微量高黏液態(tài)膠的擠壓成膜研究

徐 征， 何文鑫， 崔鐳杰， 王曉東， 盧世勤

（大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116085）

1 引言

通過高黏膠液（黏度＞1 Pa·s）將獨立微小器件連接起來形成組件的裝配方法稱為微膠連。與微焊接［1］、靜電鍵合［2］等連接方法相比，它具有工藝兼容性強、受零件結(jié)構(gòu)的影響小、連接應(yīng)力小等優(yōu)點。目前，高性能慣性儀表［3］和精密光學(xué)儀器［4］的微小組件裝配大部分通過微膠連接實現(xiàn)。常見的高黏膠液主要有環(huán)氧樹脂［5］和聚氨酯［6］兩類。其中，環(huán)氧樹脂膠的基料主要成分為環(huán)氧樹脂，具有固化收縮比小、熱膨脹系數(shù)低、固化硬度高等特點，在儀表裝配中被廣泛用于微小結(jié)構(gòu)連接和真空密封等場合。而聚氨酯類由于收縮比等原因，較少在精密場合使用。實際使用中，通常在環(huán)氧膠液中添加各類不同尺寸和物化性質(zhì)的顆粒，目的是進一步提高強度、減小蠕變、增加導(dǎo)磁導(dǎo)電性等，一般會使得膠液黏度增加和浸潤性下降，給精細操作帶來技術(shù)挑戰(zhàn)。

膠膜厚度對粘接強度影響顯著［7］。國內(nèi)外主要的研究對象為結(jié)構(gòu)簡單的搭接接頭。例如，da Silva 等［8］分析了聚氨酯基膠膜厚度對搭接剪切強度的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)膠膜厚度從0.5 mm 增加至1 mm，剪切強度從7.55 MPa 提升至17.34 MPa，而繼續(xù)增加膠膜厚度，剪切強度反而下降。Naito等［9］研究了聚酰亞胺膠膜厚度對拉伸和剪切強度的影響，當(dāng)膠膜厚度從0.22 mm 增加到0.40 mm，拉伸強度從22.5 MPa 減小到18.6 MPa，而剪切強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。北京理工大學(xué)的張之敬教授等［3］分析了環(huán)氧樹脂膠膜厚度對高精度三浮陀螺儀粘接部位應(yīng)力的影響，當(dāng)膠膜厚度從0.5 mm 減小至0.2 mm，環(huán)形粘接結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力從25 MPa 減小至9.8 MPa，但膠膜厚度繼續(xù)減小，應(yīng)力穩(wěn)定在～10 MPa。

除強度外，微尺度膠膜蠕變對精密系統(tǒng)性能的影響也引起關(guān)注。彭倍等［4］建立了芯片-膠液-基底的封裝結(jié)構(gòu)模型，在不同DG-3S 雙組份改性環(huán)氧樹脂膠膜厚度情況下，仿真計算了電容式加速度計的熱變形，分析了膠厚對零位溫漂的影響，當(dāng)膠膜厚度從20 μm 增加至30 μm，零位溫漂從0.047 3 fF/℃減小至0.045 6 fF/℃。賈樹強等［10］研究了膠厚對粘接的反射鏡面形的影響，發(fā)現(xiàn)隨著膠膜厚度的增加，反射鏡面形的均方根先減小后增大，當(dāng)膠厚為200 μm，280 μm 和400 μm時，反射鏡面均方根分別為1.7 nm，1.4 nm 和1.5 nm。膠膜狀態(tài)與系統(tǒng)性能關(guān)系是復(fù)雜的界面問題，通常認(rèn)為膠膜厚度對強度影響可歸為厚膜誘發(fā)的潤濕受阻導(dǎo)致粘接面積減小［11］以及流動不均引起應(yīng)力集中等［12］。但對平面尺寸在毫米級、厚度在百微米以下微膠膜研究還較少見。

參比法是一種常用膠膜厚度控制方法［13］，它指在粘接劑中添加已知尺寸的顆粒、細線、薄膜等［14］為參照物，依靠添加物的平均定位效應(yīng)獲得所需的膜厚。不過，當(dāng)膠膜在百微米級以下時，參照物的尺寸較難控制。在半導(dǎo)體工業(yè)中，常利用旋涂法［15］涂敷光刻膠，膜厚主要與膠液的性質(zhì)、旋轉(zhuǎn)速度等因素有關(guān)。但是，微裝配連接的對象主要是各種異形的微小零件，旋涂法并不適用。

本課題組研究過了單個膠滴的擠壓成膜機理，建立了單個高黏膠滴受擠壓和變形的動力模型，分析了成膜過程中阻力的演變機理［16］。本文在此基礎(chǔ)上進一步研究了多個微小膠滴擠壓成膜問題，在精密裝配設(shè)備上進行微膠連實驗，分析了膠滴數(shù)量對膠膜質(zhì)量的影響和擠壓力與膠膜厚度的關(guān)系，成果對提高微膠連工藝的可控性質(zhì)量有參考價值。

2 仿真計算

擠壓成膜的微膠連工藝步驟為：（1）在待涂膠表面分配微膠滴；（2）拾取零件，移動至指定位置，進給使兩零件間隙逐漸變小，施壓成膜；（3）根據(jù)膠連要求，進行原位固化或輔助鎖緊后溫控固化。

本文選擇了典型的微小圓片組為對象開展研究，如圖1 所示，研究的膠膜厚度～35 μm。理想狀態(tài)的膠膜為圖1 膠膜中黑色虛線的圓環(huán)，且圓環(huán)內(nèi)外圓為計算形成膠膜的內(nèi)外邊界（彩圖見期刊電子版）。

擠壓成膜同時受膠液粘性力和表面張力的影響，難以構(gòu)造解析模型，為此本文利用Fluent軟件進行有限元計算。將圖1 所示的微膠連零件簡化為空心圓柱模型（內(nèi)外直徑分別為1 mm 和8 mm，高度0.5 mm），在下圓片上表面半徑為2.45 mm 的圓上，均勻分配N點膠滴，預(yù)設(shè)膠滴直徑［17］可表示為：

其中：N為膠滴個數(shù)，V為膠膜總體積（膠膜總體積等于圓環(huán)形涂膠區(qū)域的面積乘以膠膜厚度，其中圓環(huán)形涂膠區(qū)域內(nèi)外直徑分別為3 mm 和7 mm），θ為接觸角，D為膠滴直徑。

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散化幾何模型，最終劃分節(jié)點數(shù)約為215 萬。用VOF 模型進行膠液流動的數(shù)值模擬計算，參數(shù)見表1。為了模擬實際分配的微膠滴的真實形狀，在計算擠壓過程前，首先在重力和表面張力的作用下，半球形膠滴（膠滴直徑D0）自由鋪展達到穩(wěn)態(tài)（接觸角θ為57°，膠滴直徑D1），如圖1 所示，膠滴分布初始幾何參數(shù)見表2。

表1 微膠連的物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of adhesive microbonding

表2 膠滴鋪展的物理參數(shù)Tab.2 Physical parameters of viscous droplet spreading

擠壓成膜仿真結(jié)果如圖1 所示，紅色代表膠液，藍色代表空氣。在擠壓成膜的過程，多膠滴鋪展并融合，但在膠滴融合處存在空氣間隙，隨著擠壓成膜的程度加深，空氣間隙隨之減小，膠液占空比隨之增大，顯然占空比對膠連效果是有影響的。為定量衡量填充狀態(tài)，本文定義膠液占空比如式（2）所示：

其中：S為在上圓片下表面的膠液面積，S0為在上圓片下表面的圓環(huán)面積。（見圖1）

3 實驗設(shè)備和流程

實驗在課題組開發(fā)的精密膠連裝配設(shè)備（圖2）上進行。設(shè)備具有自動分配微量膠液和拾取等功能，由夾持器、微量膠液分配模塊、載物臺等組成。各模塊搭載在精密運動滑臺組上。

圖2 精密裝配設(shè)備及微膠連實驗流程Fig.2 Precise assembly device and experimental process of adhesive microbonding

夾持器模塊由夾指和力傳感器等組成。夾指與測力傳感器連接，用于拾取上圓片。測力傳感器用于測量在多膠滴成膜的擠壓力，在使用前測力傳感器采用精密天平標(biāo)定。

微量膠液分配模塊由CCD 相機（分辨率3 088×2 064，像素尺寸2.4 μm）、激光測距儀（分辨率0.5 μm）和點膠機組成。相機用于視覺定位和觀測等。激光測距儀用于測量點膠的初始高度。點膠機通過調(diào)節(jié)壓力和時間等控制分配膠滴體積。

載物臺模塊由夾具和自動轉(zhuǎn)臺等組成，通過調(diào)整下圓片姿態(tài)，配合其他模塊完成微量膠液分配、微小圓片粘接等任務(wù)。

微膠連實驗使用的環(huán)氧樹脂膠參數(shù)見表1。實驗步驟如下：

（1）在下圓片上等徑均勻分配微量膠液。通過視覺測量和傳感測距等，得到點膠位置和點膠高度等信息，載物臺配合膠液分配模塊完成微膠滴分配。

（2）拾取上圓片。夾持器拾取上圓片，采集并處理圖片得到上圓片圓心位置，載物臺調(diào)整姿態(tài)，使兩圓片同軸。

（3）微小圓片的微膠連。微膠連工藝過程如圖2 所示，上圓片緩慢勻速向下移動，并實時保存測力傳感器示值，其與膠滴接觸后，測力傳感器示值開始變化，當(dāng)擠壓力達到閾值時，微小圓片的微膠連完成，用激光測距儀測量膠膜平均厚度，松開夾指。

4 結(jié)果與分析

4.1 膠滴數(shù)與膠液占空比的關(guān)系

在膠膜總體積V 為0.93 μL 和設(shè)定膠厚為～35 μm 條件下進行仿真計算，得到膠滴數(shù)與膠液占空比的關(guān)系，見圖3 中紅線（彩圖見期刊電子版）。設(shè)在上圓片表面體積分?jǐn)?shù)大于0.5 為膠液，用式2 計算膠液占空比，結(jié)果見圖3：膠滴數(shù)為8，膠液占空比82.0%；膠滴數(shù)為12，膠液占空比達到92.7%；膠滴數(shù)為14，膠液占空比提高至93.0%；膠滴數(shù)為16，膠液占空比基本保持在93.0%?？梢姡寒?dāng)膠液總體積一定時，膠滴數(shù)量少，初始膠滴直徑大。雖然對微膠連工藝來說，減少膠滴可以提高效比，但是膠膜的環(huán)寬也隨之增大，膠液占空比小，甚至膠膜質(zhì)量不達標(biāo)。

圖3 膠滴數(shù)與粘接區(qū)域中膠液占空比的關(guān)系Fig.3 Relationship between amount of adhesive drops and ratio of space occupancy by adhesive

在上述條件下進行成膜實驗，結(jié)果如圖4 所示。對圖片進行處理計算膠液占空比：分為A 和B 兩個區(qū)域，區(qū)域A 是將膠膜包圍的圓環(huán)形區(qū)域，其余為區(qū)域B；然后，將區(qū)域B 填充為白色，設(shè)定閾值將顏色取反，此時白色區(qū)域即為膠膜區(qū)；最后，用式（2）計算占空比。結(jié)果見圖3 中黑線：當(dāng)膠滴數(shù)為8～12，膠液占空比為77.1%～88.8%，當(dāng)膠滴數(shù)為14，膠液占空比為91.8%，當(dāng)膠滴數(shù)為16，膠液占空比為91.8%。

圖4 膠膜鋪展過程示意圖Fig.4 Process of adhesive film spreading

實驗測試的膠液占空比隨膠滴數(shù)變化趨勢基本與仿真結(jié)果一致。不過，實驗中膠液占空比較小，這可能是圖像處理造成的：受光強和材質(zhì)等因素影響，膠膜的灰度范圍較窄，特別是膠膜邊緣存在灰度值接近255 的部分，容易誤判為非膠液區(qū)域，導(dǎo)致計算得到的膠液占空比略小。

4.2 擠壓力與膠膜厚度的關(guān)系

擠壓力隨著膠膜厚度減小而增大，且在膠膜較薄時，有利于多膠滴擠壓成膜的厚度控制。在膠膜總體積V為0.933 μL 時，多膠滴擠壓成膜的計算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 擠壓力與膠膜厚度的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of extrusion force and adhesive thickness

因初期成膜擠壓力較?。ǎ? mN），所以僅給出膠膜厚度小于100 μm 的仿真結(jié)果。從圖5可看出，五種膠滴數(shù)對應(yīng)的曲線規(guī)律較相似，對膠滴數(shù)12 的計算結(jié)果分段擬合（見表3），膠膜厚度在50～100 μm 內(nèi)斜率為-285.5 μm/N，在35～50 μm 內(nèi)斜率為-9.8 μm/N，在25～35 μm 內(nèi)斜率為-1.8 μm/N?？梢?，隨膠膜減薄，膠膜厚度會對擠壓力敏感度下降。

表3 擠壓力與膠膜厚度的數(shù)值擬合結(jié)果Tab.3 Fitting result of extrusion force and adhesive thickness

選擇仿真中膠液占空比＞90%的膠膜的工藝參數(shù)，進行微膠連實驗，進一步得到了擠壓力與膠膜厚度之間的關(guān)系。如圖6 所示，當(dāng)膠膜厚度分別為45 μm，35 μm 和25 μm，12 點膠滴組成的膠膜，對應(yīng)的擠壓力分別為0.72 N，2.06 N 和7.84 N；14 點膠滴組成的膠膜，對應(yīng)的擠壓力分別為0.80 N，2.18 N 和7.87 N；16 點膠滴組成的膠膜，對應(yīng)的擠壓力分別為0.88 N，2.21 N 和7.92 N。

圖6 擠壓力與膠膜厚度的關(guān)系Fig.6 Relationship between extrusion force and adhesive thickness

當(dāng)膠膜厚度遠小于膠滴的鋪展寬度時，隨著膠膜厚度的減小，接觸面積的增加，表面張力和粘性力均增加，且擠壓力與接觸面積近似線性關(guān)［16］，即在膠膜總體積不變時，隨著膠膜厚度不斷減小，接觸面積增速的越快，擠壓力增長的越快。

在微膠連實驗中，擠壓力隨膠膜厚度的變化趨勢與仿真趨勢也一致。不過測得的擠壓力比計算值偏大，這可能是膠液為屈服應(yīng)力流體［18］（當(dāng)受擠壓時，存在作用力臨界值，在此屈服應(yīng)力流體發(fā)生流動特性與固體特性相互轉(zhuǎn)化），這有待進一步研究。

5 結(jié) 論

本文研究了微量高黏膠滴擠壓成膜的問題?？疾炝四z滴數(shù)量對膠膜質(zhì)量的影響和擠壓力與膠膜厚度的關(guān)系。研制了精密膠連裝配設(shè)備，實現(xiàn)了微小圓片組的微膠連。在本文實驗條件下，擠壓成膜的膠液占空比隨著膠滴數(shù)的增加而增加，但最終趨向穩(wěn)定在～91.8%；此外，擠壓成形的膠膜厚度與擠壓力呈近似線性關(guān)系，并且這一關(guān)系受膠滴數(shù)影響較小，當(dāng)擠壓力達到7.92 N，成膜厚度～25 μm。采用基于擠壓力閾值的膠膜厚度控制方法簡單易行，通過優(yōu)化膠滴分布模式和調(diào)整膠滴尺寸的方式，就可以對膠膜形狀和一致性優(yōu)化。而通過配套的轉(zhuǎn)印頭，也能夠其適合各種三維形狀微小零件的膠連。