基于銷孔配合電子器件膠裝工藝中自組裝研究

沈鈺焜，陸存豪，韋蘭星，高涵

揚州大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇揚州，225000

0 引言

電子器件如MEMS器件具有體積小、成本低、精度高、能耗低等優(yōu)點，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、手機等領(lǐng)域。電子器件除了本身加工精度要求、材料性能要求高等，行業(yè)對其組裝也提出了較高的要求[1-3]。由于器件尺度效應(yīng)，零件的組裝要求往往在微米級別，傳統(tǒng)的機械定位裝配難以達到這一要求。近幾年，針對器件的自組裝工藝研究正逐步深入，其中利用表面張力作為驅(qū)動力，實現(xiàn)器件自定位，是一個重要的自組裝方法[4-8]。常博等人結(jié)合機器人微組裝和表面張力自組裝，提出了一種復(fù)合微組裝技術(shù)，研究芯片與基底的錯動和液滴體積等參數(shù)對自組裝恢復(fù)力的影響[9]。呂曜等人對表面張力驅(qū)動的自組裝進行模擬仿真，結(jié)果表明器件和基底的尺寸匹配精度不高，對表面張力的自對準影響不大[10]。朱朝飛等人建立液橋的仿真模型，分析器件的形狀對表面張力自組裝的影響，結(jié)果表明圓形器件的自組裝能力強于方形器件[11]。

國內(nèi)表面張力自組裝研究大多集中在微型器件，器件與液滴的尺寸相當(dāng)，但是對于大尺寸器件如薄板自組裝研究較少。本文針對薄板膠裝定位開展研究，分析其利用膠體表面張力的自組裝工作原理，為國內(nèi)器件自組裝工藝提供一定的理論幫助。

1 薄板膠裝定位

某產(chǎn)品的膠裝工藝如圖1，以不銹鋼為基底，用50μm的膠膜覆蓋，在膠膜上覆蓋有50μm厚的不銹鋼薄板，基底和薄板采用銷孔定位，其中薄板中孔直徑是1.6mm，基底銷直徑是1.57mm，裝配要求是基底和薄板的對中精度為10μm。該產(chǎn)品的膠裝工藝是把膠膜和薄板按照銷孔簡單配合，輕輕覆蓋在基底上，然后放置烘干箱，高溫烘干2小時左右。其中膠膜初始是固態(tài)，溫度升高后變成液態(tài)，然后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后凝固。從上可以看出，若只依靠銷孔的機械定位，可能會產(chǎn)生30μm的偏差，無法滿足裝配要求。通過檢測發(fā)現(xiàn)，不銹鋼薄板膠膜貼合面有親水性鍍層，該自組裝是利用親水性鍍層和疏水性不銹鋼基底間的表面張力共同作用。在膠裝烘干工藝中，利用膠膜熔化，滲透到薄板定位孔中，形成與裝配方向垂直的液面表面張力，利用該表面張力拖動薄板進行自組裝，下面采用仿真分析深入研究這種自組裝的工作機理。

圖1 某產(chǎn)品的膠裝示意圖

2 仿真實驗與分析

為了進一步研究銷孔自組裝定位的工作原理，本文采用COMSOL軟件搭建了“兩相流-流固耦合”模型，由于銷孔的尺寸差異較大，板的尺寸是膠膜厚度的2000多倍，銷孔尺寸是銷孔間隙的1000多倍，直接建立仿真模型會導(dǎo)致龐大的網(wǎng)格單元。為了保證精度、提高計算效率，這里做了簡化如圖2所示。將薄板銷孔的定位運動簡化成浮動物的水平運動，薄板簡化成浮動物，銷簡化成固定壁面，膠膜簡化成水。仿真邊界條件是上壁面為定壓出口，下壁面為定壓進口且為水進口，左右壁面為固定壁面，其中浮動物四周為邊界1，左右壁面為邊界2，初始時氣液界面是水平的，空氣和水都是常壓，浮動物垂直位移固定為0，液體考慮重力作用，初始時浮動物靠左間隙為10μm、右間隙為20μm，偏離中心位置5μm。通過改變邊界1和邊界2的親疏水性，研究表面張力驅(qū)動浮動物自組裝的原理。

圖2 浮動物仿真模型

圖3給出了邊界1、2不同親疏水性模擬，其中親水接觸角為θ=3*л/8，疏水接觸角為θ=3*л/4。由于模擬時間差異，不同案例所用時間軸不一樣。結(jié)果顯示，邊界1、2都親水與都疏水時，浮動物并沒有自動找正，而是往間隙更小處移動。邊界1親水、邊界2疏水時，浮動物往中間移動自動找正，10ms后移動到中心位置。原因分析如下。

（1）邊界1、2都親水時，是典型的毛細管效應(yīng)，如圖4（a），兩側(cè)潤濕邊界拉動液面升高，形成凹面，根據(jù)毛細管理論公式：

圖4 不同親疏水性壁面形成的液面形狀

其中h是液面上升高度，σ是液體表面張力，ρ是液體密度，g是重力加速度，r是液面曲率半徑，P1是液體壓力，P0是環(huán)境空氣壓力。根據(jù)公式（1）可以看出，對于邊界1、2都親水時，即θ=3*л/8，液體壓力P1＜P0，液面受負壓作用自動升高。且間隙越小，液體壓力越小。

對于圖3（a），初始浮動物左側(cè)間隙小、右側(cè)間隙大，左側(cè)液體壓力小于右側(cè)液體壓力，合力的作用使得浮動物往間隙小的左側(cè)移動，不僅沒有自組裝，還加大了偏移。此外，間隙的潤濕性還導(dǎo)致了液面超過浮動物上表面，實際情況是膠體溢出孔面，即導(dǎo)致薄板上表面受到污染，且使得粘接處的膠體量偏少，容易產(chǎn)生氣泡。

（2）邊界1、2都疏水時，間隙內(nèi)的液面往下收縮，形成凸形液面如圖4（b），由公式（1）可得，當(dāng)接觸角θ=3*л/4＞л/2時，cosθ＜0，h為負值，即液面受表面張力作用向下移動，液體壓力P1＞P0，且間隙越小，液面壓力越大。

對于圖3（c），雖然初始浮動物左側(cè)間隙小，左側(cè)液體壓力大于右側(cè)液體壓力，但是左側(cè)液面收縮較快，接近浮動物底部，左側(cè)液體與浮動物左側(cè)豎直接觸面小于右側(cè)液體，導(dǎo)致浮動物左側(cè)受到的液體推力小于右側(cè)，合力的作用使得浮動物往間隙小的左側(cè)移動，與（1）類似，加大了對中偏移。此外，液面低于浮動物底部，實際情況是膠體以銷孔為中心往四周縮，容易使膠從薄板的四周邊界溢出，影響銷孔處的粘接性能。

（3）邊界1親水、邊界2疏水時，在兩側(cè)間隙內(nèi)，邊界1由于親水性會拉高液面，而邊界2疏水會阻礙液面升高，從而在間隙內(nèi)形成較為穩(wěn)定的界面如圖4（c）。對于液體壓力，較難直接從公式（1）中獲取液體壓力與間隙長度的關(guān)系，為此，本文對圖4（c）進行單獨分析，如圖5所示，研究在固定初始界面位置，間隙一側(cè)親水接觸角為θ=3*л/8、一側(cè)疏水接觸角為θ=3*л/4的情況下，間隙長度與底部邊界中點處的測試點壓力關(guān)系。間隙從2μm變化到20μm，每次需要待氣液界面穩(wěn)定后再讀取測試點壓力，仿真結(jié)果如圖6。從圖中可以看出，在此接觸角情況下，液體壓力P1＞P0，隨著間隙的增大，測試點液體壓力不斷降低，且間隙較小時，液體壓力下降較快；間隙較大時，液體壓力下降較慢。因此，可以得出在圖4（c）情況下，浮動物兩側(cè)可以形成穩(wěn)定的氣液分界面，且單側(cè)液體壓力隨著間隙的增大而減小，兩側(cè)合力的結(jié)果使得浮動物自組裝。需要說明的是，毛細管公式（1）和仿真結(jié)果均顯示，間隙無限小時，液體壓力會無窮大，實際情況是，在間隙小到一定程度時，液體壓力會趨于穩(wěn)定，并不會無窮大。

圖5 一側(cè)親水、一側(cè)疏水仿真

圖6 不同間隙長度下測試點壓力

3 結(jié)語

本文針對電子器件膠裝工藝中裝配對中開展研究，基于基底和薄板的銷孔定位，膠體烘干熔化過程中滲透到銷孔間隙中形成氣液界面，液體的表面張力作用會影響銷孔的定位精度，銷孔壁面的親疏水性對薄板的自組裝有一定的作用。本文建立了表面張力自組裝模擬，分析了固液不同接觸角條件下，表面張力驅(qū)動浮動物運動的情況，并建立了仿真模型，進一步研究自組裝工作原理。研究表明，對于薄板銷孔定位，在初始有一定水平偏置量時：

（1）銷孔都親水時，表面張力作用使得銷孔偏移加大，且容易導(dǎo)致膠體溢出孔面；

（2）銷孔都疏水時，間隙小的一側(cè)，液面收縮較快，同樣使得銷孔偏移加大，且容易導(dǎo)致膠體沿薄板四周溢出；

（3）銷疏水、孔親水時，在銷孔間隙可以形成穩(wěn)定的氣液界面，且間隙越小，間隙內(nèi)液體壓力越大，可以實現(xiàn)銷孔的自組裝。

簡單來說，實現(xiàn)電子器件膠裝工藝自組裝的關(guān)鍵因素在于：（a）在銷孔處有相對穩(wěn)定的氣液界面；（b）銷孔間隙的液體壓力呈正壓力，壓力隨著間隙的增大而減小。本文的研究工作可以為電子器件的膠裝裝配工藝提供一定的理論幫助。