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轉(zhuǎn)移式微量點(diǎn)膠的基本原理及膠滴的轉(zhuǎn)移率、鋪展直徑

來(lái)源:機(jī)械管理開(kāi)發(fā) 瀏覽 25 次 發(fā)布時(shí)間:2024-11-11

在電子制造業(yè)中,封裝技術(shù)是決定產(chǎn)品性能關(guān)鍵因素,而流體點(diǎn)膠技術(shù)則在電子封裝過(guò)程中起到重要作用,在一般的工業(yè)封裝中,它被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域,如集成電路業(yè),微電子封裝業(yè)以及SMT/PCB裝配業(yè)等。而在汽車(chē)電子業(yè)、數(shù)碼電子業(yè)、LED產(chǎn)業(yè)、手工藝品以及通訊模塊行業(yè)中,流體點(diǎn)膠技術(shù)同樣起到了至關(guān)重要的作用。在上述應(yīng)用中,轉(zhuǎn)移率在決定產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率方面尤為重要。隨著近些年微納米制造,生命科學(xué),微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等工業(yè)領(lǐng)域的急速發(fā)展,對(duì)零部件微小化的需求越來(lái)越高,因此現(xiàn)在對(duì)在裝配過(guò)程中封膠的性能有著更高的要求。


1、轉(zhuǎn)移式微量點(diǎn)膠的基本原理


本課題組研制了一種基于移液針轉(zhuǎn)印原理的微量點(diǎn)膠系統(tǒng),該點(diǎn)膠系統(tǒng)所形成的膠斑直徑可達(dá)到數(shù)十微米,膠滴體積可達(dá)飛升-皮升的范圍。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由出膠單元、驅(qū)動(dòng)單元和控制單元組成。其中,出膠單元為系統(tǒng)的核心,其主要包含微移液針和毛細(xì)儲(chǔ)膠管兩個(gè)關(guān)鍵元件,移液針通過(guò)在儲(chǔ)膠管內(nèi)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)膠液向基板的微量轉(zhuǎn)移。驅(qū)動(dòng)單元由X/Y/Z三個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和微升降平臺(tái)組成,用于驅(qū)動(dòng)微移液針及點(diǎn)膠工件的運(yùn)動(dòng)??刂茊卧蒔LC控制系統(tǒng)和LaBview開(kāi)發(fā)的控制面板組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制。

轉(zhuǎn)印式點(diǎn)膠過(guò)程分為三個(gè)階段,分別為浸漬、擠壓和拉伸,如圖2所示。在浸漬階段,移液針穿過(guò)裝有膠液的毛細(xì)管,膠液會(huì)在附著力的作用下在移液針尖端留有少量殘留;在擠壓階段,移液針向下移動(dòng)一段距離后,尖端上的膠液接觸并擠壓點(diǎn)膠面,在移液針尖端和點(diǎn)膠面之間形成液橋。在此階段中,部分膠液從移液針尖端轉(zhuǎn)移到點(diǎn)膠面;在拉伸階段,移液針向上抬升,液橋會(huì)隨著移液針的抬升而被拉長(zhǎng),直至斷裂。之后,殘留的膠液會(huì)在自身表面張力的主導(dǎo)下,形成圓潤(rùn)的膠斑。


2、膠滴的轉(zhuǎn)移率


在尖端留有膠液的移液針接觸到點(diǎn)膠面之后以一定速度抬升,直至液橋斷裂并形成膠斑。在點(diǎn)膠面形成的膠斑體積與在移液針尖端的膠液體積之比即為轉(zhuǎn)移率。在大多數(shù)實(shí)際情況下,轉(zhuǎn)移式微量點(diǎn)膠通常使用小體積(飛升-皮升)的黏性液體,這導(dǎo)致系統(tǒng)中的Re(與流體慣性力有關(guān)的無(wú)量綱數(shù))值很小。因此,在研究膠液轉(zhuǎn)移率時(shí),選擇忽略慣性力,并使用毛細(xì)管數(shù)Ca(與流體黏性力以及表面張力有關(guān)的無(wú)量綱數(shù))來(lái)表示轉(zhuǎn)移率。


無(wú)量綱數(shù)Ca與膠液的黏度,表面張力以及實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的抬升速度有關(guān),因此選用黏度分別為1 000 cps、5 000 cps、10 000 cps、50 000 cps的甲基硅油以及粘度為10 000 cps的環(huán)氧樹(shù)脂作為實(shí)驗(yàn)用膠。抬升速度分別設(shè)置為0.1 mm/s、0.5 mm/s、1 mm/s、5 mm/s、10 mm/s。經(jīng)過(guò)計(jì)算,毛細(xì)數(shù)Ca的范圍為0.004 2~23.364 4。


在液橋斷裂后,轉(zhuǎn)移到點(diǎn)膠面上的膠液在自身表面張力的作用下形成圓潤(rùn)的膠斑,在理想狀態(tài)下膠斑可視為球冠狀,其體積可用球冠狀公式求得。實(shí)驗(yàn)主要使用的膠液為甲基硅油,其表面張力只有21 mN/m,低于環(huán)氧樹(shù)脂,在基板上由甲基硅油形成的膠斑在穩(wěn)定狀態(tài)下與環(huán)氧樹(shù)脂的形狀不同,因此不能將其視為球冠狀,需要其他計(jì)算體積的方法。為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確性通過(guò)灰度處理、二值化等圖像處理的方法提取膠斑的輪廓信息,之后通過(guò)提取到的坐標(biāo)信息來(lái)擬合膠斑輪廓的函數(shù),使用旋轉(zhuǎn)積分的方法來(lái)計(jì)算膠斑的體積。之后為了驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性,在其他物性條件相同時(shí),將5 000 cps的甲基硅油、3 mm/s的移液針抬升速度的實(shí)驗(yàn)條件下膠斑的鋪展過(guò)程作為研究對(duì)象。用顯微鏡錄制在液橋斷裂后膠斑的鋪展情況,以0.016 s為間隔,截取20張膠斑的圖片分別用公式和積分法進(jìn)行膠斑體積的計(jì)算,結(jié)果如圖3所示。

圖3膠斑體積


計(jì)算結(jié)果表明,甲基硅油只在少數(shù)情況下的計(jì)算結(jié)果可以使用球冠狀公式計(jì)算,其余時(shí)刻計(jì)算結(jié)果極不穩(wěn)定。因此,在測(cè)量甲基硅油的體積時(shí),應(yīng)采用積分法進(jìn)行計(jì)算。


對(duì)不同黏度以及拉伸速度下的膠液進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算轉(zhuǎn)移率,如圖4所示,在忽略慣性力的條件下,采用無(wú)量綱數(shù)Ca來(lái)表示轉(zhuǎn)移率,對(duì)于表面張力相似且不同黏度的四種甲基硅油的轉(zhuǎn)移率有著相似的收斂情況。為了進(jìn)一步印證Ca對(duì)轉(zhuǎn)換率的影響,引入與甲基硅油不同表面張力的環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),如圖5所示,表面張力較大的環(huán)氧樹(shù)脂的轉(zhuǎn)換率會(huì)比甲基硅油小,但整體趨勢(shì)相差不大,均會(huì)收斂到一定數(shù)值。之后,為了了解慣性力對(duì)轉(zhuǎn)移率的影響,選擇黏度較小的膠液進(jìn)行實(shí)驗(yàn),同時(shí)加大移液針直徑使其脫離微量點(diǎn)膠的范圍,以提高慣性力對(duì)膠液傳遞的影響,如圖6所示,在通過(guò)增加膠液體積以提高慣性力影響的實(shí)驗(yàn)中,膠液轉(zhuǎn)移率的變化與之前有極大差異。


綜上,可以得出結(jié)論,在其他條件相同時(shí),在超微量點(diǎn)膠過(guò)程中,膠液的轉(zhuǎn)移率主要由毛細(xì)數(shù)Ca來(lái)決定,可以忽略慣性力的影響。在之后控制膠液體積的時(shí)候,應(yīng)把重點(diǎn)放在膠液的黏性力與表面張力上。


3、膠滴的鋪展直徑


點(diǎn)膠結(jié)果最直觀(guān)的顯示就是形成膠斑達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)膠斑的直徑,因此對(duì)膠斑的直徑進(jìn)行研究。選取5種表面張力相似黏度不同的甲基硅油以及黏度為10 000 cps的環(huán)氧樹(shù)脂作為實(shí)驗(yàn)用膠。移液針抬升速度分別設(shè)置為1 mm/s,3 mm/s,5 mm/s,7 mm/s,9 mm/s。使用的移液針直徑為200μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7不同膠液的最大鋪展直徑


實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,膠滴黏度過(guò)小或者過(guò)大時(shí)在低速下直徑變化率較低,分析原因可能是在低速下,黏度較小的膠滴的毛細(xì)數(shù)Ca較小,低速下的膠液在轉(zhuǎn)移過(guò)程中轉(zhuǎn)移率較大,因此直徑的變化不大。黏度較大的膠液在鋪展過(guò)程中黏性耗散的量會(huì)更大,而黏性耗散的值與拉伸速度有直接關(guān)系,越高的拉伸速度在液橋斷裂后就會(huì)有更高的黏性耗散,因此,黏性過(guò)高的膠斑直徑變化量較少。


4結(jié)論


超微量點(diǎn)膠過(guò)程中,在其他物性條件相同時(shí),對(duì)于表面張力相似且不同黏度的四種甲基硅油的轉(zhuǎn)移率有著相似的收斂情況,轉(zhuǎn)移率會(huì)逐漸收斂到0.5。膠液的轉(zhuǎn)移率主要由毛細(xì)數(shù)Ca來(lái)決定,可以忽略慣性力的影響。在膠液的鋪展階段,膠斑的直徑隨著膠液黏度的增加而減小,隨著抬升速度的增大而增大,而表面張力在鋪展過(guò)程中起主導(dǎo)作用。