（机械电子工程专业论文）压电式点胶阀的结构设计与实验研究.pdf

摘要 摘要 微电子封装工业中关键的一环在于流体点胶技术，点胶速度、质量和操作性 能影响着封装产业的发展。随着微电子产品往尺寸更小、性能更强、功耗更低、 更环保的方向发展，流体点胶技术也正在经历着由传统的接触式点胶向非接触式 点胶的技术变革。作为非接触点胶技术的一个重要分支压电式点胶技术，由 于具有比机械式和气动式更高的喷射频率，在点胶市场上更具有应用价值和发展 潜力。但是目i j 国内不论是企业还是科研院所对非接触压电式点胶阀的研究尚处 于起步阶段。 本文的研究目的是开发一套由压电陶瓷驱动，具有高喷射频率性能且喷射胶 体黏度范围广的点胶阀，并搭建平台系统进行液滴喷射实验研究。具体的研究工 作主要包括以下几部分： ( 1 ) 分析并确定了影响非接触压电式点胶阀正常喷射的主要因素放大机 构的设计方案，并提出了放大机构最大输出位移为3 2 0 1 x m 的设计目标；初步分 析验证了点胶阀阀针发生挠曲的可行性及必要性；在了解压电陶瓷基础理论的基 础上，运用有限元软件a n s y s 仿真分析所选压电陶瓷的输出位移与输入电压关系 曲线，获得2 0 0 v 时压电陶瓷的最大输出位移为4 5 i - t m ，与实际测试结果基本相 同，并且能满足点胶阀对压电陶瓷部件的位移要求。 ( 2 ) 通过a n s y s 仿真，分析了放大机构的输出位移与拉紧螺栓预紧力f o 、螺 栓直径d 、三角块长度k 、压电陶瓷间距t 等结构参数之间的关系，并以优化后 的结构参数d = 2 m m ，l o = 2 m m ，t = 1 0 m m 等尺寸设计样机，实验结果表明，样机 放大机构的最大输出位移为3 2 0 p , m ，满足设计方案要求；放大机构的输出位移随 着施加电压幅值的增大而增大，与占空比无关；当驱动频率为o - - 6 5 h z 时，放大 机构的输出位移基本保持在3 2 0 1 a m 左右，达到6 5 h z ，将随着频率的增大而迅速 减小。 ( 3 ) 在初步分析液滴喷射理论的基础上，获得液滴的喷射速度和流率随着喷 嘴其细孔直径的减小或细孔长度的增大而减小的规律；并以细孔直径2 0 0 l x m 、长 度2 0 0 9 m 设计加工喷嘴。在解决点胶阀样机密封问题的基础上搭建了由样机、 压电式点胶阀的结构设计与实验研究 气动子系统、驱动电压控制子系统和胶点收集平台子系统等构成的平台。 ( 4 ) 通过对流体无量纲数w e b e r 数和o h n e s o r g e 数的分析，获得影响液滴喷 射形成及状态的主要因素为流体材料的密度、表面张力和黏度等；并在对比部分 流体材料属性后选择甘油为材料进行液滴初步喷射实验。实验结果表明：喷射胶 点的直径大小随着气动子系统所提供的压力、驱动压电陶瓷的方波电压幅值的增 大而增大。 关键词：流体点胶；非接触；压电陶瓷；放大机构 l i a b s t r a c t a b s t r a c t f l u i dd i s p e n s i n gi sak e yp r o c e s sf o rt h em i c r o e l e c t r o n i cp a c k a g i n g t h ed i s p e n s er a t e ， q u a l i t ya n do p e r a t i o np e r f o r m a n c ea r ea l s ot h ei m p o r t a n tf a c t o r st h a t d e f i n et h ed e v e l o p m e n to f p a c k a g i n gi n d u s t r y s m a l l e rs i z e ，h i g h e rp e r f o r m a n c e ，l o w e rp o w e ra n dm o r ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na r et h em a i nd e v e l o p m e n tt r e n do fm i c r o e l e c t r o n i ci n d u s t r y w i t h t h et e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t ，an e wt e c h n i c a lc h a n g ef r o mc o n t a c td i s p e n s i n g t on o n - c o n t a c td i s p e n s i n gi s p r e s e n t e df o rt h ef l u i dd i s p e n s i n g c o m p a r i n gw i t h m e c h a n i c a la n dp n e u m a t i cd i s p e n s i n g ， p i e z o e l e c t r i cd i s p e n s i n gh a sh i g h e rd i s p e n s i n gr a t et h a ta l s od i s p l a y ss t r o n g e ra p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n tp o t e n t i a l a san o v e ld i s p e n s i n gt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c ho fp i e z o e l e c t r i cd i s p e n s i n g i ss t i l la tt h ei n i t i a ls t a g ea n dt h e r em u c hm o r ew o r k sn e e d e dt ob ed o n e t h i sw o r kf o c u s e d o nt h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn o v e ld i s p e n s i n gv a l v et h a ti sd r i v e db yt h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s a n ds a t i s f i e st h ed i s p e n s i n gr e q u i r e m e n to fg e lw i t hl a r g e rv i s c o u s er a n g e a n dt h e n ，d r o pj e t t i n g e x p e r i m e n t sa r ed o n e t os t u d yt h ed i s p e n s i n gc h a r a c t e r so ft h i sp i e z o e l e c t r i cv a l v e ( 1 ) t h em a i n f a c t o r st h a ta f f e c tt h en o n c o n t a c td i s p e n s i n go fp i e z o e l e c t r i cv a l v ea r e a n a l y z e d ，a n dt h e nt h ed e s i g ns c h e m eo fd i s p l a c e m e n ta m p l i f i e ri s p r o p o s e d ，a n dt h eh i g h v i s c o s i t yd r o pj e t t i n gr e q u i r e sa m p l i f i e rh a sad i s p l a c e m e n to u t p u t t i n go f3 2 0 p m t h ee s s e n t i a l a n df e a s i b l eo fr o df l e x u r ed u r i n gt h ep i e z o e l e c t r i cv a l v eo p e r a t i o ni sv a l i d a t e d f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o ns o f t w a r ea n s y si su t i l i z e dt oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t p u t t i n g d i s p l a c e m e n ta n dt h ea p p l i e dv o l t a g e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m a ld i s p l a c e m e n to f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c si s4 5 p r nw h e na p p l i e dv o l t a g ei s 2 0 0 v , w h i c hi sa c c o r dw i t ht h et e s t i n g r e s u l t sa n ds a t i s f i e dt h ed i s p l a c e m e n tr e q u i r e m e n to fd i s p e n s i n gv a l v e ( 2 ) t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no u t p u t t i n gd i s p l a c e m e n ta n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，i n c u l d i n g b o l tp r e t i g h t e n i n gf o r c ef 0 ，b o l td i a m e t e rd ，t h el e n g t ht r i a n g u l a rp r i s ml 0 ，t h es p a c eb e t w e e n p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c st a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h eo p t i m i z es t r u c t u r ep a r a m e t e r s a r e d = 2 m m ，l 0 = 2 m m ，t = 1 0 m m ，t h em a x i m a ld i s p l a c e m e n to fa m p l i f i e ri s3 2 0 9 i nt h a t c a n s a t i s f i e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t t h eo u t p u t t i n gd i s p l a c e m e n to fa m p l i f i e ri n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n go fa p p l i e dv o l t a g e ，b u t d o c s n tc h a n g ew i t ht h ed u t yc y c l e t h eo u t p u t t i n g d i s p l a c e m e n tm a i n t a i na t3 2 0 1 舡n ，w h e nt h ef r e q u e n c yo fa p p l i e dv o l t a g er a n g e sf r o m0 t o6 5 h z i i i b u tt h eo u t p u t t i n gd i s p l a c e m e n t d e c r e a s i n gq u i c k l yw i t ht h ei n c r e a s i n go fa p p l i e d v o l t a g e f r e q u e n c y , w h e nt h ef r e q u e n c yh i g h e rt h a n6 5 h z ( 3 ) t h ed r o pe j e c t i o nv e l o c i t yi n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s i n go fn o z z l ed i a m e t e ra n dt h e i n c r e a s i n go fs l e n d l e ro r i f i c el e n g t h ，w h i c hw a si n v e s t i g a t e db a s e do nt h ed r o pe j e c t i o nt h e o r y a n dt h e n ，t h en o z z l ew i t hs l e n d l e ro r i f i c ed i a m e t e ro f2 0 0 p r o ，l e n g t h2 0 0 1 l mw a sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d t h ed i s p e n s e rv a l v eh a sg o o ds e a ll e a kt i g h t n e s s ，t h e na ne x p e r i m e n ts y s t e m i n c l u d i n gd i s p e n s e rv a l v e ，p n e u m a t i cs u b s y s t e m ，d r i v i n gv o l t a g es u b - s y s t e ma n dd i s p e n s e rd r o p c o l l e c t i n gs u b - s y s t e mw a sb u i l tu p ( 4 ) d i m e n s i o n l e s sw e b e rn u m b e ra n do h n e s o r g en u m b e rw e r ea n a l y z e d ，w h i c hs h o w e dt h a t t h ed e n s i t y , s u r f a c et e n s i o na n dv i s c o s i t yw e r et h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sf o rt h ed r o pe j e c t i o n p r o c e s sa n ds t a t u s g l y c e r o li su s e da sd i s p e n s i n gm a t e r i a l s ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e d i a m e t e ro fd i s p e n s i n gd r o pi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fp n e u m e t i cp r e s s u r e ，p i e z o s t a c kd r i v e v o l t a g e k e y w o r d s ：f l u i dd i s p e n s i n g ；n o n c o n t a c t ；p i e z o s t a c k ；d i s p l a c e m e n ta m p l i f i e r i v t a b l eo fc o n t e n t a b s t r a c t i i i 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1f l u i d d i s p e n s i n g 1 1 2c o n t a c td i s p e n s i n g 2 1 2 1p i nt r a n s f e r i n ga n ds t e n c i lp r i n t i n g 2 1 2 2m e t e r i n gv a l v ea n dp u m pd i s p e n s i n g 3 1 2 3t i m e p r e s s u r ed i s p e n s i n g 4 1 3n o n c o n t a c td i s p e n s i n g 4 1 3 1m e c h a n i c a ld i s p e n s i n g 4 1 3 2p n e u m a t i c a ld i s p e n s i n g 6 1 3 3p i e z o e l e c t r i c a ld i s p e n s i n g 7 1 4t a r k sa n dw o r k s 1 0 2a m p l i f i e rm e c h a n i s md e s i g na n dp i e z o s t a c ks e l e c t i o n 1 3 2 1a m p l i f i e rm e c h a n i s md e s i g n 1 3 2 1 1r e v i e wo fa m p l i f i e r s 13 2 1 2m e c h a n i s md e s i g n 1 4 2 2p i e z o s t a c k 1 6 2 2 1s t r u c t u r eo f p i e z o s t a c k 1 6 2 2 2c h a r a c t e r i s t i c so f p i e z o s t a c k 18 2 3s e l e c t i o na n ds i m u l a t i o no fp i e z o s t a c k 2 2 2 3 1s e l e c t i o no f p i e z o s t a c k 2 2 2 3 2s i m u l a t i o no f p i e z o s t a c k 2 2 2 4o t h e r s 2 5 2 4 1o p e r a t i o nc a u t i o no f p i e z o s t a c k 2 5 2 4 2s e l e c t i o no f p i e z o e l e c t r i cd r i v e r 2 7 2 5s u m m a r y 2 7 3s i m u l a t i o na n dt e s t so fd i s p l a c e m e n ta m p l i f i e r 2 9 3 1s i m u l a t i o na n a l y s i so fd i s p l a c e m e n ta m p l i f i e r 2 9 3 1 1s t a t i cs i m u l a t i o na n a l y s i s 2 9 3 1 2d y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i s 3 4 3 2e x p e r i m e n tt e s t so fd i s p l a c e m e n ta m p l i f i e r 3 5 3 2 1t e s t so nd i f f e r e n ta m p l i t u d eo fs q u a r e - w a v ev o l t a g e 3 6 3 2 2t e s t so nd i f f e r e n t d u t yo fs q u a r e - w a v ev o l t a g e 3 7 3 2 3t e s t so nd i f f e r e n tf i e q u e n c yo fs q u a r e w a v ev o l t a g e 3 8 3 3s u m m a r y v i i 4 0 s t r u c t u r a ld e s i g na n de x p e r i m e n t so np i e z o e l e c t r i cd i s p e n s e r 4t h e o r ya n a l y s i so fje t t i n ga n dd i s p e n s e rs y s t e ma s s e m b l i n g 4 3 4 1t h e o r ya n a l y s i so fj e t t i n g 4 3 4 1 1j e t t i n gp r i n c i p l e 4 3 4 1 2j e t t i n gv e l o c i t ya n a l y s i s 4 4 4 1 3j e t t i n gf l o wr a t ea n a l y s i s 4 5 4 2d i s p e n s e rs y s t e ma s s e m b l i n g 4 6 4 2 1p r o t o t y p es e a l i n g 4 6 4 2 2s y s t e ma s s e m b l i n g 4 7 4 3s u m m a r y 4 9 5i n i t i a le x p e r i m e n t so fje t t i n gd i s p e n s e r 51 5 1s e l e t i o no ff l u i d 5 1 5 1 1t w om a j o rd i m e n s i o n l e s sn u m b e r s 51 5 1 2p r o p e r t i e so f s o m ef l u i d 5 ：1 5 2i n i t i a lj e t t i n ge x p e r i m e n t sw i t hg l y c e r o l 5 3 5 2 1e x p e r i m e n t so nd i f f e r e n tp r e s s u r e 5 3 5 2 2e x p e r i m e n t so nd i f f e r e n tv o l t a g e 5 z l 5 3s u m m a r y 5 5 6c o n c l u s i o n sa n df u t u r ew o r k s 5 7 6 1c o n c l u s i o n s 5 7 6 2f u t u r ew o r k s 5 8 r e f e r e n c e s 5 9 p u b l i c a t i o n s 6 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 5 v i i i 第一章绪论 第一章绪论 现代微电子封装技术是i c 技术产业的重要组成，与i c 的设计、制作工艺称 为i c 产业的三大支柱n 1 。在微电子封装技术中使用流体材料的工艺越来越多， 所使用的流体点胶技术也迅速发展。上世纪七十年代，芯片的封装主要采用引 线框架、芯片粘结、引线键合以及模塑料包封等工艺流程，印刷电路板( p c b ) 的组装则由波峰焊设备和贴片机完成，其中涉及到流体涂敷的两步工艺是芯片 粘结和暂时性的焊料掩模。随着混合组装和表面贴装技术( s m t ) 的发展，涉及 到流体涂敷工艺的材料增加了焊膏、表面贴装粘结剂、芯片粘贴材料、包封材 料、焊料掩模材料以及芯片涂敷材料。上世纪八十年代后期，对更高速度、更 高性能器件的需求驱动半导体封装向面阵列封装发展，引入了坝式结构和填充 材料、包封材料，倒装芯片用芯片底部填充料也首次得到大规模应用。随着电 子产品往尺寸更小、性能更强、功耗更低、更环保的方向发展，对流体材料、 粘结剂、涂层材料、包封材料、焊膏和助焊剂等有着更多的需求瞳引。 流体点胶技术已经成为微电子封装领域中一个不可或缺的组成部分，在液晶 显示器( l c d ) 、手机触摸屏、片上实验室生物技术、光学微透镜和m e m s 器件等 方面都有着广泛的应用，尤其在超大规模集成电路封装和表面贴装中表现出更 为重要的作用。随着微电子封装技术的不断发展，流体点胶技术本身也在经历 一场由针管接触式向喷射非接触式的转变h 刊。流体点胶技术同渐成了微电子 封装领域重要的研究内容，吸引了学术界和工业界的广泛关注。 1 1 流体点胶技术 这项技术是以一种受控的方式对流体进行精确分配的过程，其作用是将体积 大小适合的流体( 比如焊剂，导电胶、环氧树脂和粘连剂等) 转移到工件( 芯片、 电子元件等) 的合适位置，以实现元器件之间机械的或电气的连接或者密封。流 体点胶技术可完成点、线、面( 涂敷) 的制备，主要应用于芯片固定( d i e a t t a c h o rd i e - m o u n to rd i e b o n d ) 、封装倒扣( u n d e r f i l lo rf 1i p c h i pt e c h n o l o g y ) 和芯片涂敷( d i e - c o a t i n go rd a ma n df i l l ) 。点胶系统的操作性能、点胶速度、 压电式点胶阀的结构设计与实验研究 胶点一致性和定位精度成为流体点胶水平的主要决定因素。开发适合于多种流 体材料的高性能、柔性点胶设备以实现流体体积和点胶位置的精确控制，已经 成为了微电子封装产业的重要发展趋势。 根据原理不同，点胶技术大致可分为接触式和非接触式，其点胶过程如图 1 1 所示。接触式点胶是依靠点胶针头移动使胶液与基板接触，并延时一段时间 使胶液浸润基板后，点胶针头向上运动使胶体发生分离，微量胶体依靠和基板 之间的粘性力吸附于基板从而形成胶点，或通过控制点胶位置形成直线或其它 简单图形。而非接触式点胶则是通过某种动力方式驱动一微束胶液以一定速度 喷出，喷出的胶液会发生断裂形成胶点，然后在基板上沉积从而实现点胶操作， 胶液喷射过程中针头无z 轴方向的位移比1 。接触式点胶发展较早而且相对成熟， 市场应用较广；而作为一种新兴的点胶技术，非接触式点胶减少了z 轴的运动 部件及高度位置传感器，能够在接触式点胶受限的空间里进行喷射、提高了胶 点体积及定位的控制精度，更能。, 啊- - g , - 足微电子封装产业的发展需求。 一雷 圣 图1 1 接触式和无接触式点胶示意图口川 1 2 接触式流体点胶 1 2 1 大量式点胶 大量式点胶包括针转移式( 图1 2 ( a ) ) 和丝网或模板印刷式( 图1 2 ( b ) ) 。 这两种传统的点胶方式点胶速度快，主要用于印刷电路板( p c b ) 等大规模生产 线上，但缺乏柔性，点胶精度不高且一致性差，并由于胶体暴露在空气中，容 易受到污染；针转移式在转移的流体比较少的时候容易被风干，丝网印刷式只 适用于比较平整的表面，限制了其在集成电路版上的广泛应用7 刮0 2 第一章绪论 恤援- - - 转移武 h 鹌阳印剃 ( a ) 针转移式图( b ) 摸扳印刷式 图1 2 大量式点胶 1 2 2 计量管式和活塞式 继大量式点胶之后，经过长期探索和研究相继出现了如计量管式和活塞式 等新型点胶方式，如图1 3 所示。它们都是通过压力驱动胶液流出，可获得直 径较小的胶点。计量管式也叫阿基米德计量管( a r c h i m e d e sm e t e r i n gv a l v e ) 点胶是由螺杆旋转提供连续压力，迫使胶液沿着螺线运动后从针头流出，能容 易地画出线和圆等连续图案，但点胶量大小与螺杆几何参数、胶体的黏度有关。 活塞式靠马达驱动活塞控制腔体内胶液的流动，使胶液从针头挤出；该装置由 于活塞控制的是腔体的体积而非胶液的压力，避免胶液特性变化的影响，因此 点胶一致性好，但胶量也难控制，且清洗复杂，要求良好密封h 一剖。 ( a ) 计量管式点胶( b ) 活塞式点胶 图1 3 计量管式和活塞式点胶示意图 3 压电式点胶阀的结构设计与实验研究 1 2 3 时间压力型 现在工业界广泛应用的是时间压力型点胶，最早是被应用于表面贴装技术 ( s m t ) 中，它通过脉动的气压挤压针筒内活塞，将流体通过底部针头挤出至基 板，如图1 4 所示。 试镎 盼头 图1 4 时间压力型点胶示意图 该点胶技术适用于中等黏度的流体，胶点的大小取决于气体压力和作用时 间。这种设备便宜、操作简单，维护方便，适用性好；但另一方面，它对流体 黏度敏感，气压反复压缩释放过程中易使流体温度升高影响流体流变特性和形 成胶点的一致性，造成点胶速度难以提高，点胶一致性相对其它方式差。另外， 随着针筒内的胶量改变，胶点的大小会随着变化，响应速度变慢h 7 ，圳。 1 3 非接触式点胶 1 3 1 机械式 非接触机械式点胶在电子制造业中已得到很好发展，主要用于喷射高黏度 流体。在此种喷射方式下，只需要流体以相对较低的压力引入到料腔中。通常 芯片下填充粘结剂的压力小于0 1 m p a ，液晶之类的低黏度材料压力在0 0 1 m p a 左右口j 驯。如图1 5 所示，料筒中的流体通过供料系统压力作用流入阀腔，当阀 杆向上运动时，流体流入阀腔内；由于喷嘴直径非常小并且供料系统提供的压 力足够大，空气无法从喷嘴位置抽入到系统中。随后将阀杆以设定的速度快速 向下运动，同时带动流体流动，直到与阀座接触，迫使一束流体从喷嘴喷射出 去2 ，1 们。 4 第一章绪论 图1 5 机械式喷射点胶技术( a s y m t e k ) n 妇 在喷射过程中，喷嘴与阀座恰好接触之前，定体积的流体被卡在中间位 置，并只能经过喷嘴位置才能流动，这部分流体受到的压力非常高，如图1 6 所示。此时，喷嘴处流体动量急速增加，这部分流体可获得足够速度飞离喷嘴 以形成喷射。该技术的优点在于其喷嘴位置可以获得很高的局部压力，可以喷 射黏度很高的流体。缺点是喷射胶点尺寸较大，且结构复杂，喷射频率低瞳 1 。 这类点胶设备国内院校研究比较多，有华中科技大学和上海大学等；其中中南 大学的邓圭铃教授从模型及实验两方面深入分析了影响液滴喷射速度和流率的 因素：温度、驱动参数及喷嘴等结构参数纠6 。，为机构设计提供了重要的参考。 图1 6 流体喷射速度分布 压电式点胶阀的结构设计与实验研究 1 3 2 气动式 2 0 0 2 年，多伦多大学的c h a n d r as 和j i v r a jr 提出了一种以气体压力直接 驱动的按需微滴喷射技术n 7 。1 9 3 ，其结构如图1 7 ( a ) 所示。通过电磁阀高速的开、 关以及t 型接头处放气孔的放气作用，高压气体在装有流体的腔内形成压力脉 冲，推动流体从安装在腔体底部的喷嘴中喷出，形成微滴。该装置结构简单， 能在高温条件下工作，可喷射材料范围广泛，但驱动脉冲压力直接作用在液面 上，而液面会随着喷射的进行逐渐下降，因此驱动压力作用点的变化会导致喷 射不稳定并造成液滴的可控性较差。 量一蕊体 国酗 圉( a ) 图1 7 气动式喷射阀( a ) 无膜片式；( b ) 膜片式 华中科技大学在此基础上则提出了气动膜片式按需喷射啪喇1 ，结构如图 1 7 ( b ) 所示，主要包括储料腔、气体驱动腔、液体腔、节流装置、膜片、喷嘴 以及电磁阀和放气孔等部分，以膜片分离气体驱动腔及液体腔，以压缩气体脉 冲激励膜片变形改变液体腔体积，从而形成可控微液滴。其工作过程如图1 8 所示：首先，在储料腔上方施加背压设定喷射初始状态，液体由于表面张力的 作用在喷嘴出口处形成稳定的“新月型 液面；其次，开启电磁阀使压缩气体 进入气体驱动腔，腔内压力随之上升，导致膜片变形和液体腔体积的减小，这 时一部分液体被挤出喷嘴形成射流；接着，关闭电磁阀，气体驱动腔内压力通 过放气孔迅速释放而下降，促使膜片恢复形变，液体腔内压力也随之下降，喷 6 第一章绪论 嘴处的射流速度减小甚至出现回流，而前端射流由于惯性力的作用其速度基本 保持不变，因此，射流开始形成颈缩；最后，在表面张力、惯性力以及后端射 流的回拉作用下，颈部断裂并形成液滴喷出，而射流后端部分将回缩至液体腔， 膜片也将回到初始状态，开始下一轮的喷射。气动膜片式与气动式一样存在电 磁阀响应时间长的问题，限制了液滴喷射频率的提高，其喷射频率最高不超过 】0 0 h z 。 1 3 3 压电式 图1 8 气动膜片式液滴喷射过程示意图 目前压电式喷射装置根据喷射胶液的黏度高低主要分为低黏度和高黏度压 电喷射两大类。 低黏度压电式喷射点胶装置心4 2 即是利用压电陶瓷在电压作用下发生形变的 原理，即压电陶瓷的逆压电效应；将压电陶瓷置于液腔基底的膜片后，当电压 施加到压电陶瓷上，压电陶瓷随之产生机械震动，震动以声波的形式传播到喷 嘴尖端，声波的正压能使喷嘴尖端的液体加速，如图1 9 所示。此时，惯性力 克服表面张力作用，使液流分裂成液滴喷出。而声波的负压会使喷嘴内部形成 局部真空，并从进液系统中吸入液体，为下次喷射做准备。低黏度压电式喷射 点胶的控制精度高，设备结构简单，可以获得直径小至1 0 p m 的胶点，而且喷射 频率高，可以达到2 0 k h z 。但只能喷射黏度小于3 0 c p s 的流体材料，而且流体中 存在气泡会导致喷射困难n 们。 7 压电式点胶阀的结构设计与实验研究 膜片 墨水 图1 9 低黏度压电式喷射点胶结构图 高黏度压电式喷射点胶装置，其喷射机理是胶体在处于相对大气压较高的 压力下，通过快速开启喷嘴获得足够动量，从喷嘴的细孔处形成流束喷射出， 然后再快速关闭喷嘴，使喷射出的胶体束切断形成胶点，并在基板沉积。高黏 度压电式喷射点胶装置一般具有微位移放大机构，能够喷射较高黏度的胶液。 该类典型的设备如德国p i c o d o s t e c 公司p i c d o t 系列产品，结构示意图如图1 1 0 所示。其压电陶瓷与一个杠杆系统或者位移放大机构配合使用，带动阀杆上下 运动，实现精确快速的阀门丌启与关闭动作。该设备具有阀杆与喷嘴打开和关 闭的动作快速且重复性好，获得的胶点尺寸小，且一致性良好；喷射频率最高 可达2 0 0 点秒；并且喷射胶体的黏度高、黏度范围广等特点，可广泛应用在微 机电、微光学、片上实验室生物技术等方面。此类喷射设备国外的生产厂商有 p i c o d o s t e c 、d e l o 和y e r m e s 比1 训，目前国内较少研究。 l 羔j 黼孑声 喷静 图1 1 0p i c d o t 公司压电式喷射点胶阀 非接触式点胶的研究是最近l o 年才刚起步，技术相对还不成熟，这项技术 主要是采用瞬间动力驱动胶液喷出，使流体材料沉积到基底的固定位置上，如 第一章绪论 图1 1 1 所示。每次喷射只能得到一个胶点，通过逐次叠加可以得到其他形式的 图案，其应用的流体黏度范围广，几乎可以喷射用于电子封装中各种流体呻1 ，而 且喷射速度快、胶点一致性好、可以适应很复杂的封装环境，实现液滴的准确 定位等。传统的接触式点胶是依靠点胶针头移动使胶液与基板接触，因此具有 不可避免的应用缺陷：针头与元件靠的很近容易损伤元件；针头需做z 轴位移， 影响了点胶速度；设备需配置高度传感器精确控制z 轴位移，增加了控制难度、 提高了设备成本；针头点胶无法到达空间狭小的地方，限制微电子产业小型化 的发展进程口7 8 1 1 瑚瑚1 。非接触式与接触式的点胶性能对比见表1 1 ，从表中 我们也可以发现，非接触式点胶具有明显的技术优势，其一致性误差控制在2 以内，最大点胶速度能够达到5 0 0 0 0 点d , 时以上。随着微电子封装技术往高密 度、超小型、超高集成度和三维封装的方向发展，非接触式点胶代替传统的接 触式点胶是一种必然的产业发展趋势啪1 。 。匝幽。匝幽。匝螂 巴j 一羔j 巴j _ 篓j 巴- - 望j 图1 1 1 无接触式喷射点胶示意图 表1 1 ：典型点胶方式性能对比峨1 0 别 接触一针头点胶非接触式喷射点胶 点胶性能 机械气动压电 计量管式活塞式时日j ，压力型 式式式 1 5 , 0 0 0 l5 0 01 0 0 0 黏度范围( c p s ) - 6 0 c 旧0 0 5 , 0 0 0 ，0 0 0- 2 0 , 0 0 0 - 10 0 ，0 0 0 最小胶滴直侉( r a m ) o 2 0 o 2 5o 3 5 o 3 0 一致性误差土5 2 土l o s t 2 最大点胶速度( 点4 , u t ) 4 0 0 0 0 3 6 0 0 0 2 5 0 0 0 5 0 0 0 0 以i ： 近年来，点胶技术正在经历一场由接触式向非接触式转变的革命，国外已 有多家公司从事非接触式点胶设备研究和开发，例如美国n o r d s o n 集团的 a s y m t e k 、p i c o d