基于數值仿真的氣動噴射閥回流間隙的優化

魏新明, 沈　平, 單修洋, 李渭松

(中南大學 機電工程學院, 湖南 長沙 410083)

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基于數值仿真的氣動噴射閥回流間隙的優化

魏新明, 沈平, 單修洋, 李渭松

(中南大學 機電工程學院, 湖南 長沙 410083)

氣動噴射閥是微電子封裝中不可或缺的封裝設備,但現有氣動噴射閥在噴射高黏膠液時仍不能完全滿足工業界對膠滴一致性的需求,原因在于其噴射高黏膠液時常出現因噴射速度太小而導致的掛膠漏噴現象.要減小上述現象的發生概率,就必須提高現有氣動噴射閥的高黏流體噴射能力.回流間隙作為氣動噴射閥的關鍵尺寸,直接影響著噴射閥的噴射能力.為了通過優化回流間隙來提高噴射能力,首先建立氣動噴射閥的膠液噴射數值仿真模型并通過實驗驗證其可靠性,同時基于不同回流間隙的仿真數據建立了相應的高斯擬合模型.然后利用擬合模型以膠滴滴落速度為優化目標對回流間隙進行優化,通過優化前后的噴射對比驗證了優化結果的可靠性,最后獲得氣動噴射閥的最優回流間隙.

氣動噴射閥; 回流間隙; 點膠; 微電子封裝; 優化設計

從20世紀到如今21世紀,微電子封裝技術一直是微電子廠家核心競爭力的重要體現之一[1].為實現微電子封裝高效、穩定、經濟的目的,世界各地的研究人員在創新封裝方式、建立封裝過程模型以及優化控制算法等方面進行了大量的研究.隨之微電子封裝中的關鍵技術——流體點膠技術得到了空前的發展[2-3].

點膠是一種將封裝用膠液如環氧樹脂、硅膠等分配到芯片、集成電路所需位置的技術[4-7].目前盛行4種形式的點膠技術,包括螺旋泵式、時間壓力式、活塞泵式和噴射式點膠[8-11].前3種形式的點膠技術均為接觸式,而噴射式點膠為非接觸式的點膠技術.非接觸式噴射點膠能大大提高膠液的分配速度,并且膠點均勻.因其具有高效、非接觸等優點而被普遍認為是最具發展潛力的新一代點膠技術[12-13].

噴射式點膠技術雖已被提出并發展了很長一段時間,但是在噴射高黏度微量膠滴的工況下,其噴射性能尚未完全達到工業界的要求.其原因之一在于現有關鍵點膠設備——點膠閥噴射高黏膠液能力不足,這就會導致噴嘴口掛膠現象嚴重甚至無法噴射等.目前通常采用加溫的方式降低膠液的黏度,進而間接地提高點膠閥噴射能力,但該方式又帶來了膠液性質變化、固化速度加快等問題.所以加溫不能完全解決點膠閥噴射能力不足的問題.因此,優化噴射閥本身以提高其高黏膠液噴射能力成為必要.

影響點膠閥噴射能力的一個非常重要的因素是其流道的尺寸.特別是占據大部分流道空間的回流腔,其可認為回流間隙是噴射閥流道尺寸中一項關鍵尺寸.其原因是回流間隙與供膠壓力決定了回流阻力的大小,而回流阻力影響撞針撞擊噴嘴基座的速度,進而影響擠壓腔內流體壓強的大小.擠壓腔內的壓強則直接決定了膠滴噴落速度.然而,對于點膠閥流道尺寸方面的優化,目前所做的研究工作非常少.Nguyen，Shan等從機理出發分別建立了點膠閥體內部流體穩態、非穩態模型[14-16],Chen等為噴嘴外部膠液拉絲斷裂機理建立了模型[17].這些工作均側重于膠液噴射機理的研究,目的在于更深入地了解噴射閥的工作機理.但模型的完備性與準確性不足,使得以上工作尚不能直接用于閥體的流道尺寸優化.

本文基于數值仿真進行點膠閥流道尺寸的優化.文章首先簡單介紹了噴射點膠閥的工作原理.然后根據流體本構方程建立了點膠閥的膠液噴射模型,并結合Fluent軟件實現點膠閥的膠液噴射動態仿真.相應的點膠閥噴射實驗驗證了仿真模型的正確性.最后采用仿真模型進行了回流間隙的優化分析,與此同時,建立回流間隙與膠滴滴落速度的高斯擬合模型.通過對該模型的極值求解獲得回流腔的最優回流間隙.進一步的仿真結果顯示：優化后的回流腔相比未優化的,其噴射能力有了明顯的提升.

1　氣動噴射閥簡介與實驗平臺

目前市場上的非接觸式噴射點膠閥產品眾多,按撞針的驅動原理可以分為以下4類:氣動彈簧式、超磁伸縮式、壓電陶瓷式、電磁彈簧式.各種類型的噴射閥各有優缺點,本文實驗中所用的氣動噴射閥具有結構簡單、經濟等特點[18].因此,氣動式是電子封裝工業使用較普遍的類型.無論何種噴射點膠閥,其噴射出膠均靠閥內撞針快速撞擊擠壓作用，所以文中優化回流間隙的思路與方法具有普遍適用性.

氣動式噴射的工作原理比較簡單,其工作原理如圖1所示.首先,高壓氣體進入閥體空腔并推動撞針上移進而壓縮彈簧,同時膠液進入撞擊腔內進行膠液補充；然后,釋放高壓氣體,此時壓縮彈簧迅速推動撞針下移并撞擊基座,撞擊過程中撞擊腔內將形成極高壓強；最后,微量膠液因高壓噴射而出.

圖1　噴射閥結構簡圖Fig.1　Schematic structure of jetting valve

實驗平臺搭建如圖2所示，其中：控制器用于點膠閥的3個軸向運動控制,以及對點膠頻率、氣壓、溫度等工作參數的控制；高速攝像儀采用的是FAST-CAM SA1.1 (由Photron生產),它能以1 024×1 024的高分辨率和5 400幀/s的高速進行拍攝；監視器用于顯示并記錄高速攝像儀所拍攝的圖片；撞針位移測量系統能時刻記錄閥體內部撞針的位移數據.

2　數值仿真模型的建立與驗證

2.1本構數學模型

1)連續性方程為

其中：ρ為膠液密度，由于不考慮膠液可壓縮，式中ρ 為常值；x為軸向坐標，r為徑向坐標；ux為軸向速度，ur為徑向速度.

圖2　實驗平臺Fig.2　Experiment setup

2)動量守恒方程為

其中：

，

P為流體壓強，μ為膠液黏度.

3)流體體積函數(VOF)為

3.2數值仿真模型實現

本文要仿真的對象為氣動噴射閥內被彈簧驅動的撞針開始運動到撞擊基座這一運動而導致的物理出膠過程.實驗所用氣動噴射閥膠液入口以下為軸對稱結構,而噴射閥的噴嘴又離膠液入口較遠,所以膠液入口以下流體區域可以軸對稱結構進行等效近似.表1為筆者實驗所用的某公司生產的氣動噴射閥部分參數.

表1部分流道參數

Table 1　Partial parameters of flow channel　mm

選用當下被廣泛認可并使用的CFD仿真軟件Fluent進行數值仿真.數值仿真計算時需要相應網格對流體計算域進行離散,網格質量的優劣直接決定了仿真中每步迭代的收斂性,同時也影響著仿真結果的好壞.而且,由于仿真過程中撞針下撞擠壓流體,仿真過程必須使用動網格技術.不合理的網格將使動網格預覽無法正確進行,這就對網格劃分提出了更嚴格的要求.本文選用ICEM CFD對流體計算域進行細致的結構化網格劃分，具體如圖3所示.仿真中選用2D軸對稱瞬態求解器,并用VOF模型來捕捉膠滴的自由表面.同時使用了Fluent提供的動網格技術,網格更新方式為Layering.

圖3　流體域結構化網格Fig.3　Structured grid of fluid domain

撞針的耦合運動速度計算依靠UDF中的DIFINE_CG_MOTION實現，其中主要還包括F_STORAGE_R_N3V，F_P,它們分別用來計算撞針所受的剪切力和流體壓強作用于撞針的壓力.由這些宏計算得到的力以及當前時刻的撞針速度以及位移,下一個時間步的撞針速度就可以計算得出,最后通過DIFINE_CG_MOTION賦值給撞針壁面.具體撞針運動數學模型如下所示:

其中：F0與k分別為彈簧預緊力和剛度系數；s為撞針位移；ffluid與f分別為流體阻力和閥內軌道阻力；m為運動部件質量,主要為撞針的質量；dt為仿真時間步長.為了獲得膠液滴落速度,還需用C_VOF獲取膠滴低端位置并輸出記錄到文本文件.

3.3模型驗證

模型建立后需經與實驗進行對比校核以驗證所建模型的可靠性.本文的校核方法為:1)利用高速攝像儀拍攝記錄實驗中的出膠過程并將其與仿真結果對比；2)利用撞針位移測量系統獲取實驗中撞針動態位移并將其與仿真結果對比.為此,本文設計了相應的噴膠實驗,實驗平臺前文已有所簡介.仿真中的相關參數與實驗中氣動噴射點膠閥相應工作參數保持一致.在膠液噴射過程中,用高速攝像儀記錄了噴嘴口膠滴形成過程.所拍攝的出膠圖片可與仿真中膠液形態進行比對.圖4為仿真與實驗中在各時刻膠滴自由表面變化情況.由圖可以看出噴射出膠過程：首先是噴嘴口圓柱形出膠,圓柱半徑大約為噴嘴口半徑；然后膠柱靠近噴嘴端開始縮頸并逐漸變細至最終掉落.從圖4可以看出,仿真與實驗中膠液自由表面除一些具體細節外,其主要出膠過程大體相似.

圖4　出膠狀態對比(左:實驗；右:仿真)Fig.4　Comparison on droplet profile (left:experiment,right:simulation)

整個噴膠過程的發生靠的是撞針的運動,因此比較仿真與實驗中各自的撞針位移對于驗證仿真模型也具有十分可靠的參考意義.實驗中撞針位移的測量可以通過本文設計的撞針位移測量系統得以實現.最終獲得的位移對比效果如圖5所示.

圖5　撞針位移對比Fig.5　Comparison on needle displacement

4　基于數值仿真的回流間隙的優化

4.1仿真分析

不同的回流間隙將對噴射閥的出膠速度產生較大的影響,本節通過仿真深入研究其影響程度.仿真過程中,除了黏度與回流間隙外,其它邊界條件與相關參數均保持不變.圖6中離散數據點均為各回流間隙不同黏度膠液下的膠滴噴落速度.由圖可以看出,當間隙相同時,隨著膠液黏度的增加,膠液速度逐漸減小，這是由于黏度的增加導致撞針加速困難,進而減小了撞針噴射動力.相同黏度下,不同的回流間隙表現出極大的噴射差異.間隙過大或者過小均使得噴射速度降低.間隙過小使得回流阻力極大,這同樣導致撞針加速困難.而間隙過大時,前期膠液能快速回流,腔內壓強難以上升,所以前期緩慢出膠.后期撞擊時,雖因撞針高速而形成高壓,但撞擊那一刻也是閥門關閉之時,這導致此刻噴出的高速膠液的質量極其微小.這部分膠液所擁有的動能會被噴嘴外做負功的膠液阻力如表面張力迅速消耗.所以其噴射速度仍不能提高.由此可以得出一定存在最優間隙使得噴射速度最大.

圖6　滴落速度對比Fig.6　Comparison on dropping speed

通過以上分析可知,回流間隙逐漸增大或減小,滴落速度都趨向并最終等于0.為擬合具有此特征的數據,本文選擇高斯函數.據最小二乘思想,該擬合可轉為如下數學優化問題：

式中，(xi，yi)為仿真數據，β=(β1,…,β6)為待定系數.將原目標函數用給定信賴域的二次模型進行逼近，具體如下：

并用信賴域算法進行迭代計算，其中gk為目標函數S在當前迭代點β(k)處的梯度，Gk為S在β(k)處的Hessen矩陣.d為二次模型求解出的步長，即β(k+1)=β(k)+d.圖7描述了本文所用算法的總體概要流程.最終擬合效果如圖7所示.

圖7　算法概要流程Fig.7　Algorithm general flowchart

通過擬合結果,本文得到各黏度下的最優回流間隙,具體如表2所示.由表2可以看出,隨著膠液黏度的增加,相應的最優回流間隙也呈現細微的變大.這是由于黏度的增加必定加大膠液的回流阻力,為了獲得最大的噴膠速度則需保證撞針的加速不能受太大阻擾,所以間隙要細微增加來避免回流阻力的過度增大.

表2　各黏度下的最優回流間隙

為驗證表2中所取最優值的準確性,本文對各黏度下最優回流間隙附近值進行仿真計算,結果如圖8所示.由圖可以看出,表2中最優尺寸在各黏度對應的滴落速度均比附近所選兩點大.所以表2中數據比較準確.

圖8　峰值點驗證Fig.8　Confirmation of peak points

由于微電子封裝膠液的黏度一般小于3 Pas或者在3 Pas左右,所以選擇高黏度3 Pas下的最優尺寸0.311 mm比較合理.另外可以計算得到,1.5 Pas下0.311 mm的膠液滴落速度比0.28 mm的少了1.2%,而2 Pas下0.311 mm與0.30 mm的相比只少了0.2%.所以選擇0.311 mm能兼顧低黏度下的膠液滴落速度.

4.2優化前后對比

圖9表示的是3 Pas下0.311 mm與0.15 mm回流間隙的膠滴噴射對比.可以看出,優化前出膠速度十分緩慢,且膠滴不能順利滴落到基板上面.而優化尺寸下的噴射情況完全相反.對于2 Pas,0.311 mm下的噴射膠液滴落速度是0.15 mm下的6倍,1.5 Pas下為2.5倍.圖10為優化前后各時刻出膠狀態的對比.顯然,對回流間隙優化后，現有閥的噴射能力顯著提高.

圖9　優化前后膠滴運動對比Fig.9　Comparison on droplet movement between before optimization and after

圖10　優化前后出膠狀態對比Fig.10　Comparison on droplet profile between before optimization and after

5　結　論

為提高現有噴射閥的噴射能力,本文首先分析了回流間隙的重要性.通過仿真分析各回流間隙下的噴射膠滴滴落速度,發現不同間隙下的噴射性能差異很大.然后根據仿真數據建立了回流間隙與膠滴滴落速度的高斯擬合模型.通過對該模型的極值求解，獲得回流腔的最優間隙.對比發現,優化前后膠液噴射速度相差數倍.所以此優化結果極大地增強了現有噴射閥的噴射能力.由于市場上各種形式噴射點膠閥的噴射出膠均靠閥內撞針快速撞擊擠壓作用,其流道結構基本相似,所以本文優化思路具有普遍適用性.

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Optimization of the backflow gap of pneumaticjetting valve based on numerical simulation

WEI Xin-ming, SHEN Ping, SHAN Xiu-yang, LI Wei-song

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Pneumatic jetting valve plays an indispensable role in the microelectronic packaging.However,the current pneumatic jetting valves can’t meet the industrial requirement of droplet consistency completely for the frequent occurrence of jetting omission when it is used to jet high-viscosity adhesives.Jetting capacity must be enhanced to reduce the probability of the problem occurrence.As a key dimension of pneumatic jetting valve,the size of backflow gap influences its jetting capacity directly.In order to improve jetting capacity by optimizing backflow channes,a numerical model of the jetting process was established firstly and its validity was verified by corresponding experiment.Meanwhile,a Gaussian fitting model was built based on simulation data with different backflow channels.After that,the model was utilized to optimize the size of backflow gap by choosing droplet speed as optimization objective.The reliability of optimization results was verified by comparison of the jetting performance before and after optimization.Finally,the optimal size of backflow gap of pneumatic jetting valve was obtained．

pneumatic jetting valve; backflow gap; fluid dispensing; microelectronic packaging; optimization design

2015-12-09.

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2011CB013104).

魏新明(1990—)，男，湖南衡陽人，碩士，從事微電子封裝工藝與設備研究，E-mail:w_xm2012@yeah.net.http://orcid.org/0000-0002-2606-9335

通信聯系人：沈平(1983—)，男，陜西寶雞人，博士，從事系統建模與控制等研究，E-mail:ppguitar1983@sina.com.

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.03.008

TN 4; TP 212.1

A

1006-754X(2016)03-0244-07

本刊網址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb