時間-壓力點膠技術淺析

楊軍安

（新疆眾和股份有限公司 烏魯木齊 830013）

時間-壓力點膠技術以其操作柔性高、所使用的流體（環氧樹脂）粘度范圍大、且成本低及易于維護的特點，在電子器材行業、實驗應用很廣泛，在所有點膠系統中占70%以上，其性能一直能很好的滿足要求[2]。時間-壓力點膠技術通過高通過壓縮空氣作動力，氣體在傳送過程以及針筒內氣體作用膠體的過程受到很多因素的影響，這些將影響到點膠的流速和膠點的大小。時間-壓力型點膠設備通常采用控制點膠壓力以及施壓持續時間來控制出膠量。本文從時間-壓力點膠技術的最基礎膠液特性、流體特性理論入手，應用數學理論及其數學模型思維，將時間-壓力點膠技術進行了系統的分析，為時間-壓力點膠技術實踐應用做出了必要的理論支持和指導。

1 時間-壓力點膠技術理論基礎

1.1 膠液產生粘接力的基本理論

膠液通過潤濕作用、擴散作用，以及與被粘表面的相互作用等三個基本過程，產生牢固的粘接力。為了粘接的本質通過研究提出了一些理論模型[4]。

（1）機械理論

任何物體光滑的表面實質上是凹凸不平的。膠液滲透到這些不平的溝痕或空隙中，不排除其界面上吸附的空氣，固化后在界面區產生了嚙合力。

（2）吸附理論

粘接是由兩材料間分子接觸和界面力產生所引起的。粘接力的主要來源是分子間作用力包括氫鍵力和范德華力。膠液與被粘物連續接觸的過程叫濕潤，要使膠液潤濕固體表面，膠黏劑的表面張力應小于固體的臨界表面張力，膠液侵入固體表面的凹陷與空隙就形成了良好潤濕。如果膠液在表面的凹處被架空，便減少了膠液與被粘物的實際接觸面積，從而降低了接頭的粘接強度。

通過潤濕使膠液與被粘物緊密接觸，主要是靠分子間作用力產生永久的粘接。在粘附力和內聚力中所包含的化學鍵有三種類型，即離子鍵、共價鍵、金屬鍵，還存在分子間作用即范德華力。

（3）擴散理論

粘接是通過膠液與被粘物界面上分子擴散產生的。分子或鏈段的熱運動產生了膠液和被粘物分子之間的互相擴散，從而使一個物體的分子跑到另一個物體的表層里，另一物體的分子也跑到這個物體的表面力，兩者的界面逐漸消失，相互“交織”而牢固結合。

1.1.1 環氧樹脂膠液的特性

電子材料行業多是粘接盆架、振膜、線材等材料，其質量輕、體積小，一般采用熱固性膠液如環氧樹脂、聚丙烯及氰基丙烯酸酯等膠液。最常用的為環氧樹脂膠液，以下重點介紹環氧樹脂膠液的特性。

環氧樹脂是指高分子鏈結構中含有兩個或兩個以上環氧基團的高分子化合物的總稱，屬于熱固性樹脂。環氧樹脂膠液具有如下特點：

（1）粘接度高，環氧樹脂膠液含有羥基和醚基等極性基團與被粘界發生反應而生成化學鍵，從而產生較強的粘接強度。

（2）固化收縮率小，在有機膠液中環氧樹脂膠接劑的固化收縮率最小，為1%～3%。

（3）化學介質穩定性好，在固化體系中不易受酸堿侵蝕。

環氧樹脂的缺點為操作粘度大，給施工帶來不便；固化物性脆，伸長率小；剝離強度低；耐機械沖擊和熱沖擊差。

1.1.2 點膠流體的基本特性

研究物質必須研究其本質特性，電子制造中所用的點膠膠液，其流動特性極為復雜，屬于非牛頓流體，為了更好地應用時間-壓力點膠技術，需通過流體力學相關知識對膠液進行研究。

牛頓提出了關于粘性流體作直線層狀運動時，兩流體層間速度梯度成正比，見圖1。即：

圖1 流體的直線層狀運動

式中，μ為動力粘性系數，取決于流體的物理性質。

稱式（1）為牛頓內摩擦定律，根據式（1），有：

斯托克斯把牛頓內摩擦定律推廣到粘性流體的任意流動中，根據胡克定律，提出了以下三個假設[6]：

（1）流體是連續的，應力與應變率之間成線性關系。

（2）流體是各向同性的，也就是它們的性質與方向無關。因此無論選取什么樣的坐標系，它們的應力與應變率之間的關系是相同的。

（3）當流體靜止時，應變率為零，流體中的應力只有正應力—靜壓，切應力為零。

或寫成：

通常λ稱為膨脹粘性系數，而式(2)和式(3)稱為廣義牛頓定律。

在直角坐標系中，應力張量各分量的表達式為：

對于不可壓縮流體▽·V=0，則：

廣義牛頓定律建立了一般情況下應力張量和應變率張量之間的關系，它是粘性流體力學的一個理論基礎。

凡是滿足上述斯托克斯假設的流體稱為牛頓流體，如水和空氣。反之稱為非牛頓流體。

1.2 粘性流體的基本特征

粘性流體流動主要有以下幾點[7-8]；

（1）流動的有旋性，粘性流體必定是有旋流動。

（2）有旋性就是在流動中有渦的存在，渦一旦產生就會分裂、擴散，從大至小，以至消滅，這就是渦的擴散性。

（3）伴隨著渦的擴散是能量的消耗，這是一個能量從有規律的運動變成無規律的分子運動-熱能的不可逆過程。

①粘性流動的有旋性。無粘性流動可能是無旋的，也可能是有旋的，它的有旋流動是從運動學的角度提出的。粘性流動必定是有旋的，這是粘性流體的動力學特征，可以利用反證法加以證明。

不可壓粘性流體的連續方程和動量方程：

粘性流動在固壁表面的邊界條件為無滑移條件，流動的速度Vf等于固壁的速度Vω，即Vf=Vω，寫成壁面的法向n和切向s的分量：

對于式（7）二階偏微分方程，此處有兩個邊界條件，故問題是可解的。

如果粘性流動中，渦量為零，即Ω=0，那么動量方程就會變成無粘性的歐拉方程：

式（8）為一階偏微分方程，兩個邊界條件式（7），必定有一個是多余的了。所以滿足無粘性流動的歐拉方程和滿足粘性的無滑移邊界條件的流動是不存在的。這就證明了粘性流動不可能是無旋的。

②粘性流動中，環量和渦通量的變化率可能為零，也就是說環量和渦通量可能永遠保持下去。凱爾文定律正是描述了這種情況：在質量力有勢、流體為正壓流體條件下，無粘性流動沿封閉曲線的速度環量將永遠不變。而在粘性流動中，環量和渦通量總是變化的。

2 時間-壓力點膠應用及特點

實踐中通過裝夾有針管的Z軸向下運動，直到針頭與工件表面距離達到設定值，使針尖上被擠出的膠體與工件表面接觸，然后Z軸向上運動，膠體和針尖自然斷開或拉斷，完成一個點膠周期。在這種方式中，除材料本身特性會影響點膠一致性外，針尖與基板距離以及針頭直徑也是影響一致性的重要因素。對于高粘度的膠體，膠體易在針尖上殘留，導致明顯的拖尾效應，嚴重影響點膠一致性，尤其在微量高速點膠場合，拖尾效應的影響更為顯著。在接觸式點膠中，針對不同應用場合選擇合適的點膠設備是提高效率的關鍵。

（1）時間-壓力點膠

該技術適用于中等粘度的膠液，如圖1所示，點膠量取決于所用氣體壓力大小和作用時間。這種方式經濟、操作簡單、維護方便、便以清潔，適用性好。但點膠量對膠體粘度敏感，氣體反復壓縮、釋放過程中易使膠體溫度升高，改變膠液的黏度和和膠液的體積，影響膠量的大小。這種技術點膠速度難以提高。

（2）活塞式點膠

如圖2所示，該方法是一種正向位移的點膠方式，通過活塞擠壓針管內膠體使其流出，特別適合中、高粘度的膠體。點膠量主要由活塞位移大小決定，對膠體粘度、溫度、和壓力不敏感，在高速時有很好的一致性，重復性高，特別適合小體積連續點膠。但這種方式清洗過程復雜，對針管容腔內氣體敏感，對密封性要求很高，點膠頻率難以提高。點較量大小不好調節，須配專用點膠頭才能正常工作，維護性較差。

圖2 時間-壓力點膠示意圖

圖3 活塞式點膠示意圖

3 時間-壓力點膠系統數學建模

對于確定的流體，溫度固定（即粘度確定）時，其流態決定于臨界速度。因此引用了下列無量綱的組合數作為判別流態的準則，對于管流：

式中，Re為雷諾數；V為管內平均流速；d為管徑；ν為運動粘性系數。

上述實驗上臨界雷諾數和下臨界雷諾數分別表示為：

可以看出，當 Recr＞時為湍流，Recr＜時為層流，＞Re＞Recr時，可以是湍流也可以是層流，工程上多按湍流處理。圓管中的臨界雷諾數為：Recr=2300 和=8000～12000 。

液體在等徑直管中流動時因內外摩擦而產生的壓力損失，稱為沿程壓力損失。它主要取決于液體的流速、粘性和膠管的長度以及膠管的內徑等。對于不同狀態的液流，流經膠管時的壓力損失是不相同的。膠液的流速、流量以及沿程壓力損失等方面對點膠有一定的影響。

(1)膠液在膠管中流速

圖1所示，膠液在內直徑為d的膠管中運動，流態為層流。在液流中取一微小圓柱體，其內半徑為r，長度為l，圓柱體左端的液壓力為P1，右端的液壓力為P2。由于膠液有黏性，在不同半徑處液體的速度是不同的，其速度的分布如圖4中所示。液層間的摩擦力則可按式（牛頓定律公式計算）。

圖4 流速的分布規律

由圖4可知，微小液柱上所受的作用力的平衡方程式為：

整理得：

式中負號表示流速u隨r的增大而減少。

對上式進行積分得：

上式表明：膠液在膠筒中做層流運動時，速度對稱于膠管中心線并按拋物線規律分布。當r=0時，流速為最大，其值為：

(2)通過膠管的流量

在膠管中取微小圓環過流斷面，通過此斷面的微小流量為dq=μdA=2rπμdr，所以通過膠管的流量：

(3)膠管內的平均流速:

(4)膠管形狀對點膠影響:

由上式整理后得沿程壓力損失為：

可見當膠管中液流為層流時，其壓力損失與管長、流速和液體黏度成正比，而與管徑的平方成反比。上式適當變換后，沿程壓力損失公式可改寫成如下形式：

式中,v為液流的平均流速；ρ為液體的密度；λ為沿程阻力系數。

它可適用于層流和湍流。對于膠管層流，理論值λ=64Re，考慮到實際膠管截面可能有變形以及靠近管壁處的液層可能冷卻，阻力略有加大，膠管取λ=80Re。湍流時，當 2.3×103＜Re＜105時，可取λ≈0.3164Re-0.25。由此得出，在條件允許情況下，膠管管徑直徑越大，膠管盡可能越短，沿程壓力損失越小，也就是在出膠量相同的情況下，所使用氣壓壓力最小，從而提高氣壓利用效率。沿程壓力損失越小，膠液的自身對膠量的控制影響越小。膠管管徑直徑的大小對膠液通流能力的影響很大，膠管管徑直徑大，意味著液流和管壁的接觸周長短，管壁對液流的阻力小，通流能力大。

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