聚合物超聲波封接過程中超聲傳播的數(shù)值模擬

孫屹博,欒 艷,楊鑫華

(1.大連交通大學(xué)動(dòng)車運(yùn)用與維護(hù)工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué)動(dòng)車材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

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聚合物超聲波封接過程中超聲傳播的數(shù)值模擬

孫屹博1,欒 艷2,楊鑫華2

(1.大連交通大學(xué)動(dòng)車運(yùn)用與維護(hù)工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.大連交通大學(xué)動(dòng)車材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

在聚合物超聲波封接中超聲波的傳播效率能夠?qū)崟r(shí)反映聚合物材料的力學(xué)狀態(tài)變化,使其能夠成為封接中的參考變量.針對(duì)該參量對(duì)超聲波封接過程中的超聲波傳播進(jìn)行了有限元仿真,依據(jù)超聲波封接過程建立包含工具頭、微器件和底座等有限元模型.根據(jù)聚合物材料的黏彈性本構(gòu)關(guān)系,模擬了不同溫度和振幅下的超聲波封接.通過計(jì)算模型中每組接觸面間的接觸力,研究界面間接觸力與溫度、振幅的關(guān)系,從而分析超聲波在聚合物內(nèi)的傳播規(guī)律.結(jié)果表明:聚合物微器件熔接區(qū)內(nèi)與溫度、能量相關(guān)的力學(xué)性能模量對(duì)超聲波在聚合物內(nèi)的傳播具有重大影響,超聲波的傳播效率隨著微器件溫度的升高而衰減,隨著超聲波振幅的增大而增加.

超聲波封接; 超聲波傳播; 有限元模擬; 界面間接觸力

超聲波焊接技術(shù)是一種快速、有效的塑料封裝技術(shù),具有生產(chǎn)效率高、接頭強(qiáng)度高、局部產(chǎn)熱形變小、無需引入輔助劑、經(jīng)濟(jì)、低能、無污染等優(yōu)點(diǎn).自2006年由德國(guó)Karlsruhe研究中心TRUCKENMUELLER等[1]將超聲波封接技術(shù)引入微流控芯片的鍵合封接及微泵、微閥的組裝,該技術(shù)就逐漸被應(yīng)用于聚合物基微型器件領(lǐng)域.2009年,KIM等[2]實(shí)現(xiàn)了外、內(nèi)徑分別為1.8 mm和0.85 mm的醋酸纖維素微器件的密封連接.2009年NG等[3]采用超聲波連接技術(shù)在頻率為20 kHz的超聲波作用下實(shí)現(xiàn)外、內(nèi)徑為 3mm和1 mm的PMMA(Polymethyl Methacrylate)微流控芯片與導(dǎo)管的連接,其接頭處至少能夠承受6×105Pa的壓力.

目前,大部分應(yīng)用于聚合物微器件封接領(lǐng)域的超聲波封接技術(shù),均以超聲波的加載條件——時(shí)間、壓力、功率、以及形變量為控制參數(shù)控制超聲波封接流程,但無法滿足聚合物基微器件形狀精度上的要求.熱塑性聚合物的超聲波封接是界面熔接過程,在此過程中,待封接件在高頻超聲波(即機(jī)械振動(dòng))的作用下發(fā)生高頻周期性相互運(yùn)動(dòng),由于界面摩擦效應(yīng)和黏彈性材料力學(xué)損耗效應(yīng)在界面上產(chǎn)生熱量[4],使界面附近溫度升高,從而使界面附近材料的分子鏈活性增加,發(fā)生分子鏈的纏結(jié)與擴(kuò)散,宏觀上即是發(fā)生了玻璃化轉(zhuǎn)變,在壓力的作用下形成一定強(qiáng)度的熔接層[5],從而形成永久性連接.

熱塑性聚合物是黏彈性材料,在超聲波封接過程中隨著溫度的升高會(huì)發(fā)生力學(xué)狀態(tài)的變化,由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轲棏B(tài)以及黏流態(tài),其力學(xué)性能會(huì)大幅衰減[6],材料內(nèi)部力學(xué)損耗增大,導(dǎo)致超聲波能量在封接過程中發(fā)生能量衰減,其傳播效率降低,即超聲波傳播效率的變化可反映出聚合物待封接件力學(xué)狀態(tài)的變化[7].故超聲波封接過程中超聲波傳播效率可以成為微型聚合物精密封接的參考參量.采用壓電傳感器檢測(cè)超聲波能量的衰減率(即聚合物界面力學(xué)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變)，以此作為超聲波封接過程中的控制參數(shù),以聚合物力學(xué)性能的突變作為參考時(shí)間點(diǎn)來控制超聲波的通斷,能有效提高超聲波能量的精確控制,從而實(shí)現(xiàn)聚合物基微器件領(lǐng)域?qū)π螤罹燃敖缑嫒劢淤|(zhì)量的要求[8].

為了研究聚合物超聲波封接過程中超聲波的傳播效率,建立與超聲波封接相對(duì)應(yīng)的有限元模型,通過計(jì)算模型內(nèi)接觸面間接觸力,研究界面熔接過程中超聲波的傳播效率,分析超聲波傳播效率隨試件溫度、超聲波振幅的變化規(guī)律,以及其影響因素.

1 有限元模型的建立

1.1 模型建立

在超聲波封接過程中,超聲波能量在聚合物界面間產(chǎn)生熱量,導(dǎo)致界面溫度升高,在壓力作用下實(shí)現(xiàn)界面間的熔接.根據(jù)該熔接過程建立了如下圖1所示的有限元模型.

圖1 聚合物超聲波封接有限元幾何模型

如圖1所示,本模型由鋁合金工具頭、PMMA微型連通管、黏彈性熔接層、PMMA基片與鋁合金底座組成.PMMA連通管外徑4 mm內(nèi)徑1 mm,黏彈性熔接層厚度為0.2 mm.由于PMMA是熱的不良導(dǎo)體,在超聲波封接過程中只有待封接面的熔接層隨著溫度的升高而發(fā)生力學(xué)狀態(tài)的變化,產(chǎn)生力學(xué)損耗致使超聲波能量發(fā)生衰減,故在模型設(shè)定中忽略了PMMA連通管、基片與溫度的關(guān)系,只將熔接層設(shè)定為黏彈態(tài)且將熔接層建立為獨(dú)立于連通管的實(shí)體部件.在相互作用中設(shè)定了3對(duì)接觸面,分別是超聲波工具頭與連通管的面面接觸、熔接層與基片的面面接觸、基片與底座的面面接觸.

封接過程中,熔接層處于黏彈性狀態(tài),具有典型的力學(xué)能量損耗特性,其高分子鏈段為了克服分子間的摩擦力進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)而損耗了超聲波能量[8],使超聲波的傳播發(fā)生衰減,因此熔接層對(duì)超聲波能量的傳播具有重大影響.圖2所示是PMMA在不同溫度下的松弛曲線[7],根據(jù)隨時(shí)間變化的PMMA彈性模量E,松弛曲線可知熔接層的力學(xué)性能,即可在ABAQUS中利用已有的黏彈性模型來描述各向同性率相關(guān)材料由黏彈性效應(yīng)所引起力學(xué)耗散行為,從而建立熔接層的黏彈性.該模型采用小應(yīng)變的剪切試驗(yàn),通過突然給試樣施加一個(gè)小應(yīng)變并保持一段時(shí)間的松弛試驗(yàn)來闡述該種本構(gòu)關(guān)系,該應(yīng)變?yōu)楣逃袘?yīng)變，模型在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承受一個(gè)恒應(yīng)變，在某種程度上來說,黏彈性材料模型是一種長(zhǎng)期的彈性模型，在承受恒應(yīng)變很長(zhǎng)一段時(shí)間后，相應(yīng)地會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒應(yīng)力.圖2中Tg為集合物材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度.

1.2 仿真過程

對(duì)應(yīng)聚合物超聲波封接過程,仿真建立了加載工作壓力、加載超聲波振動(dòng)與釋放3個(gè)分析步.在加壓步中對(duì)器件施加10 N的封接工作壓力,選擇由當(dāng)前應(yīng)變來控制加載力,并傳遞至其余兩個(gè)分析步.在超聲加載步中,對(duì)工具頭施加60 kHz的超聲波,并根據(jù)仿真需要對(duì)超聲波的振幅大小進(jìn)行設(shè)定.最終在釋放分析步中將工具頭移開,釋放所有壓力與超聲波載荷.

圖2 PMMA(Tg≈112℃)在不同溫度下的應(yīng)力松弛模量曲線

在仿真模擬中熔接層的力學(xué)性能根據(jù)PMMA剪切松弛模量曲線設(shè)置為黏彈性模型,選擇40℃，110℃，115℃，135℃進(jìn)行超聲波封接仿真,分別代表材料接近室溫玻璃態(tài)、玻璃化轉(zhuǎn)變以及高溫接近黏流態(tài)的力學(xué)狀態(tài).并根據(jù)實(shí)際測(cè)量超聲波封接過程中超聲波振幅的變化,對(duì)每組溫度分別設(shè)置加載5組不同振幅的超聲波,分別是0.1，0.2，0.5，0.8，1μm.本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)空載時(shí)工具頭輸出振幅為1μm,但由于封接過程中超聲波發(fā)生器從空載到負(fù)載輸出電功率會(huì)發(fā)生變化,使得超聲波換能器所輸出的振幅及功率隨之改變,所以實(shí)際工作振幅在0～1μm范圍內(nèi)變化.

圖3 在115℃、0.1 μm下加載超聲波振動(dòng)的應(yīng)力分布云圖

在加載超聲振動(dòng)分析步中計(jì)算了隨時(shí)間變化的3組接觸力Fh-c，F(xiàn)f-s,Fs-a,分別對(duì)應(yīng)工具頭與微型連通管間的接觸力、熔接層與基片間的接觸力、基片與底座間的接觸力.通過分析歷程輸出中超聲波的振動(dòng)數(shù)據(jù)來研究超聲波在封接過程中傳播效率的變化規(guī)律.

2 仿真結(jié)果與分析

在聚合物超聲波封接中,封接過程主要發(fā)生在熔接層內(nèi).首先研究仿真過程中熔接層的應(yīng)力狀態(tài),聚合物材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg附近的115℃下、超聲波振幅為0.1μm時(shí)模型加載超聲波后的米塞斯應(yīng)力分布云圖，如圖4所示.由圖4可知,該模型在仿真過程中其最大應(yīng)力主要集中在熔接層內(nèi),大小為1.30 MPa左右.

圖4 熔接層內(nèi)最大應(yīng)力的變化規(guī)律曲線

通過綜合不同溫度、不同振幅下模擬仿真后的應(yīng)力分布,熔接層內(nèi)最大應(yīng)力隨著溫度和超聲波振幅的變化曲線如圖5所示,最大應(yīng)力隨著溫度的升高而下降、隨著超聲波振幅的增大而增加,是顯著不同的.由圖可知,在40℃下聚合物熔接層內(nèi)的最大應(yīng)力隨著振幅的增大從2.4 MPa左右增至約7.4 MPa; 在110℃下最大應(yīng)力隨著振幅的增大從1.7 MPa左右增至約6.3 MPa; 在115℃下最大應(yīng)力從1.3 MPa左右增至約4.5 MPa; 在135℃下最大應(yīng)力從0.4 MPa左右增至約4 MPa,這是由材料的黏彈性特征所決定的.

由于在實(shí)際封接過程中超聲波是由工具頭發(fā)出,經(jīng)由聚合物待封接試件最終傳至底座,所以仿真中基片與底座間隨時(shí)間變化的接觸力Fs-a是能充分代表實(shí)際封接中經(jīng)封接件傳至底座的超聲波振動(dòng).根據(jù)模擬仿真的輸出結(jié)果,在表1中列出了接觸力Fs-a隨溫度和振幅而變化的均方根值、最大值、最小值和動(dòng)態(tài)力幅值.如表所示,在每組溫度下,隨著超聲波振幅的增加接觸力Fs-a顯著變大; 而在相同振幅下,隨著溫度的上升Fs-a顯著變小.

表1 隨溫度和振幅而變化的接觸力Fs-a

根據(jù)表1可知振幅與溫度兩方面均對(duì)超聲波傳播有著重大影響.首先研究超聲波振幅對(duì)超聲波傳播效率的影響,在4組溫度內(nèi),振幅小于等于0.2μm時(shí),每組溫度下的均值波動(dòng)不大,在1 N范圍內(nèi)變化;當(dāng)振幅大于等于0.5μm、小于1μm時(shí),每組溫度下Fs-a的均值急劇變大.這是由于封接過程中超聲波聲能強(qiáng)度[9]與頻率f的平方、振幅A的平方成正比,當(dāng)振幅A增大時(shí),超聲波能量變大.當(dāng)超聲波能量增大到足以克服材料內(nèi)分子鏈上鍵長(zhǎng)、鍵角和比鏈段更小的運(yùn)動(dòng)單元、以及鏈段單元發(fā)生熱運(yùn)動(dòng)的位壘時(shí),即運(yùn)動(dòng)單元進(jìn)行熱運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的活化能,宏觀上聚合物就會(huì)發(fā)生蠕變反應(yīng)[6].在溫度與頻率一定的前提下,當(dāng)振幅持續(xù)增加時(shí),聚合物發(fā)生蠕變的反應(yīng)會(huì)加快,其應(yīng)變會(huì)呈非線性增大.所以在相同溫度下,當(dāng)振幅大于等于0.5μm小于等于1μm時(shí)接觸力Fs-a呈非線性增大,說明聚合物內(nèi)的超聲波傳播效率是受到熔接層內(nèi)與分子熱運(yùn)動(dòng)相關(guān)的力學(xué)行為的影響.

另外,溫度也是超聲波在封接過程中傳播效率的重要影響因素.由表1中可知,振幅一定時(shí),接觸力Fs-a隨著溫度的上升顯著降低,當(dāng)振幅A=0.1μm時(shí),40 ℃的接觸力均值為10.2 N; 110 ℃下為9.83 N; 115 ℃下為7.62 N; 135 ℃下為0.48 N,說明聚合物內(nèi)超聲波傳播是受到熔接層內(nèi)與溫度相關(guān)的力學(xué)性能的影響.因?yàn)橥ǔMMA材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg在105℃～115℃之間,當(dāng)溫度升至這個(gè)轉(zhuǎn)化溫度區(qū)間時(shí),PMMA將發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)化,材料內(nèi)部黏度增加、力學(xué)損耗增加,且力學(xué)性能急劇下降(初始楊氏模量降低3至4個(gè)數(shù)量級(jí)),所以超聲波能量的振動(dòng)傳播效率開始降低,接觸力Fs-a開始急劇下降.因此代表作用于底座上的振動(dòng)力Fs-a在135℃時(shí)其力學(xué)狀態(tài)相比于玻璃化轉(zhuǎn)變前的其他溫度下的力學(xué)狀態(tài)下降近乎95%,即其超聲傳播衰減率為95%左右.

根據(jù)表1,基片與底座間接觸力Fs-a的均值以及超聲波傳播效率的衰減率與溫度和振幅的關(guān)系如圖6所示.首先根據(jù)圖6中40 ℃,110 ℃,115 ℃,135 ℃下的Fs-a4條均值曲線,清晰地看出隨著超聲波振幅的增加,接觸力Fs-a顯著增大,超聲波能量的傳播效率隨著振幅的增大而增大; 而當(dāng)超聲波振幅一定時(shí),如圖所示隨著溫度增加接觸力Fs-a顯著減小,超聲波能量的傳播效率隨著溫度的增大而減小.

圖5 接觸力Fs-a隨溫度、振幅的變化及超聲波衰減率隨振幅的變化規(guī)律

溫度對(duì)封接中超聲波傳播效率產(chǎn)生影響的原因在于PMMA材料的黏彈性特性以及力學(xué)損耗特性.在溫度小于Tg時(shí),PMMA在交變載荷下是玻璃態(tài),形變主要是由分子鏈的鍵長(zhǎng)、鍵角的變化引起的,應(yīng)變幾乎完全跟得上應(yīng)力的變化,內(nèi)部能量損耗小,所以Fs-a在110℃以前基本不變; 而當(dāng)溫度升至Tg后,材料發(fā)生力學(xué)狀態(tài)的改變,由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)為黏彈態(tài),材料內(nèi)部黏度增大,使得分子鏈段運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的內(nèi)摩擦阻力增大,在交變載荷下發(fā)生能量損耗增大,此時(shí),材料由于軟化將會(huì)發(fā)生大形變,所以Fs-a明顯減小,超聲波在聚合物超聲波封接過程中的傳播效率也顯著下降.振幅對(duì)封接中超聲波傳播效率產(chǎn)生影響的原因在于超聲波振幅增大導(dǎo)使超聲波聲能強(qiáng)度增大,進(jìn)而導(dǎo)致材料發(fā)生蠕變行為產(chǎn)生非線性增長(zhǎng)的應(yīng)變.

其次根據(jù)圖6中的衰減率曲線(Fs-a均值在135℃時(shí)的力學(xué)狀態(tài)相比于40℃時(shí)力學(xué)狀態(tài)的衰減比)可知,當(dāng)振幅為0.1 μm時(shí),衰減率為95.30%; 當(dāng)振幅為0.2 μm時(shí),衰減率為93.58%; 當(dāng)振幅為0.5 μm時(shí),衰減率為85.32%; 當(dāng)振幅為0.8 μm時(shí),衰減率為76.92%; 當(dāng)振幅增至1 μm時(shí),衰減率為76.40%.即振幅小于等于0.5 μm時(shí),超聲波的衰減率幾乎保持穩(wěn)定且很高,但當(dāng)振幅大于0.5 μm后,超聲波的衰減率明顯大幅降低,說明振幅增大時(shí),超聲波的傳播效率增大、傳播衰減率降低.

3 結(jié)論

針對(duì)聚合物微器件超聲波精密封接過程中，超聲波的傳播效率能實(shí)時(shí)反映聚合物力學(xué)狀態(tài)變化這一情況,本文通過有限元方法,分析封接過程中超聲波振動(dòng)的傳播規(guī)律.尤其是通過分析基片與底座間接觸力Fs-a與溫度、超聲波振幅的關(guān)系,揭示超聲波在聚合物內(nèi)的傳播與聚合物熔接層內(nèi)的溫度、分子熱運(yùn)動(dòng)相關(guān)的力學(xué)性能(力學(xué)損耗與蠕變)有很大關(guān)系.

根據(jù)仿真計(jì)算接觸力Fs-a的輸出結(jié)果可知,隨著溫度的上升,熔接層內(nèi)的最大內(nèi)應(yīng)力減小,超聲波的傳播效率下降; 但隨著超聲波振幅的增加,熔接層內(nèi)的最大內(nèi)應(yīng)力增大,超聲波的傳播衰減率降低、傳播效率增大.振幅為0.1 μm時(shí),超聲波衰減率為95.30%; 振幅為0.2 μm時(shí),衰減率為93.58%; 振幅為0.5 μm時(shí),衰減率為85.32%; 振幅為0.8 μm時(shí),衰減率為76.92%; 振幅增至1 μm時(shí),衰減率為76.40%.根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可以清晰知道溫度、超聲波振幅對(duì)封接過程中超聲波傳播效率的理論影響,為超聲波傳播效率這一參量的控制以及進(jìn)一步研究提出理論指導(dǎo).

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Numerical simulation on ultrasound propagation during ultrasonic bonding process of polymer

SUN Yi-bo1,LUAN Yan2,YANG Xin-hua2

(1.School of EMU Application and Maintenance Engineering，Dalian JiaotongUniversity, Dalian 116028，China；2.School of Materials science and Engineering, Dalian JiaotongUniversity, Dalian 116028，China)

Owing that the ultrasound propagation can reflect the property variation of polymer during the ultrasonic bonding process, the ultrasound propagation, a critical parameter for ultrasonic bonding, is further studied via finite element method.By establishing the ultrasonic bonding model with horn, polymer components and anvil, the ultrasonic bonding simulation processes under different temperatures and amplitudes are conducted on the constitutive relationship between polymer viscoelasticities.Subsequently, the relationships among contact force and temperature, amplitude are obtained based on interfacial contact forces.Consequently, the regulation of ultrasound propagation in the polymer is analyzed.Therein, it is detected from results that the ultrasonic propagation in the polymer is significantly affected by the mechanical properties of fusion layer with regard to temperature and energy, whereas the ultrasound propagates and attenuates with rising temperature and increasing amplitude.

ultrasonic bonding; ultrasound propagation; finite element simulation; interfacial contact force

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405056)

孫屹博(1983-),男,工學(xué)博士.Email:yibo_sun@126.com

TH 16

A

1672-5581(2016)03-0193-05