潤濕性對轉印式點膠結果影響實驗分析

衛 民， 劉慧芳， 修博文

（沈陽工業大學機械工程學院， 遼寧 沈陽 110870）

引言

近年來，微電子產業迅速崛起，零部件精密性提高、尺寸越來越小，微封裝涂覆方法已然成為微制造領域不可缺少的技術[1-2]。精密點膠技術利用裝置對膠液進行提取再根據需求進行從新分配，是微封裝領域重要技術之一，因其具有良好的精確性等特點，廣泛應用于集成電路制造、電子器件連接、蛋白質結晶實驗等方向。

按照點膠頭相對于點膠面是否存在豎直方向上的運動來劃分，點膠技術可分成接觸式與非接觸式兩種[3-4]。目前點膠技術還存在不能滿足微封裝過程對皮升及飛升級膠液轉移量的精確控制，還沒有對各種點膠方法等影響因素進行分析等問題。本文將對結合轉印式微量點膠原理進行模型分析，并搭建實驗臺設計單因素實驗，通過實驗系統地研究了潤濕性對點膠性能的影響規律。

1 轉印式點膠過程分析

基于液滴表面張力的轉印式點膠方法原理如圖1 所示，點膠過程可分為以下三個階段：出膠階段、接觸轉印階段、恢復階段[5]。首先施給移液針一個驅動力，使其向下穿過儲存膠液的毛細微管，部分膠液受其與移液針之間附著力作用附著在針尖表面（圖1b）；移液針繼續向下直至與點膠面接觸，膠液會在其與點膠面界面張力作用下鋪展在點膠基面上（圖1c）；然后移液針向上離開，膠液會在移液針尖端和點膠面形成液橋，液橋隨著移液針上移最終會斷裂，斷裂后部分膠液會遺留在點膠面上，形成微小膠滴實現微量點膠（圖1d），剩余的膠液附著在移液針尖端返回毛細微管。

圖1 點膠原理圖[6]

點膠量是微量點膠性能的主要指標之一，點膠量的表征有膠斑體積和膠斑直徑。點膠過程中移液針下移到膠液接觸到點膠面時，在移液針慣性力作用下膠液將在點膠面上鋪展，該過程將部分動能轉化為膠斑的表面能。移液針從點膠面移開后，膠液受到自身重力和表面張力作用，由于膠斑體積較小，表面張力相對于重力占主導作用，最終將受力平衡，呈現出球冠狀膠斑。

膠斑平衡后可以用下頁圖2 表示。圖2 中θ 為膠斑平衡后與點膠面形成的接觸角，L 為膠斑直徑，H為膠斑平衡后具有的高度，R 為球冠膠斑整圓的半徑。分析以上各個參數之間的幾何關系可得到以下等式：

圖2 成型膠斑示意圖[7]

則膠斑的體積可由式（3）確定：

計算后最終得到膠斑體積V 與其幾何參數之間的關系為：

根據上述膠斑體積表達式不難發現，當膠液達到平衡狀態后，膠斑體積受膠液與點膠面之間接觸角影響，而點膠面的潤濕性、膠液的表面張力等都直接決定膠斑接觸角大小，即影響著膠斑體積。點膠面潤濕性越差，膠液表面張力越大，膠斑形成的接觸角越大，根據式（4）可得，膠斑體積越小。

2 實驗臺搭建

實驗平臺如圖3 所示，包含點膠模塊、觀測模塊、PLC 控制模塊、驅動模塊。實驗時，首先調節超景深顯微鏡到合適的倍率，通過PLC 控制面板驅動平臺KOHZN ZA10 將移液針從裝有膠液玻璃微管中穿過，使移液針出現在超景深顯微鏡顯示器中央，再調節微調平臺使點膠基面上移，直至移液針與點膠面的距離為1 mm 左右。然后利用PLC 控制面板上的點動按鍵，將移液針每次下移1 μm，直至移液針與點膠面接觸。然后將此位置設置為點膠初始位置，設置移液針上移運動行程為15 mm，再設置好點膠實驗需要在初始位置的停留時間，點擊程序開始即可實現重復點膠，可從顯微鏡顯示器記錄測量數據。本文實驗平臺可以通過改變移液針與點膠面接觸距離，實現接觸式和非接觸式兩種點膠方式。

圖3 轉印式點膠實驗平臺

3 實驗分析

3.1 點膠面潤濕性能的影響

實驗中采用常見黏結劑環氧樹脂膠，黏度1000 mPa·s，儲膠管的內徑為0.9 mm，移液針與點膠面完全接觸（距離為0），移液針末端直徑為100 μm，垂直運動速度為3 mm/s，移液針在點膠面的停留時間為1 s。由于潤濕性大多用接觸角的大小來表示，實驗選用四種品質相同但濃度不同疏水涂層處理過的載玻片，環氧樹脂在四種載玻片上自由鋪展的接觸角分別為41.2°、59.6°、79.1°、96.4°。在進行多次點膠實驗后，采集測量樣本信息。圖4 為超景深顯微鏡觀測到的膠斑（均在鏡頭放大500 倍下觀察），每種潤濕性條件下膠斑形狀基本一致，但膠斑直徑隨著環氧樹脂自由鋪展接觸角的增大（即點膠面越來越疏水）而變小。

圖4 不同潤濕性載玻片所得到膠斑的微觀圖像

使用顯微鏡立體掃描功能將每種潤濕性載玻片上形成的膠斑選取10 個進行數據提取，得到該放大倍數下的膠斑高度數據，運用數值積分方法進行體積計算。圖5-1 為各組膠斑體積情況，每組體積的標準偏差分別為 1.50、1.57、2.05、1.38，由此可以看出同一潤濕性表面下膠液轉移率都接近平穩，但仍有微量差異。下頁圖5-2 為膠斑體積與膠液在點膠面自由鋪展時接觸角的關系曲線，可以看出在其他參數不變、只改變點膠面潤濕性的情況下，膠斑體積會隨著接觸角的增大而逐漸減小。

圖5 膠液體積數據圖

3.2 膠液表面張力的影響

由于需要選用表面張力不同材料，通過查閱資料，最終確定使用硅油（表面張力21 mN/m）、環氧樹脂（表面張力41 mN/m）和甘油（表面張力61mN/m）三種黏度均在1 000 mPa·s 左右的膠液型號[8]，而移液針直徑、速度，儲膠管內徑，接觸距離，點膠面等均在同一條件下進行實驗。三種膠液點膠形貌微觀圖如圖6 所示（均在鏡頭放大500 倍下觀察），可以看出三種膠液形成膠斑整體情況較為圓潤，但甘油膠斑圓潤度較差一些。

圖6 不同表面張力膠液形成膠斑微觀圖

使用顯微鏡立體掃描功能將每種潤濕性載玻片上形成的膠斑選取10 個進行數據提取，得到該放大倍數下的膠斑高度數據，運用數值積分方法進行體積計算。圖7-1 為各組膠斑體積情況，每組體積的標準偏差分別為2.41、2.69、1.30，可以看出同一表面張力下膠液轉移率都接近平穩，但仍有微量差異。圖7-2為膠斑體積隨膠液表面張力關系曲線，可以看出在其他參數不變的情況下，膠斑體積隨著膠液表面張力的增大而逐漸減小。

圖7 膠液體積數據圖

4 結語

分析了轉印式點膠的實現原理，通過對成型后的穩定膠斑建模分析，得到了潤濕性對點膠結果的影響，搭建了轉印式點膠實驗平臺，進行單因素實驗，驗證了理論分析的準確性，最終得到了點膠基面及膠液表面張力對膠斑體積影響規律。點膠面潤濕性變差，膠液的體積隨之變小，而且減小的速率加快，但膠斑形貌沒有改變；膠斑體積還隨著膠液表面張力的增大而減小，膠斑形貌幾乎沒有改變。實驗結果為實現轉印式微量點膠工作參數的優化配置提供了指導和依據。