轉(zhuǎn)移式微量點(diǎn)膠過程中膠液轉(zhuǎn)移行為研究

修博文，閻明印，衛(wèi) 民

（沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

引言

在電子制造業(yè)中，封裝技術(shù)是決定產(chǎn)品性能關(guān)鍵因素，而流體點(diǎn)膠技術(shù)則在電子封裝過程中起到重要作用，在一般的工業(yè)封裝中，它被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，如集成電路業(yè)，微電子封裝業(yè)以及SMT/PCB 裝配業(yè)等[1]。而在汽車電子業(yè)、數(shù)碼電子業(yè)、LED 產(chǎn)業(yè)、手工藝品以及通訊模塊行業(yè)中，流體點(diǎn)膠技術(shù)同樣起到了至關(guān)重要的作用[2-3]。在上述應(yīng)用中，轉(zhuǎn)移率在決定產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率方面尤為重要。隨著近些年微納米制造，生命科學(xué)，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等工業(yè)領(lǐng)域的急速發(fā)展，對零部件微小化的需求越來越高，因此現(xiàn)在對在裝配過程中封膠的性能有著更高的要求。

1 轉(zhuǎn)移式微量點(diǎn)膠的基本原理

本課題組研制了一種基于移液針轉(zhuǎn)印原理的微量點(diǎn)膠系統(tǒng)，該點(diǎn)膠系統(tǒng)所形成的膠斑直徑可達(dá)到數(shù)十微米，膠滴體積可達(dá)飛升-皮升的范圍。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)由出膠單元、驅(qū)動(dòng)單元和控制單元組成。其中，出膠單元為系統(tǒng)的核心，其主要包含微移液針和毛細(xì)儲膠管兩個(gè)關(guān)鍵元件，移液針通過在儲膠管內(nèi)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)膠液向基板的微量轉(zhuǎn)移。驅(qū)動(dòng)單元由X/Y/Z 三個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和微升降平臺組成，用于驅(qū)動(dòng)微移液針及點(diǎn)膠工件的運(yùn)動(dòng)。控制單元由PLC 控制系統(tǒng)和LaBview 開發(fā)的控制面板組成，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制。

圖1 微量點(diǎn)膠系統(tǒng)組成示意圖

轉(zhuǎn)印式點(diǎn)膠過程分為三個(gè)階段，分別為浸漬、擠壓和拉伸，如圖2 所示。在浸漬階段，移液針穿過裝有膠液的毛細(xì)管，膠液會在附著力的作用下在移液針尖端留有少量殘留；在擠壓階段，移液針向下移動(dòng)一段距離后，尖端上的膠液接觸并擠壓點(diǎn)膠面，在移液針尖端和點(diǎn)膠面之間形成液橋。在此階段中，部分膠液從移液針尖端轉(zhuǎn)移到點(diǎn)膠面；在拉伸階段，移液針向上抬升，液橋會隨著移液針的抬升而被拉長，直至斷裂。之后，殘留的膠液會在自身表面張力的主導(dǎo)下，形成圓潤的膠斑。

圖2 點(diǎn)膠的過程

2 膠滴的轉(zhuǎn)移率

在尖端留有膠液的移液針接觸到點(diǎn)膠面之后以一定速度抬升，直至液橋斷裂并形成膠斑。在點(diǎn)膠面形成的膠斑體積與在移液針尖端的膠液體積之比即為轉(zhuǎn)移率。在大多數(shù)實(shí)際情況下，轉(zhuǎn)移式微量點(diǎn)膠通常使用小體積（飛升-皮升）的黏性液體，這導(dǎo)致系統(tǒng)中的Re（與流體慣性力有關(guān)的無量綱數(shù)）值很小。因此，在研究膠液轉(zhuǎn)移率時(shí)，選擇忽略慣性力，并使用毛細(xì)管數(shù)Ca（與流體黏性力以及表面張力有關(guān)的無量綱數(shù)）來表示轉(zhuǎn)移率。

無量綱數(shù)Ca 與膠液的黏度，表面張力以及實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的抬升速度有關(guān)，因此選用黏度分別為1 000 cps、5 000 cps、10 000 cps、50 000 cps 的甲基硅油以及粘度為10 000 cps 的環(huán)氧樹脂作為實(shí)驗(yàn)用膠。抬升速度分別設(shè)置為0.1 mm/s、0.5 mm/s、1 mm/s、5 mm/s、10 mm/s。經(jīng)過計(jì)算，毛細(xì)數(shù)Ca 的范圍為0.004 2～23.364 4。

在液橋斷裂后，轉(zhuǎn)移到點(diǎn)膠面上的膠液在自身表面張力的作用下形成圓潤的膠斑，在理想狀態(tài)下膠斑可視為球冠狀，其體積可用球冠狀公式求得。實(shí)驗(yàn)主要使用的膠液為甲基硅油，其表面張力只有21 mN/m，低于環(huán)氧樹脂，在基板上由甲基硅油形成的膠斑在穩(wěn)定狀態(tài)下與環(huán)氧樹脂的形狀不同，因此不能將其視為球冠狀，需要其他計(jì)算體積的方法。為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確性通過灰度處理、二值化等圖像處理的方法提取膠斑的輪廓信息，之后通過提取到的坐標(biāo)信息來擬合膠斑輪廓的函數(shù)，使用旋轉(zhuǎn)積分的方法來計(jì)算膠斑的體積。之后為了驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性，在其他物性條件相同時(shí)，將5 000 cps 的甲基硅油、3 mm/s 的移液針抬升速度的實(shí)驗(yàn)條件下膠斑的鋪展過程作為研究對象。用顯微鏡錄制在液橋斷裂后膠斑的鋪展情況，以0.016 s 為間隔，截取20 張膠斑的圖片分別用公式和積分法進(jìn)行膠斑體積的計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

圖3 膠斑體積

計(jì)算結(jié)果表明，甲基硅油只在少數(shù)情況下的計(jì)算結(jié)果可以使用球冠狀公式計(jì)算，其余時(shí)刻計(jì)算結(jié)果極不穩(wěn)定。因此，在測量甲基硅油的體積時(shí)，應(yīng)采用積分法進(jìn)行計(jì)算。

對不同黏度以及拉伸速度下的膠液進(jìn)行測量并計(jì)算轉(zhuǎn)移率，如圖4 所示，在忽略慣性力的條件下，采用無量綱數(shù)Ca 來表示轉(zhuǎn)移率，對于表面張力相似且不同黏度的四種甲基硅油的轉(zhuǎn)移率有著相似的收斂情況。為了進(jìn)一步印證Ca 對轉(zhuǎn)換率的影響，引入與甲基硅油不同表面張力的環(huán)氧樹脂進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，如圖5 所示，表面張力較大的環(huán)氧樹脂的轉(zhuǎn)換率會比甲基硅油小，但整體趨勢相差不大，均會收斂到一定數(shù)值。之后，為了了解慣性力對轉(zhuǎn)移率的影響，選擇黏度較小的膠液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)加大移液針直徑使其脫離微量點(diǎn)膠的范圍，以提高慣性力對膠液傳遞的影響，如圖6 所示，在通過增加膠液體積以提高慣性力影響的實(shí)驗(yàn)中，膠液轉(zhuǎn)移率的變化與之前有極大差異。

圖4 硅油轉(zhuǎn)換率

圖5 環(huán)氧樹脂轉(zhuǎn)換率

圖6 對比實(shí)驗(yàn)

綜上，可以得出結(jié)論，在其他條件相同時(shí)，在超微量點(diǎn)膠過程中，膠液的轉(zhuǎn)移率主要由毛細(xì)數(shù)Ca 來決定，可以忽略慣性力的影響。在之后控制膠液體積的時(shí)候，應(yīng)把重點(diǎn)放在膠液的黏性力與表面張力上。

3 膠滴的鋪展直徑

點(diǎn)膠結(jié)果最直觀的顯示就是形成膠斑達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)膠斑的直徑，因此對膠斑的直徑進(jìn)行研究。選取5 種表面張力相似黏度不同的甲基硅油以及黏度為10 000 cps 的環(huán)氧樹脂作為實(shí)驗(yàn)用膠。移液針抬升速度分別設(shè) 置為1 mm/s，3 mm/s，5 mm/s，7 mm/s，9 mm/s。使用的移液針直徑為200 μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同膠液的最大鋪展直徑

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膠滴黏度過小或者過大時(shí)在低速下直徑變化率較低，分析原因可能是在低速下，黏度較小的膠滴的毛細(xì)數(shù)Ca 較小，低速下的膠液在轉(zhuǎn)移過程中轉(zhuǎn)移率較大，因此直徑的變化不大。黏度較大的膠液在鋪展過程中黏性耗散的量會更大，而黏性耗散的值與拉伸速度有直接關(guān)系，越高的拉伸速度在液橋斷裂后就會有更高的黏性耗散，因此，黏性過高的膠斑直徑變化量較少。

4 結(jié)論

超微量點(diǎn)膠過程中，在其他物性條件相同時(shí)，對于表面張力相似且不同黏度的四種甲基硅油的轉(zhuǎn)移率有著相似的收斂情況，轉(zhuǎn)移率會逐漸收斂到0.5。膠液的轉(zhuǎn)移率主要由毛細(xì)數(shù)Ca 來決定，可以忽略慣性力的影響。在膠液的鋪展階段，膠斑的直徑隨著膠液黏度的增加而減小，隨著抬升速度的增大而增大，而表面張力在鋪展過程中起主導(dǎo)作用。