點陣式點膠系統(tǒng)膠點重量一致性研究*

仝崇樓 趙 靜 任 飛 李春風 李 勇

(①西京學院機械工程學院，陜西 西安 710123；②空軍工程大學工程學院，陜西 西安 710038；③承德石油高等?？茖W校工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德067000；④寶雞機床集團有限公司，陜西 寶雞721013)

近年來，電子產(chǎn)品正朝著高性能、多功能和小型化方向發(fā)展，促使電子元件的集成程度不斷提高。精密點膠技術(shù)是微器件裝配過程的關(guān)鍵技術(shù)之一，是保證電子封裝質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，已廣泛應(yīng)用于微電子器件連接、集成電路制造、半導(dǎo)體封裝及裝配等領(lǐng)域[1]。隨著自動化程度越來越高，傳統(tǒng)點膠技術(shù)已經(jīng)不能滿足微電子器件裝配精度需求，各種新型的點膠方法大量涌現(xiàn)。同時，使點膠分液技術(shù)也拓展應(yīng)用于醫(yī)療保健[2]、液晶顯示[3]以及指紋鑒別[4]等領(lǐng)域。

點膠系統(tǒng)分為接觸式和非接觸式兩種類型，接觸式點膠法主要有時間/壓力型點膠法[5-6]、螺旋泵式點膠法[7]和活塞泵式點膠法，還有基于電潤濕[8]、介電泳[9]和熱毛細力[10]等驅(qū)動方式的點膠法。非接觸式點膠法主要有壓電驅(qū)動點膠法、氣壓驅(qū)動點膠法、超磁致伸縮驅(qū)動點膠法和電磁驅(qū)動點膠法等[11-12]。

接觸式點膠法的特點是需要膠滴與基板接觸，點膠時需要點膠針頭反復(fù)升降，效率較低，過程復(fù)雜；而非接觸式點膠不需要膠滴與基板接觸，也不需要點膠頭升降，只需點膠針頭在平面內(nèi)沿指定軌跡行走，因此點膠效率高，但在高速噴射下難以精確控制出膠量[13]。

目前，應(yīng)用最廣泛的接觸式點膠技術(shù)是時間/壓力型點膠法，該點膠技術(shù)通過脈動的氣壓擠壓針筒內(nèi)活塞，將膠體從針頭擠出滴至基板，適用于中等黏度膠體，膠點的大小取決于氣體壓力及作用時間。設(shè)備便宜、操作簡單、維護方便、適用性好及方便清洗。但它受流體黏度影響較大，而且工作過程中易使膠體溫度升高，影響流體流變特性，溫度及針筒內(nèi)膠量變化嚴重影響膠點大小的一致性[13-14]。

針對接觸型點膠系統(tǒng)受各因素影響而出現(xiàn)的膠點一致性差的問題，研發(fā)了點陣式微噴嘴點膠系統(tǒng)并設(shè)計了點陣式點膠噴嘴，通過點膠實驗分析了擠膠活塞速度對膠點重量一致性的影響。為防止出現(xiàn)兩個塊粘合時出現(xiàn)溢膠及缺膠現(xiàn)象，很有必要研究各膠點間的重量誤差。同時也為后續(xù)研發(fā)高效及高一致性點膠系統(tǒng)研究提供技術(shù)參考。

1 點膠系統(tǒng)

本點膠系統(tǒng)如圖1所示，包括計算機、PCB控制板、電動推桿、補膠箱、擠膠器、氣泵、氣閥及點膠裝置8個部分，計算機通過PCB控制板分別控制電動推桿及氣閥，其中電動推桿驅(qū)動擠膠器向點陣噴嘴提供一定量高壓膠，從而實現(xiàn)滴膠，氣閥控制著氣泵向氣缸提供高壓氣體，從而實現(xiàn)工作臺升降。

點陣噴嘴裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示，點陣噴嘴與噴嘴護板配合形成存儲光學膠的密封空間，二者的結(jié)合面通過密封圈密封形成整體并安裝在支撐板的方形孔中，玻璃放入點陣噴嘴正下方的工作臺的定位凹槽中。光學膠從噴嘴護板正上方的孔中進入，再通過點陣噴嘴擠出，滴在正下方的玻璃板上，形成點陣膠點。圖3所示為點陣噴嘴，利用點陣噴嘴，一次點膠即可完成高密度多點點膠。

2 點陣噴嘴受力變形仿真分析

吐膠噴嘴形狀影響著噴嘴對膠體的阻力，從而影響各噴嘴吐膠壓力的一致性，如果中間各噴嘴吐膠壓力超過邊緣噴嘴過多，則會導(dǎo)致中間噴嘴吐膠量過大，邊緣噴嘴吐膠量過小。

利用SolidWorks對點陣噴嘴進行建模，然后利用Ansys-Fluent軟件進行點膠過程的CFD數(shù)值模擬分析，模擬條件中假設(shè)空氣和膠都是不可壓縮的牛頓流體，忽略溫度對膠體粘度的影響。由于膠體從噴嘴擠出進入空氣中的過程是典型的兩相流問題，采用流體體積(VOF)顯式格式分析膠體外形變化，液相和氣相均劃分成四面體網(wǎng)格，選用PISO算法來適應(yīng)非定常流動模型。設(shè)置光學膠黏度為1 000 mP·s，密度為1.02 g/cm3。在計算過程中設(shè)置膠體的供給流量為Q=16 mL/s，對應(yīng)擠膠活塞速度v=1 000Q/πr2=20 mm/s計算得到，式中r為活塞半徑，其值為16 mm。

圖4所示為點陣噴嘴變形量仿真分析云圖，仿真得到Type-1、Type-2、Type-3和Type-4噴嘴內(nèi)部膠體壓力分別為6.28、5.54、5.38和5.78 MPa，內(nèi)部壓力引起的噴嘴平面的變形量均呈現(xiàn)由中間向四周逐漸變小趨勢，4種類型噴嘴中間的最大變形量達到0.593、0.485、0.422和0.534 mm。其中Type-4型點陣噴嘴小徑部分長度較短，導(dǎo)致受膠體壓力時中間部位變形量較大，Type-1型點陣噴嘴小徑孔長度較長，對膠體的阻力較大，導(dǎo)致內(nèi)壓較大，因此受膠體壓力時中間部位變形量也較大，Type-3型噴嘴中間部位變形量最小，比較理想。

3 單個膠點重量誤差

利用Type-3型點陣噴嘴，分別在10、15、20、25、 30和35 mm/s的擠膠活塞速度下進行點膠實驗，每種噴嘴進行5次點膠，分別測量膠點重量求平均值。

圖5為點陣膠點位置標定圖。圖6為膠點重量分布圖，圖中深色部分為膠點重量高于0.017 5 g的膠點所在位置，淺色部分為膠點重量低于0.017 5 g的膠點所在位置，可見各擠膠活塞速度下，膠點重量均呈現(xiàn)中間大邊緣小的特點。由于膠體供給入口位于噴嘴護板中心處，使得中間噴嘴處膠體的壓力大，而邊緣處噴嘴的膠體壓力小，這就導(dǎo)致中間噴嘴點出的膠點偏大，四周噴嘴點出的膠點偏小。

4 討論

圖7所示為Type-3型點陣噴嘴膠點重量及重量標準差曲線，標準差越大表明膠點重量離散程度越大。由圖可見隨著擠膠速度增大，膠點重量平均值減小，這是由速度增大使得膠體受到的壓力增大導(dǎo)致膠體壓縮所致，由誤差棒可見，膠體壓力增大也導(dǎo)致了膠點重量離散程度的增大。由標準差曲線可見，隨著擠膠活塞速度增大，膠點的標準差也增大，擠膠活塞速度超過25 mm/s后，標準差增幅較大，表明膠點重量分布不一致程度增大。隨著膠體流速增大，膠體在進入噴嘴前的流動性質(zhì)由層流變成了紊流[15]，這增大了膠體流動阻力，從而使膠體到達邊緣噴嘴時的壓力損失容易導(dǎo)致膠點重量分布不一致程度增大。擠膠活塞速度越小膠點一致程度越高，但點膠效率降低。25 mm/s是最佳的活塞擠膠速度，此時膠點平均值為0.017 42 g，膠點的最大誤差為1.53%。

5 結(jié)語

研發(fā)了點陣式微噴嘴點膠系統(tǒng)及點陣式點膠噴嘴，分析了擠膠活塞速度對膠點重量一致性的影響。

(1)點陣噴嘴受膠體壓力后的變形量呈中間大四周小的趨勢，Type-3型點陣噴嘴受膠體壓力后的變形量最小。

(2)Type-3型點陣噴嘴膠點重量由點陣噴嘴的中間向邊緣逐漸減小，膠點重量的一致性隨著膠體流速增大而變差，擠膠活塞的最佳速度是25 mm/s。