pL級超微量點膠筆的開發及其在封孔中的應用

張 勤，葉斯倫，羅 凱,徐 策

(1. 華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510641； 2. 中國文昌航天發射場，海南 文昌 571300)

1 引 言

膠粘接技術是微裝配技術的重要組成部分，微裝配中的膠粘接主要應用于微小零件之間的固定、連接及密封等方面，并廣泛應用在微電子器件連接、LED封裝及微型系統制造等領域[1-2]。隨著微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的迅猛發展和機械電子產品的微小化，對微量膠粘接技術提出了更高的要求，在微觀尺度下，如何實現高可靠性膠粘結是微裝配中的重要研究課題。

點膠分液的機理、設備的構成、控制過程和工藝直接影響膠粘接質量和可靠性，點膠分液技術是微裝配膠粘接技術的核心。在微量膠液分配技術上，主要分為接觸式和非接觸式兩種方法。接觸式點膠[3-4]方法主要有時間/壓力式、螺桿泵式、活塞泵式、針式轉印式和絲網印刷式分配方法。非接觸式主要有噴射式點膠[5]，與接觸式膠液分配方法相比，噴射式分液特點是速度快，效率高，出膠量小，但一般只適用于低黏度膠液。基于上述的分液技術，目前商業用點膠機的最小膠量可以控制在2 nL左右，國內微機械裝配中使用到的最小單滴膠量大約為10 nL左右[6]，不能滿足pL級的膠量控制要求。為此國內外學者作了大量研究工作。

在pL級點膠技術應用上，史亞莉等人[6-7]基于時間/壓力式分配原理，通過改進細胞實驗用的微注射器，搭建了一個pL級點膠平臺，實現了靶丸充氣管膠接密封裝配，最小膠量為2 pL,但提出的方法僅適用于黏度小于500 cp的膠液，且輔助設備較多。Saurabh Mishra等人[8]提出一種壓電驅動式噴射點膠系統，能獲取的最小液滴體積可達到30 pL，并且液滴體積一致性誤差可以控制在6%以內。Cade B. Fox等人[9]成功將pL級噴射式液滴分配裝置應用到藥液填裝中，通過控制電壓、脈沖寬度和頻率能精確控制單顆液滴的體積，可控體積范圍為50～800 pL，平均填裝速度是400個/min。文獻[10]提出了一種微球點膠封孔裝置，使用直徑11 μm的碳絲點蘸膠液，利用碳絲側面黏附的微小膠球覆蓋微孔，實現了直徑幾十微米小孔的密封，這種裝置結構簡單，尺寸小，雖然可實現狹小空間內的超微量點膠，但是由于碳絲點蘸膠液,其側面形成膠滴大小受多種因素影響，攜帶的膠量隨機性大，控制非常復雜，影響了膠斑的一致性。本課題組[11]提出一種轉印式pL級點膠方法，該方法可以適用的黏度范圍廣(1～350 000 cp)，通過匹配移液針尺寸、移液針先端與點膠面之間的微小距離，控制點膠量，最小點膠量可以控制到pL級。在此基礎上，文獻[12]通過仿真和實驗研究了影響pL級點樣性能的因素。

綜合國內外微量膠粘結技術現狀可以看出，雖然在點膠分液單元技術方面取得了很大進步，但目前應用在微裝配中的pL級點膠裝置，仍然存在適用黏度范圍窄，設備復雜的問題。由于點膠裝置中針頭結構和噴射壓力的限制，現有的點膠設備目前還很難應用于小空間內的微裝配中。為了解決這個問題，本研究基于轉印式pL點膠原理，開發了pL級超微量點膠筆，體積小，重量輕，適用黏度范圍廣，裝夾方便，便于清洗，滿足小空間內微裝配的需求。

2 pL級自動點膠筆的結構

點膠筆采用轉印式分液原理，通過移液針穿過裝有膠液的玻璃微管，獲取膠滴，利用膠滴在點膠面上的轉移分離，實現超微量點膠[11]。通過改變移液針先端的尺寸、調整移液針吸附的微小液滴與點膠面的接觸量，可以容易地控制膠斑的大小[12]。自動點膠筆的結構如圖1(a)所示，由針芯

圖1 pL級超微量點膠筆Fig.1 pL-magnitude ultra-micro dispenser

組件、針筒組件、運動控制組件和儲液微管組成。針芯組件實現移液針的裝夾固定，按動移液針調整拴，可以調整針頭的長短，也可以方便地更換移液針，適應不同的應用需求，同時方便移液針的清洗維護。移液針的材料可以是鎢絲棒也可以是碳纖維，鎢絲棒采用電化學方法加工成需要的尺寸，再通過電火花研磨尖端制成。針筒組件為針芯組件提供移動的軌道，其外側形狀可以根據點膠筆的固定需求進行設計。運動控制組件驅動針芯組件上下運動，采用微型電機作為動力源，重量3.8 g，最小分辨率為0.24 μm/step，最大行程為7 mm。儲液微管材料為玻璃，利用毛細原理儲存膠液，儲液微管與針筒組件采用磨口連接，便于儲液微管的更換。開發的pL級自動點膠筆的實物如圖1(b)所示。點膠筆的全長僅為65 mm，滿足小空間內點膠要求。實際使用時，點膠筆的控制電機連接驅動器,通過USB接口連接到上位機上，通過軟件控制點膠筆的點膠速度、點膠行程和點膠次數，連接示意如圖2所示。點膠筆可以單獨使用，也可以根據要求搭載在微動平臺上使用。

圖2 點膠筆控制連接示意圖Fig.2 Dispenser control connection diagram

3 實驗研究

3.1 實驗方法

超微量封膠的實驗平臺如圖3所示。點膠筆裝夾固定在三自由度的電動微操縱平臺上(美國Sutter的MP-285，分辨率0.2 μm/step)，實現對點膠位置的精確定位。操作對象固定在多自由度微動平臺上(KOHZU)，實現微零件的位置和姿態調整。在相互垂直平面內(xoz,yoz)，分別設置水平和45°方向兩路顯微視覺(NAVITAR鏡頭，Baumer CCD)。水平面內x,y方向布置的兩路顯微視覺，放大倍數較低，可獲取目標對象的整體輪廓信息；45°方向的視覺具有較高放大倍數，可以觀測封膠局部的信息。通過顯微視覺反饋，實現封膠過程的多維實時觀察與精確定位。實驗過程中圖像信息實時傳輸到計算機，便于觀察與記錄。

圖3 超微量點膠平臺示意圖Fig.3 Ultra-micro dispenser platform diagram

3.2 重復性實驗

實驗所使用的移液針是經過電解研磨加工而成，將移液針安裝到點膠筆的筆芯組件中，并調整其長度，使其長于微管先端2 mm。將點膠筆安裝并固定到電動微動平臺上。點膠筆的控制電機連接驅動器后，通過USB接口連接到上位機上，使用軟件控制點膠筆的點膠速度、點膠行程和點膠次數。為了便于測量，點膠面使用玻璃載玻片，實驗前放在超聲波洗凈器中用酒精洗凈、搽干，并安裝在微動平臺上粘結固定，根據點樣速度節拍控制微動平臺移動，可以實現多次點樣。點樣后載玻片上的微小膠滴分配量通過顯微鏡( Nikon MM-400)進行觀察和測量，根據測得的膠斑直徑、高度和接觸角，可以計算膠斑的體積。

依次選用不同直徑的移液針進行重復性點膠實驗，驗證點膠筆性能。移液針先端直徑分別為25 μm，35 μm，50 μm，考慮玻璃載玻片的長度和視野，設定每組實驗點樣7次，實驗所用膠液為低溫膠。待點膠12 h后，膠斑完全固化，對各膠斑x，y兩個方向的直徑進行測量，取其平均值作為測量結果。重復點膠過程和膠斑情況如圖4所示。圖5是尖端直徑不同，其他條件相同的點膠重復性實驗結果，3組實驗(直徑25 μm,35 μm,50 μm)的膠斑直徑的均方差分別是0.97，1.25，1.11。3組實驗均有很好的重復一致性，此點膠方法可靠。

圖4 重復點膠過程與膠斑Fig.4 Repeatability experiment and glue spot

圖5 重復點膠的實驗結果Fig.5 Repeatability experiment results

3.3 封孔實驗

3.3.1 封孔要求與封膠效果

某工程上要求在直徑為700 μm，壁厚為20 μm的微球上，用膠封其上直徑為5～20 μm的微孔，且要求封膠過程在內徑170 mm，長度350 mm的密閉柱形空間內進行。在微米級尺度效應下，微米級微孔的封裝是微裝配的難點，特別是在小空間內微孔封裝，目前的點膠方法和工藝還很難實現。微米級微孔的密封有覆蓋式封孔和插入式封孔兩種方法，采用開發的pL級自動點膠筆，嘗試了不同工況下的封孔實驗。由于目前檢測設備的局限性，使用CT掃描也無法較好地觀測到1 μm像素點的介質厚度，所以對于微孔封膠實驗結果的密封性評價主要通過顯微鏡(Nikon MM-400)觀測膠接部位的膠斑位置、形貌，包括膠斑直徑，膠斑高度信息，再利用膠液的透明性和固化后其膠斑表面對反射光敏感的特點進行判斷。顯微鏡觀測時，通過LED頂光光源照射膠斑，根據其表面是否呈現亮度狀態來進一步判斷微孔的密封狀況，如果膠斑表面呈現一塊亮白光圈則說明微孔已經完全密封。實驗中的封膠體積是根據測得的微孔上下膠斑大小、高度和接觸角計算得到。以下封孔實驗數據均為經過檢測，成功膠封的結果。

3.3.2 覆蓋式封孔實驗

密封腔內壓力為常壓下的封孔實驗。當微孔直徑d≤10 μm時，采用覆蓋式封孔方法，選擇移液針直徑D/d≥4，可以實現有效密封。

首先篩選微孔直徑為5 μm的實驗微球，依次對其進行編號、分組，每組實驗使用不同直徑的移液針。點膠筆安裝在密封腔內的微動平臺上，其控制線通過密封接頭轉接線插到腔外的電機驅動器上，并與電腦相連。實驗中選用的膠液黏度為15 p的低溫膠，每組實驗，多自由度微動平臺上放置7個微球，在相同條件下進行封孔實驗。移液針先端直徑為25 μm時，封膠過程如圖6所示。膠斑的測量如圖7所示，封膠后的各微孔上形成的膠斑直徑平均為24 μm，高度為10 μm，體積約為4.4 pL。

圖8為移液針直徑不同(25 μm，35 μm，50 μm)情況下，5 μm微孔封裝實驗結果,重復性精度分別是93.9%，95.8%，94.7%。隨著移液針直徑增大，對應的膠斑直徑增加，封膠量增加，實際應用中可以根據膠斑要求，選擇合適的移液針直徑。

圖6 常壓下覆蓋式封膠實驗Fig.6 Hole-sealing on covering method under normal pressure

圖7 膠斑的測量Fig.7 Measuring result of glue spot

根據特殊工藝要求，有時需要通過加壓的方式，從微孔向微球內充入需要的氣體，然后再對微孔進行密封。將點膠筆安裝在腔體內密封，首先需要對密封腔抽真空，然后再充入某種氣體，壓力達到0.5 MPa，持續此壓力保證微球內充滿氣體后，進行封孔密封操作。實驗發現在密封腔內壓力變化時，點膠筆儲液微管內膠液會出現氣泡和滴出現象，影響了點膠筆的使用，如圖9所示。

圖8 移液針直徑對封膠量的影響Fig.8 Glue volume under effect of needle′s diameter

圖9 儲液微管中膠液的氣泡和滴出現象Fig.9 Gas saturation bubbling phenomenon in microtube

這主要是由于膠液的溶液度受壓力變化造成，只要實驗前預先通過高速離心機預處理混合后的膠液，就可以避免上述現象發生，在微球表面得到質量均勻的膠斑。

圖10 0.5 MPa壓力下封孔實驗結果Fig.10 Hole-sealing result under 0.5 Mpa pressure

圖10為移液針直徑為35 μm，預處理膠液，黏度為8 p，5個微球上微孔直徑為10 μm的封膠實驗結果，形成表面膠斑平均直徑為34.6 μm，膠斑平均厚度為10.8 μm，重復精度分別為81.5%和79.6%。實驗結果表明：在狹小的壓力變化密封空間內，開發的點膠筆仍然可以獲得pL級膠斑，實現微孔的密封。

3.3.3 插入式微孔封膠實驗

當微孔直徑d較大時(十幾微米到幾十微米)，如果采用覆蓋式封膠，要求點膠針的直徑D較大，才能攜帶足夠的膠量(一般要求D/d≥4)，滿足密封要求。這樣會造成封孔后微球上膠斑直徑過大，無法滿足工藝要求。這種情況下可以采用插入式封膠：移液針選用碳纖維材料，利用碳纖維移液針通過儲液微管中膠液后黏附在其側面的微小膠球，進行微孔的密封。微孔直徑為15 μm時，根據經驗選擇碳纖維直徑為10 μm，封膠過程如圖11所示。

圖11 插入式封孔實驗過程Fig.11 Hole-sealing on inserting method

碳纖維絲從微管中穿出時，由于碳纖維材料的特性，其側面攜帶不連續的膠滴，膠滴直徑大小與移動速度有關，將碳纖維絲插入微孔，其側面的膠滴接觸微孔的側壁面，由于毛細作用，膠液轉移到孔中，完成封孔。微球表面上形成的膠斑平均直徑為40 μm，高度為16 μm，體積約為9 pL。碳纖維移液針從微孔內離開的速度大小，影響膠滴轉移到微孔表面的膠量，圖12為移液針返回速度對封膠量影響的實驗結果，通過控制移液針速度，可以調整膠斑的大小。預先對膠液進行預處理，插入式微孔封膠也同樣適用于壓力變化的環境。

圖12 返回速度的影響Fig.12 Glue volume under effect of returning speed

4 結 論

本文基于轉印式點膠原理開發了pL級自動點膠筆，適用的黏度范圍廣，體積小，裝夾方便，便于清洗；通過USB接口連接到上位機上，可以實現點膠過程的控制，適用于小空間內pL級點膠。通過大量的實驗，研究了點膠筆的性能及其在密閉小空間內微孔的pL級封膠方法。實現了內徑170 mm，長350 mm密閉空間內，5～20 μm微孔的pL級膠封。研究和試驗結果表明：通過調整點膠筆移液針的種類、尺寸、移動速度，可以控制點膠量；根據微孔大小，選擇點膠方式，可以在狹小的密閉空間內，實現微孔的pL級密封，最小封膠量為4.4 pL，滿足了工程的需要。本文以微孔的密封為例，說明點膠筆的應用，開發的點膠筆同樣可以應用在高黏度、小空間內的微部件膠結，窄縫內點膠等領域。