域的二次模型進(jìn)行逼近，具體如下：

并用信賴域算法進(jìn)行迭代計(jì)算，其中g(shù)k為目標(biāo)函數(shù)S在當(dāng)前迭代點(diǎn)β(k)處的梯度，Gk為S在β(k)處的Hessen矩陣.d為二次模型求解出的步長(zhǎng)，即β(k+1)=β(k)+d.圖7描述了本文所用算法的總體概要流程.最終擬合效果如圖7所示.

圖7　算法概要流程Fig.7　Algorithm general flowchart

通過(guò)擬合結(jié)果,本文得到各黏度下的最優(yōu)回流間隙,具體如表2所示.由表2可以看出,隨著膠液黏度的增加,相應(yīng)的最優(yōu)回流間隙也呈現(xiàn)細(xì)微的變大.這是由于黏度的增加必定加大膠液的回流阻力,為了獲得最大的噴膠速度則需保證撞針的加速不能受太大阻擾,所以間隙要細(xì)微增加來(lái)避免回流阻力的過(guò)度增大.

表2　各黏度下的最優(yōu)回流間隙

為驗(yàn)證表2中所取最優(yōu)值的準(zhǔn)確性,本文對(duì)各黏度下最優(yōu)回流間隙附近值進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果如圖8所示.由圖可以看出,表2中最優(yōu)尺寸在各黏度對(duì)應(yīng)的滴落速度均比附近所選兩點(diǎn)大.所以表2中數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確.

圖8　峰值點(diǎn)驗(yàn)證Fig.8　Confirmation of peak points

由于微電子封裝膠液的黏度一般小于3 Pas或者在3 Pas左右,所以選擇高黏度3 Pas下的最優(yōu)尺寸0.311 mm比較合理.另外可以計(jì)算得到,1.5 Pas下0.311 mm的膠液滴落速度比0.28 mm的少了1.2%,而2 Pas下0.311 mm與0.30 mm的相比只少了0.2%.所以選擇0.311 mm能兼顧低黏度下的膠液滴落速度.

4.2優(yōu)化前后對(duì)比

圖9表示的是3 Pas下0.311 mm與0.15 mm回流間隙的膠滴噴射對(duì)比.可以看出,優(yōu)化前出膠速度十分緩慢,且膠滴不能順利滴落到基板上面.而優(yōu)化尺寸下的噴射情況完全相反.對(duì)于2 Pas,0.311 mm下的噴射膠液滴落速度是0.15 mm下的6倍,1.5 Pas下為2.5倍.圖10為優(yōu)化前后各時(shí)刻出膠狀態(tài)的對(duì)比.顯然,對(duì)回流間隙優(yōu)化后，現(xiàn)有閥的噴射能力顯著提高.

圖9　優(yōu)化前后膠滴運(yùn)動(dòng)對(duì)比Fig.9　Comparison on droplet movement between before optimization and after

圖10　優(yōu)化前后出膠狀態(tài)對(duì)比Fig.10　Comparison on droplet profile between before optimization and after

5　結(jié)　論

為提高現(xiàn)有噴射閥的噴射能力,本文首先分析了回流間隙的重要性.通過(guò)仿真分析各回流間隙下的噴射膠滴滴落速度,發(fā)現(xiàn)不同間隙下的噴射性能差異很大.然后根據(jù)仿真數(shù)據(jù)建立了回流間隙與膠滴滴落速度的高斯擬合模型.通過(guò)對(duì)該模型的極值求解，獲得回流腔的最優(yōu)間隙.對(duì)比發(fā)現(xiàn),優(yōu)化前后膠液噴射速度相差數(shù)倍.所以此優(yōu)化結(jié)果極大地增強(qiáng)了現(xiàn)有噴射閥的噴射能力.由于市場(chǎng)上各種形式噴射點(diǎn)膠閥的噴射出膠均靠閥內(nèi)撞針快速撞擊擠壓作用,其流道結(jié)構(gòu)基本相似,所以本文優(yōu)化思路具有普遍適用性.

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Optimization of the backflow gap of pneumaticjetting valve based on numerical simulation

WEI Xin-ming, SHEN Ping, SHAN Xiu-yang, LI Wei-song

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Pneumatic jetting valve plays an indispensable role in the microelectronic packaging.However,the current pneumatic jetting valves can’t meet the industrial requirement of droplet consistency completely for the frequent occurrence of jetting omission when it is used to jet high-viscosity adhesives.Jetting capacity must be enhanced to reduce the probability of the problem occurrence.As a key dimension of pneumatic jetting valve,the size of backflow gap influences its jetting capacity directly.In order to improve jetting capacity by optimizing backflow channes,a numerical model of the jetting process was established firstly and its validity was verified by corresponding experiment.Meanwhile,a Gaussian fitting model was built based on simulation data with different backflow channels.After that,the model was utilized to optimize the size of backflow gap by choosing droplet speed as optimization objective.The reliability of optimization results was verified by comparison of the jetting performance before and after optimization.Finally,the optimal size of backflow gap of pneumatic jetting valve was obtained．

pneumatic jetting valve; backflow gap; fluid dispensing; microelectronic packaging; optimization design

2015-12-09.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB013104).

魏新明(1990—)，男，湖南衡陽(yáng)人，碩士，從事微電子封裝工藝與設(shè)備研究，E-mail:w_xm2012@yeah.net.http://orcid.org/0000-0002-2606-9335

通信聯(lián)系人：沈平(1983—)，男，陜西寶雞人，博士，從事系統(tǒng)建模與控制等研究，E-mail:ppguitar1983@sina.com.

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.03.008

TN 4; TP 212.1

A

1006-754X(2016)03-0244-07

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