點陣式點膠系統膠點重量一致性研究*

仝崇樓 趙 靜 任 飛 李春風 李 勇

(①西京學院機械工程學院，陜西 西安 710123；②空軍工程大學工程學院，陜西 西安 710038；③承德石油高等?？茖W校工業技術中心，河北 承德067000；④寶雞機床集團有限公司，陜西 寶雞721013)

近年來，電子產品正朝著高性能、多功能和小型化方向發展，促使電子元件的集成程度不斷提高。精密點膠技術是微器件裝配過程的關鍵技術之一，是保證電子封裝質量的重要環節，已廣泛應用于微電子器件連接、集成電路制造、半導體封裝及裝配等領域[1]。隨著自動化程度越來越高，傳統點膠技術已經不能滿足微電子器件裝配精度需求，各種新型的點膠方法大量涌現。同時，使點膠分液技術也拓展應用于醫療保健[2]、液晶顯示[3]以及指紋鑒別[4]等領域。

點膠系統分為接觸式和非接觸式兩種類型，接觸式點膠法主要有時間/壓力型點膠法[5-6]、螺旋泵式點膠法[7]和活塞泵式點膠法，還有基于電潤濕[8]、介電泳[9]和熱毛細力[10]等驅動方式的點膠法。非接觸式點膠法主要有壓電驅動點膠法、氣壓驅動點膠法、超磁致伸縮驅動點膠法和電磁驅動點膠法等[11-12]。

接觸式點膠法的特點是需要膠滴與基板接觸，點膠時需要點膠針頭反復升降，效率較低，過程復雜；而非接觸式點膠不需要膠滴與基板接觸，也不需要點膠頭升降，只需點膠針頭在平面內沿指定軌跡行走，因此點膠效率高，但在高速噴射下難以精確控制出膠量[13]。

目前，應用最廣泛的接觸式點膠技術是時間/壓力型點膠法，該點膠技術通過脈動的氣壓擠壓針筒內活塞，將膠體從針頭擠出滴至基板，適用于中等黏度膠體，膠點的大小取決于氣體壓力及作用時間。設備便宜、操作簡單、維護方便、適用性好及方便清洗。但它受流體黏度影響較大，而且工作過程中易使膠體溫度升高，影響流體流變特性，溫度及針筒內膠量變化嚴重影響膠點大小的一致性[13-14]。

針對接觸型點膠系統受各因素影響而出現的膠點一致性差的問題，研發了點陣式微噴嘴點膠系統并設計了點陣式點膠噴嘴，通過點膠實驗分析了擠膠活塞速度對膠點重量一致性的影響。為防止出現兩個塊粘合時出現溢膠及缺膠現象，很有必要研究各膠點間的重量誤差。同時也為后續研發高效及高一致性點膠系統研究提供技術參考。

1 點膠系統

本點膠系統如圖1所示，包括計算機、PCB控制板、電動推桿、補膠箱、擠膠器、氣泵、氣閥及點膠裝置8個部分，計算機通過PCB控制板分別控制電動推桿及氣閥，其中電動推桿驅動擠膠器向點陣噴嘴提供一定量高壓膠，從而實現滴膠，氣閥控制著氣泵向氣缸提供高壓氣體，從而實現工作臺升降。

點陣噴嘴裝配結構如圖2所示，點陣噴嘴與噴嘴護板配合形成存儲光學膠的密封空間，二者的結合面通過密封圈密封形成整體并安裝在支撐板的方形孔中，玻璃放入點陣噴嘴正下方的工作臺的定位凹槽中。光學膠從噴嘴護板正上方的孔中進入，再通過點陣噴嘴擠出，滴在正下方的玻璃板上，形成點陣膠點。圖3所示為點陣噴嘴，利用點陣噴嘴，一次點膠即可完成高密度多點點膠。

2 點陣噴嘴受力變形仿真分析

吐膠噴嘴形狀影響著噴嘴對膠體的阻力，從而影響各噴嘴吐膠壓力的一致性，如果中間各噴嘴吐膠壓力超過邊緣噴嘴過多，則會導致中間噴嘴吐膠量過大，邊緣噴嘴吐膠量過小。

利用SolidWorks對點陣噴嘴進行建模，然后利用Ansys-Fluent軟件進行點膠過程的CFD數值模擬分析，模擬條件中假設空氣和膠都是不可壓縮的牛頓流體，忽略溫度對膠體粘度的影響。由于膠體從噴嘴擠出進入空氣中的過程是典型的兩相流問題，采用流體體積(VOF)顯式格式分析膠體外形變化，液相和氣相均劃分成四面體網格，選用PISO算法來適應非定常流動模型。設置光學膠黏度為1 000 mP·s，密度為1.02 g/cm3。在計算過程中設置膠體的供給流量為Q=16 mL/s，對應擠膠活塞速度v=1 000Q/πr2=20 mm/s計算得到，式中r為活塞半徑，其值為16 mm。

圖4所示為點陣噴嘴變形量仿真分析云圖，仿真得到Type-1、Type-2、Type-3和Type-4噴嘴內部膠體壓力分別為6.28、5.54、5.38和5.78 MPa，內部壓力引起的噴嘴平面的變形量均呈現由中間向四周逐漸變小趨勢，4種類型噴嘴中間的最大變形量達到0.593、0.485、0.422和0.534 mm。其中Type-4型點陣噴嘴小徑部分長度較短，導致受膠體壓力時中間部位變形量較大，Type-1型點陣噴嘴小徑孔長度較長，對膠體的阻力較大，導致內壓較大，因此受膠體壓力時中間部位變形量也較大，Type-3型噴嘴中間部位變形量最小，比較理想。

3 單個膠點重量誤差

利用Type-3型點陣噴嘴，分別在10、15、20、25、 30和35 mm/s的擠膠活塞速度下進行點膠實驗，每種噴嘴進行5次點膠，分別測量膠點重量求平均值。

圖5為點陣膠點位置標定圖。圖6為膠點重量分布圖，圖中深色部分為膠點重量高于0.017 5 g的膠點所在位置，淺色部分為膠點重量低于0.017 5 g的膠點所在位置，可見各擠膠活塞速度下，膠點重量均呈現中間大邊緣小的特點。由于膠體供給入口位于噴嘴護板中心處，使得中間噴嘴處膠體的壓力大，而邊緣處噴嘴的膠體壓力小，這就導致中間噴嘴點出的膠點偏大，四周噴嘴點出的膠點偏小。

4 討論

圖7所示為Type-3型點陣噴嘴膠點重量及重量標準差曲線，標準差越大表明膠點重量離散程度越大。由圖可見隨著擠膠速度增大，膠點重量平均值減小，這是由速度增大使得膠體受到的壓力增大導致膠體壓縮所致，由誤差棒可見，膠體壓力增大也導致了膠點重量離散程度的增大。由標準差曲線可見，隨著擠膠活塞速度增大，膠點的標準差也增大，擠膠活塞速度超過25 mm/s后，標準差增幅較大，表明膠點重量分布不一致程度增大。隨著膠體流速增大，膠體在進入噴嘴前的流動性質由層流變成了紊流[15]，這增大了膠體流動阻力，從而使膠體到達邊緣噴嘴時的壓力損失容易導致膠點重量分布不一致程度增大。擠膠活塞速度越小膠點一致程度越高，但點膠效率降低。25 mm/s是最佳的活塞擠膠速度，此時膠點平均值為0.017 42 g，膠點的最大誤差為1.53%。

5 結語

研發了點陣式微噴嘴點膠系統及點陣式點膠噴嘴，分析了擠膠活塞速度對膠點重量一致性的影響。

(1)點陣噴嘴受膠體壓力后的變形量呈中間大四周小的趨勢，Type-3型點陣噴嘴受膠體壓力后的變形量最小。

(2)Type-3型點陣噴嘴膠點重量由點陣噴嘴的中間向邊緣逐漸減小，膠點重量的一致性隨著膠體流速增大而變差，擠膠活塞的最佳速度是25 mm/s。