（机械电子工程专业论文）压电形状阀式喷射点胶的仿真分析与实验研究.pdf

摘要 摘要 喷射点胶技术起源于喷墨打印技术，它具有点胶速度快、分配胶点一致性好 及不受空间限制等优点，是高速、高质量和低成本的流体点胶方式，并且被认为 是未来点胶行业的发展方向。国外对喷射点胶技术研究已经走向成熟，并推出了 实用性产品，而国内在近几年才开始这方面的研究，直到现在还在理论研究和实 验阶段，所设计的喷射点胶设备常常因为喷射频率低、胶点一致性较差、应用的 流体材料有限等缺陷，而不能形成成熟的产品。 首先，本实验室利用压电陶瓷的电致伸缩特性，再结合电磁开关阀控制腔体 内气压变化的原理，设计和制作了一种压电开关阀式按需喷射点胶设备，它由压 电叠堆致动器、位移放大机构、阀杆、喷嘴以及加热器等部件组成，该装置具有 结构简单、响应速度快、阀杆运动重复性好等优点。根据压电开关阀式喷射点胶 工作原理，在分析其喷射点胶过程的基础上，应用流体动力学方法，建立点胶喷 射过程中流体工作腔和喷嘴内流体流动方程，从而构建其喷射点胶过程的数学模 型，分析得到影响喷射胶点出射速度和体积的主要参数。然后结合f l o w 二3 d 流 体仿真软件该喷射点胶过程进行模拟，并初步研究了这些参数对喷射胶点出射速 度和体积的具体影响趋势，为点胶头结构的优化提供依据。 然后，对压电叠堆致动器的特性进行分析，选择相应的驱动电源；利用 a n s y s 软件对现有点胶头的动态特性进行分析，验证了其在2 0 0 h z 左右喷射频 率下工作的可行性；应用激光位移传感器对点胶头的动态位移输出性能进行了测 试，得到阀杆的最大行程位移为3 2 0 u m ，并且在该位移下能达到的最大工作频率 为6 5 h z ；从能形成均匀胶点方面考虑，分析现有喷嘴和阀杆结构的局限性，并 提出了改善和优化措施；为了更够喷射高黏度流体材料，给现有点胶头配置了加 热器，加热温度可达到8 0 ，温度控制精度为士1 。 最后，搭建了点胶喷射实验系统，包括驱动电源、供压设备、收集平台和温 度控制器等，完成整个喷射点胶系统的组装和调试工作。通过大量实验对喷射点 胶系统控制参数和性能进行了研究，得到了调整控制参数下的喷射点胶规律，并 从喷射胶点的均匀性、胶点直径以及一致性误差几方面评价了该点胶头的性能， 摘要 还针对点胶实验中出现的一些故障给出了可能原因和解决方案。在实验过程中， 应用直径为2 5 0 p m 的喷嘴得到了最小胶点直径约为1 m m ，喷射点胶头稳定工作 时的最高喷射频率为6 5 h z ，喷射胶点的一致性误差在士2 以内。验证了本实验 室开发的喷射点胶系统的可行性，已经为进一步的研究工作打下良好的基础。 关键词：微电子封装；喷射点胶；压电叠堆 a b s t r a c t a b s t r a c t j e td i s p e n s i n gt e c h n o l o g yd e r i v e 舶mi 1 1 l ( j e tp r i n t i n g ，f a s ts p e e d 、g o o d r e p e a t a b i l i t ) ra 1 1 da d 印t a b l ee t ca r e “sa d v a n t a g e ，i t sa w a yo f l l i 曲s p e e d 、m g hq u a l 时 觚dl o wc o s tf l u i dd i s p e n s e ，a i l dc o n s i d e r e dt 0b en e ) 【tg e n e r a t i o nd i s p e n s i n g t e c l l i l o l o g ) ，i na b o a r d ，r e s e a r c ho nj e td i s p e n s i n gt e c l l l l o l o g yi sv e 巧m a c u r e ，a 1 1 dh a u s p 忸c t i c a lp r o d u c ta l r e a d y ，b u ti td e v e l o p si n c h i n ar e c e n t l y ，a i l ds of 打t l l e o r e t i c a l 加a l y s i sa n de x p e r i m e n ta r eu 1 1 d e rw a y ，f o rs o m ed e f e c t s ，s u c ha s1 0 wj e t 丘e q u e n c ” b a dr e p e a t a b i l i 锣a n dl i i i l i t e di i lf l u i de t c ，t h e r ea r en op r a c t i c a lj e td i s p e n s i l l gd e v i c e y e t n o w f i r 巩u s i n ge l e c 住d s t r i c t i v ep r o p e r 哕o fp i e z o e l e c 仃i cc e r 2 u 【1 1 i c ，a 1 1 dc o m b i n et l l e p 血c i p l eo fs o l e n o i dv a l v ec o n t r 0 1 l i n gp r e s s u r ei nc h 锄b e r ，w ed e s i g n e da n dm a d e a p i e z o e l e c t r i co o 行v a l v ej e t t i n gd i s p e n s e r ，i tc o n s i s t so fp i e z o s t a c k 、d i s p l a c e m e n t a n l p l i 6 e r 、b a l l n e e d l e 、n o z z l ea n dh e a _ t e re t c ，t h ed e v i c ei ss 证1 p l es t 门比t l j r e 、h i g hs p e e d r e 吊。缸i b i l i t ) ，a 1 1 d9 0 0 dm o v e m e n tr e p e a t a b i l i 够a c c o r d i n gt ow o r 妯n gp r i n c i p l eo f t h ed i s p e n s e r ，t h en u i df l o we q u a t i o n sh a v eb e e ne s t a b l i s h e db a s e d 也ef l u i dd y n 枷c s ， 9 0 tt h em a t h e m “cm o d e lo fj e t t i n gd i s p e n s i n gp r o c e s s ，a i l do b t a i n e dp a r a m e t e r s w l l i c hi n n u e n c et 1 1 ed r o p l e t s v e l o c i t ) ，a i l dv o l u m e t h e n ，s i m u l a t e d 协ej e t t i n g d i s p e n s i n gp r o c e s su s i n g n u i dd y n 枷c ss 硫u l a t i o ns o 觚a r ef l o w - 3 d ， a n d r e s e a r c h e dt 1 1 e s ep a r a n l e t e r si 1 1d e t a i l ，t h er e s u l t sc a np r o v i d er e f e r e n c ef o r 蛐m c t l l r a l o p 伽z a t i o no fd i s p e n s e l n l e n ，t l l ec h a r a c t e r i s t i co fp i e z o s t a c ka c t u a t o r 、a sr e s e a r c h e d ，a 1 1 ds e l e c t e da c o r r e s p o n d i n g 砸v i n gp o w e r ；d y n a 埘ca n a l y s i so f 也ed i s p e n s e rw a sf i n i s h e d ，a n d c o n f i 咖e d “c a i lw o r ka t2 0 0 h z 行e q u e n c y ；l a s e rd i s p l a c e m e ms e n s o rw a su s e dt o m e a s u r e dt l l ed y n a i l l i cd i s p l a c e m e n to u t p u to fd i s p e n s e r ，a n df o u n di t sm a 妇m 啪 d i s p l a c e m e n ti s3 2 0 “m ，w h e nw o r k 丘e q u e n c yw a s6 5 h z ；w h a t sm o r e ，n l ed e f e c to f e x i s t i n gn o z z l ea 1 1 db a l l n e e d l ew a sa i l a l y z e db a s e d o no b t a i l l i n gg o o ds h a p ed r o p l e t s ， 锄do p t i m i z e di i l l p r o v e m e n tm e a s u r e sh a v eb e e na i l a l y z e d ；ah e a t e ra s s e m b l e dt o j e n i n gd i s p e n s e rf o rh i 曲v i s c o s i t ) rn u i dm a t e r i a l sc a nb ej e t t e d ，“st e m p e r a t u r ec o u l d r i s e u p t o8 0 ，a i l d t l l ee 舯r i s 士1 n i a b s t r a c t f i n a l l y ，t l l ed i s p e n s i n ge x p e r i m e m a ls y s t e mw a ss e tu p ，i n c l u d i n gd 订v i n g p o w e r 、 p r e s s u r ee q u i p m e n t 、c o l l e c tp l a t f o 锄a n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e re t c ，c o m p l e t e di t s a s s e m b l ya n da d j u s n n e n t a d h e s i v ej e t t i n gd i s p e n s i n ge x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e d w i t l l c h a n g i n gc o n t r o lp a r a m e t e r s ， a n ds 眦眦a r i z e dt 1 1 e c h a n g i n gr e g u l a r i 够 o f d r o p l e t s v e l o c i 锣a n dv o l 啪e ，e v a l u a t e dt h ep e r f o 肿a n c eo fd i s p e n s e rb a s eo n d r o p l e t s d i 锄e t e ra n dr e p e 舭l b i l i 妙i na d d i t i o n ，廿1 er e a s o n sa i l ds o l u t i o i l sf o rt l l e t r o u b l e sa p p e a r e di nt h ee x p e r i m e mw e r eg i v e no u t d l l r i n gt h ee x p e d m e m ，d r o p l e t s o f1 n l i i li nd i 锄e t e rw e r ep r o d u c e d b ys t a 瑚e s ss t e e ln o z z l eo fo 2 5m mi nd i 锄e t e r ， t 1 1 ev a r i a t i o no ft l l ed r o p l e t s d i 锄e t e ri sw i t m n 士2 ，a n dt l l ej e t t i n gd i s p e n s e rc a n w o r ka tr a t e so fu pt o6 5h z t h ef e a s i b i l i t ) ，o f 恤j e t t i n gd i s p e n s i n gs y s t e mw a s p r o v e db ya d h e s i v ej e 仳i n gd i s p e n s i n ge x p e r i m e n t 锄d 缸1 d a m e mh a sb e e nb u i l tf o r n l e 矗l r t b e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：m i c r o e l e c 仃o i l i c sp a c k a g i n g ；a d h e s i v ej e t t i n gd i s p e 工1 s i n g ；p i e z o s t a c k a c t l 斌0 r 第章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 微电子产业是当前全球经济发展的高速增长点，是国民经济中最具活力的行 业，已逐渐成为衡量一个国家综合实力的重要标志之一。微电子产业的规模和技 术水平的提高要求微电子封装具有更多的引线、更密的内连线、更小的尺寸、更 大的热耗散能力、更好的电性能、更高的可靠性、更低的成本等，使得微电子封 装技术成为影响微电子产业发展的重要因素之一【1 1 。 随着微电子封装技术的发展，微电子产业中需要使用流体材料的工艺越来越 多，促使流体点胶技术也迅速发展。流体点胶技术是微电子封装中的一项关键技 术，它可以构造形成点、线、面( 涂敷) 及各种图形，大量的应用于芯片固定、 封装倒扣和芯片涂敷f 2 l ，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，作用是将理想大小的流体( 如焊剂，导电胶、环氧树脂和粘合剂等) 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或电气的连接， 其要求点胶系统操作性能好、点胶速度快、而且点出的流体一致性好和精度高。 目前，国内外都在研究能够适应多种流体材料，能实现快速点胶并具有更好柔性 的点胶设备，使其能精确控制流体流量和胶点的位置，以获得均匀的胶点，同时 实现对胶点的准确定位，以适应微电子封装行业发展需要 3 ，4 1 。 过去的几十年里，流体点胶技术得到了较大发展，新的点胶技术也在不断涌 现，喷射点胶技术是最新发展出的一种点胶技术，起源于液滴喷射技术，其基本 原理与喷墨打印机的喷墨原理相类似，这种技术依靠特定原理获得高压驱动流体 流动，并以一定速度喷射到基板，相对以往传统的点胶方式，其点胶速度快，喷 射胶点均匀、一致性好。在面向微电子封装的喷射点胶工艺研究方面，国外已经 逐渐实用化了，而国内在该领域才刚刚起步，还有很大的研究空间。喷射点胶技 术在微电子封装领域中正逐渐成为一种点胶的标准，并且所应用的领域也在逐渐 扩展，越来越多的领域中发挥着它的技术优势1 4 ，5 】。 压电开关阀式喷射点胶的仿真分析与实验研究 1 2 液滴喷射技术原理及分类 液滴喷射技术起源于喷墨打印技术( i n k j e t 研n t i n g ) ，其具有非接触性，数 据驱动，能高速而精确产生皮升容量的液滴，可以在非平面上进行加工，成本较 低，环境污染较少等优点。它己经从单纯的喷墨打印拓展到微电子封装和制造等 其他工业生产领域，展示了液滴喷射技术愈来愈广泛的应用前景【6 1 。 目前，液滴喷射技术主要有连续喷射模式【7 ，8 】和按需喷射模式【9 】两类。顾名思 义，连续喷射模式下液滴连续不断地沉积在基底上，而按需喷射模式下在喷射过 程中只有单个液滴，可以控制液滴大小以及基底上的沉积位置。由于按需喷射模 式的可控性，引起了广大研究学者的兴趣，近几年发展迅速并有可能取代连续性 喷射模式【1 0 1 。 连续喷射的工作原理是通过在流体腔内施加恒定压力，迫使腔体内流体从喷 嘴以较高速度形成射流，在流体腔内施加扰动或者在表面张力作用下，射流断裂 而形成液滴。如图1 1 所示。其产生的液滴喷射速度高，能使用多种水性溶液， 易于实现彩色打印，其工作速度比按需喷射模式快。但连续液滴喷射模式液滴直 径难以减小，成型分辨率低。此外，这种模式下的喷射设备结构比较复杂，需要 附加供压装置，而且液滴产生后需要施加偏转电场更对液滴进行选择，并需要在 终端设置液滴回收装置回收废弃的液滴。因此这种方式的液滴喷射可控性较差， 成本高。 图1 1 ：连续喷射模式 按需喷射模式则是通过体积力作用或者流体腔的体积变化引起腔体内流体 第一章绪论 局部压力发生急剧变化，局部压力的变化导致喷嘴口内外静态平衡被打破，在局 部压力的驱动下，腔体内的一部分流体通过喷嘴喷出形成射流，射流在表面张力 和空气扰动下断裂形成液滴。按需喷射的根本就在于外力作用打破喷口附近的平 衡状态，形成射流，同时控制射流断裂成液滴。图1 2 所示为典型按需喷射模式 及液滴形成过程的图像【1 0 1 。 s h l ，出出t t 瑚s d i l c 玎 ( p 砑o r k a 嘲 图1 2 ：典型按需喷射模式及液滴形成过程 表1 1 ：按需喷射模式与连续喷射模式性能比较 模式 按需喷射连续喷射 速度o 2 0 0 0 ( d o t s s ) 5 0 0 0 4 4 ，o o o ( d o t s s ) 喷嘴到基板最小距离1 o ( m m )l o o ( m m ) 液滴尺寸2 5 1 2 0 ( p m )2 5 5 0 0 ( 雌m ) 驱动方式脉冲( 挤压)毛细管射流 目标定位方法 x y 运动平台静电荷与x y 运动平台配合 流体材料合金焊料与不导电材料合金焊料与导电材料 稳定性 低低 按需液滴喷射模式是在需要喷射液滴时，系统给喷射装置一个激励信号，喷 射装置在收到激励信号后产生相应的位移或压力变化，从而使得流体通过喷嘴喷 出，并形成所需要的液滴。表1 1 是两种喷射模式的对比【1 l 】。与连续喷射模式相 比，按需喷射不需要液滴回收装置和液滴分拣装置，其结构相对简单，成本较低， 淝 固园园改翰均嘲园镏 压电开关阀式喷射点胶的仿真分析与实验研究 而且可以通过驱动压力波形的控制，根据需要产生不同尺寸的液滴。但因受到喷 射惯性等因素的影响，微滴喷射的频率较低。因此，在按需喷射模式中，一般采 用多喷嘴喷射的方法来提高微滴产生效率。 h 明r 千千 图1 3 ：不同类型的压电按需喷射模式 撵l 喷射过程 按需喷射模式中，最常见和应用最广泛的是利用压电材料作为驱动喷射动力 源，压电材料可以产生微小变形，以致驱动形成小至1 1 l 级别的液滴。如图1 3 所示，目前压电式按需喷射有四种工作方式：挤压式【1 2 ，13 1 、剪力式【14 1 、弯曲式【1 5 】 和推压式【16 】。以下以挤压式为例，压电按需液滴喷射的过程如图1 4 所示1 1 7 】。第 一阶段：施加正向电压，压电陶瓷管径向收缩，轴向伸长，腔内流体压力增加， 4 1；，l 1 e*hhe； 暂覆攀磊飘缓繁 第一章绪论 流体通过喷嘴形成射流；第二阶段：正向驱动电压消失，压电陶瓷管停止正向变 形并开始回复，引起喷口处射流开始颈缩分离；第三阶段：施加负向驱动电压， 压电陶瓷管内体积增大形成负压，加速射流的分裂直至形成液滴，并将射流后半 部分回拉；第四阶段：射流后半部分在负压作用下完全回复到初始平衡状态，准 备下一轮喷射。 图1 5 ：液滴喷射技术分类 除了压电式外，按需喷射模式还有热气泡式【1 8 】、超声聚焦式【1 9 】、气压驱动 式【2 0 川和机械式【2 2 】，电动力学( e 1 e c t r o - h v d r o d v n a 商c e h d ) ，电磁流体力学 ( m a g n e t o h y d r o d y n a m i c m h d ) 等。其中后两者属于非常规驱动方式，其分类 如图1 5 所示。按需喷射装置可实现流体精确控制，是喷印设备、微电子封装设 备中的重要元件。由于驱动方式的不同，各种类型的按需喷射都有着各自的特点， 部分按需液滴喷射技术的特点对比如表1 2 所示。其中，热气泡式变形量大，结 构简单，可以实现阵列式喷头；但其工作方式对温度敏感，有可能会改变流体本 身性质。压电式喷射速度快，液滴尺寸可以根据控制形变量进行控制；但其变形 量小，只能适应小流量控制，同时压电陶瓷不能适应较高温度环境。这两种方式 都主要应用于喷墨打印机。机械阀式可以实现高黏度流体材料喷射；但其需要精 确控制运动部件的运动，而且结构较复杂。气压驱动式结构简单，适用范围广， 对流体性能要求少；但这种结构同样需要对气体压力脉冲精确控制，否则影响液 压电开关阀式喷射点胶的仿真分析与实验研究 滴一致性。机电膜阀式和电磁力驱动式适用的流体受到限制，应用范围较小； 而超声聚焦式则不能在高温下工作，并且系统结构复杂。 表1 2 ：几种按需液滴喷射方式的对比 驱动方式 优点缺点 可以实现按需喷射，使用与低黏度 热气泡式不适合高黏度流体和金属流体 易加热产生气泡的流体 可以实现连续和按需喷射，同时也 压电式不耐高温，驱动电路成本高 能实现低黏度流体和金属流体 能实现连续喷射，依靠超声传动能 超声聚焦量打破液面平衡，可实现较小液滴高温问题，驱动电路成本高 喷射 机械阀式 适合高黏度流体被喷射流体中有运动部件 机电。膜 低黏度水性胶不适合高黏度流体和金属流体 阀式 电磁力驱适合导电材料的喷射，作用力以体 不适合非导电材料 动式积力直接作用于工作介质 气压直接 气体压力脉冲工作时间难精确控 适合流体和金属等多种材料制，驱动腔体体积随流体减少而 驱动式 增大 目前，随着液滴喷射技术的发展，由于按需液滴喷射方式具有良好的可控性， 正逐渐被广泛应用于许多供液领域中，它在食品加工、生命科学、医药、微电子 封装等各个行业都发挥这重要作用，特别是在微电子封装行业，按需液滴喷射技 术被用于各种流体的分配和涂敷，被称作是喷射点胶技术。以下将重点介绍它在 微电子封装中的应用实例和研究进展。 1 3 微电子封装中喷射点胶技术的应用及研究进展 流体点胶技术是微电子封装过程中的一项关键技术，其点胶系统的速度、质 6 第一蕈绪论 量以及操作性能直接影响整个封装产业链的发展。而喷射点胶技术是顺应微电子 封装产业的发展而出现的流体点胶技术。如图1 6 所示，喷射点胶技术在整个点 胶过程中没有z 向位移，使得胶点品质不受喷头与基板距离影响，提高了胶点一 致性；同时，喷射速度快，频率可达5 0 0 0 0 点小时以上，而且喷射点胶技术可 以适应很复杂的封装环境，实现胶点的准确定位。因而，其具备点胶系统操作性 能好、点胶速度快、而且点出的流体一致性好和精度高的优点，它正逐渐成为一 种流体分配的标准，对速度、精度和点胶量的控制也都在改进，变得越来越实用， 并认为是微电子封装行业下一代的点胶方式【2 3 五5 1 。 1 3 1 应用 画 圈 图1 6 ：喷射点胶技术 目前，由于微电子封装行业将向高密度、超小型、超高集成度和三维封装的 方向发展，以往的点胶方式已经不能满足其发展的需求。而随着喷射点胶技术的 出现，使得流体点胶行业发生了巨大变革，喷射点胶技术被认为是点胶行业应用 前景最为广泛的点胶方式。 流体点胶是以一种受控的方式对流体进行精确分配的过程，它是微电子封装 工艺过程中的重要环节，作用是将理想大小的流体( 如焊剂，导电胶、环氧树脂 和粘合剂等) 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 机械或电气的连接。它可以构造形成点、线、面( 涂敷) 及各种图形，大量的应 用于芯片固定、封装倒扣和芯片涂敷。在微电子封装领域，喷射点胶技术主要用 于焊球制作和封装用胶如表面贴装胶、焊膏、银浆、助焊剂、焊料掩膜膏、液晶、 u v 胶、m e m s 封装的干燥剂、环氧村脂、滑润剂和导热硅胶等的分配。如图 1 7 所示为微滴喷射技术在微电子封装领域的典型应用【2 2 1 。 压电开关阀式喷射点胶的仿真分析与实验研究 图1 7 ：流体点胶技术在微电子封装中的典型应用 微电子封装中有许多工艺过程需要使用喷射点胶技术，引线键合封装是应用 最早的技术之一，主要用于芯片固定、倒扣封装和芯片涂敷。在封装工艺流程中， 先通过流体点胶设备涂敷粘结剂，并将芯片粘接在引线框架上，然后将芯片上的 引线与引线框架上的电极相互连接，最后再次通过流体点胶设备对芯片和连接引 线进行包封。流体点胶技术在整个封装过程中有着重要作用，是引线键合封装成 功与否的关键阢27 1 。 图1 8 ：芯片固定 芯片固定( d i e - b o n do rd i e a t t a c h ) 足使用诸如聚酰亚胺、环氧树脂、银浆 第一章绪论 玻璃之类的粘合剂作为粘结材料将芯片固定在基底上。如图1 8 所示。其基本过 程是把晶元切割( w a f e rs a w ) 后的单个d i e ，用粘结剂( e p o x y ) ，粘结在骨架 上( 1 e a d 觎吼e ) 后，在一定温度，加热一定时间( 放到烤箱等方式) 使之固定。 倒扣封装( u n d e r f i l lo rf l i p c 1 1 i pt e c h n o l o g y ) 是一种以“面朝下”的方式将芯 片直接安装在基底、衬垫或者封装载体上，使芯片与封装载体形成电连接。如图 1 9 所示。倒扣封装工艺主要包括：放置焊凸点、涂敷焊剂( s o l d e rp a s t e ) 、放 置芯片、焊料回流焊和底部填充处理。芯片被倒扣粘结在基底的上表面，然后通 过底部填充方法将粘结剂通过围坝慢慢渗透并充满芯片与基底之间间隙。通过这 种方式，芯片上用于电连接的焊点和部分基底被底部填充胶覆盖，底部填充胶与 围坝和散热器连接；这样便可以起到提高机械强度的作用，并且能降低芯片与基 底之间的连接应力以保护芯片上的焊点受损，从而提高芯片的使用寿命( 2 引。 二一一善 “一“m 一曩菡羞莲誊函函麓 图1 1 0 ：围坝和芯片涂敷 芯片涂敷( d i e c o a t i n go rd a ma n df i l l ) 是首先将高黏度的流体先涂敷在基 板上，形成一个坝形边界围住芯片和引线，接着将低黏度的流体填充在坝形边界 所围空间内。如图1 1 0 所示。芯片表面覆盖有绝缘材料以达到减小封装应力和 抗腐蚀保护的目的，通常的材料是硅胶材料。芯片涂敷有选择性和非选择性两种 方式：选择性涂敷故名思议就是将流体材料涂敷在芯片上的固定区域：而非选择 9 压电升关阀式喷射点胶的仿真分析与实验研究 性涂敷即全局涂敷，是将整个芯片表面都用流体材料覆盖。一般，涂敷材料的用 量需要精确计算，否则多余的材料会增大引线剪切应力而导致引线折断。 随着微电子技术的发展，微电子产业中需要使用流体材料的工艺越来越多， 促使流体点胶技术也迅速发展，并成为微电子封装中的一项关键技术。目前，流 体喷射点胶技术在微电子封装领域中正在成为一种点胶的标准，它对速度、精度 和点胶量的控制也都在改进，变得越来越实用，并被认为是2 1 世纪最具有发展 前景的封装制造技术之一f 2 3 25 1 。 1 3 2 研究进展 目前，国外从事液滴喷射技术研究的主要有c a r u l o n ，e p s o n ，h p ，a s y m t e k 和 m i c r o f - a b 等公司，国内有西北工业大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、上海 大学、中南大学等研究单位。研究内容包括液滴喷射技术的驱动技术、液滴形成 机理及其控制与应用。其中，微电子封装领域中喷射点胶技术的研究近十年刚刚 起步，只有少数几家公司从事这方面的研究和设备开发，此类喷射设备国内研究 甚少，国外的生产厂商已有a s v m t e k 、p i c o d o s t e c 、d e l o 和v e n n e s 【2 2 1 2 6 1 。 1 9 8 0 年开始，首先出现了热气泡喷墨打印机，它开启了液滴喷射的按需喷 射模式时代，而在1 9 9 4 年，爱普生( e d s o n ) 发明了微压电打印技术，与此同时， m i e r o f a b 公司也开始了对压电式微滴喷射技术的研究，并成功将压电式微滴喷射 技术应用于微电子封装和制造行业当中【2 9 1 。 图1 1l ：机械式喷射点胶头( a s y m t e k ) 1 0 强曩疆薹疆溷濯懑理懑翟涠灌蕴蕴濯 匿熏童嚣藿鬟i隧西一秘参 墨髭嚣萎嚣囊矗燕童孽墨霪耄毒差愿鬈墨鬈蓁 彰氍匪戳黪蘸黢艮鬣i；i；i黪黪陇 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代成立的美国a s y m t e k 公司，也从事喷墨打印及其它液滴喷射 系统的研究开发。主要研究的是用于微电子封装的精密自动化点胶系统，其核心 是机械式点胶头2 2 ，2 9 1 ，该点胶头以脉冲气压驱动阀杆上下运动，然后通过阀杆撞 击流体喷出形成单个胶点，直到现在已经形成实用性产品，被广泛用于微电子封 装工艺过程中，并且其性能也在逐渐被完善和提高。a s y m t e k 的机械式点胶喷射 装置如图1 11 所示，该装置驱动力大，由于配置有温控器，而可实现高黏度流 体( 如封装粘接剂、表面涂覆材料、环氧树脂和焊膏等) 的喷射；喷射速度快， 高达2 0 0 点秒；喷射胶点的直径小至2 0 0 岬，胶点体积可达到1 n l ，线条直径 可小至3 0 0 岬；点胶准确度高，具有高度的可重复性；较小的浸湿区域，以减少 流体浪费；维护简单，成本低【3 0 】。 一兰1 i 图1 1 2 ：机械式喷射点胶头( 上海大学) 图1 1 3 ：机械式喷射点胶头( 华中科技大学) 压电开关阀式喷射点胶的仿真分析与实验研究 近五年间，国内也开始研究机械式喷射点胶头，主要的研究机构有上海大学 和华中科技大学，其中，点胶头结构与a s y m t e k 公司的机械式喷射点胶头相似， 然后配备气动子系统、温度控制子系统、电磁阀驱动和运动平台等组成喷射点胶 系统。但目前此类喷射点胶系统尚处于研究阶段，不能形成实用性产品，还需进 一步研究以提升性能。其中，上海大学对机械式喷射点胶头的喷射机理以及结构 动力学进行了研究，最终设计的机械式喷射点胶头阀杆的运动频率可达1 0 0 h z 以上，其结构如图1 1 2 所示，遗憾的是没有流体喷射方面的实验数据1 3 1 】；华中 科技大学从2 0 0 7 年开始研究机械式喷射点胶系统，其结构如图1 1 3 所示，该喷 射点胶系统能喷射高黏度流体材料，并且可获得的最小胶点直径为o 7 m m ，喷 射点胶头的最高工作频率为3 0 h z l 2 2 1 。可以看出，国内在机械式喷射点胶头研究 方面，起步较晚，喷射的胶点尺寸较大，喷射频率也远不及国外产品。 绞气魏 荔荔 自l匏磁璐 三瀵餮麓；l 臻篓黧麓鏊黧一 髫孑懈乙 麓獠镶缘 嚣琵溅跳蕊瑶 簇终貔 绂塞荔雅墟 图1 1 4 ：气压直接驱动式按需喷射装置( 多伦多大学) 在2 0 0 2 年，多伦多大学的c h a n d r a 和c h e n g 则提出了一种以气体压力直接 驱动的按需液滴喷射技术，其结构如图1 1 4 所示。通过电磁阀高速的开、关以 及t 型接头处小孔的放气作用，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，从而形成液滴。该喷射系统可以获得的液 滴直径小至o 2 n u i l ，但是液滴喷射频率和应用流体材料的黏度都很低，使其应用 受到了限制【2 0 川。 嚣”雾。参融_产l，丞 一 i 攀差嚣姓 第一章绪论 图1 1 5 ：气动膜片式按需喷射装置( 华中科技大学) 从2 0 0 7 年开始，华中科技大学也研究了类似驱动方式的喷射点胶装置，综 合压电式液滴喷射和气体压力直接驱动式微滴喷射各自特点，提出了一种气动膜 片式微滴喷射技术，结构如图1 1 5 所示。该技术以压缩气体为驱动源，以膜片 为系统驱动部件，而不是以压缩气体直接驱动被喷射对象，使得系统又具有压电 式微滴喷射的驱动力到喷口的传递路径短、可控性较好的优点，同时也具有了气 体压力直接驱动式微滴喷射技术能耐高温的优点，为高温条件下精确微量喷射创 造了条件。通过实验验证该喷射点胶系统能产生一致性较好的焊球，其尺寸波动 范围在士3 以内，在压力较高的稳定喷射状态下，用8 0 岬孔径的玻璃微喷嘴生 成的8 5 u m 的最小金属焊球直径。虽然实验过程中喷射频率较低，但因其良好的 液滴喷射性能，很有希望能投入微电子封装行业的实际应用中f 2 9 ，3 2 1 。 图1 1 6 ：机电膜片喷射点胶头( m y d a t a ) 压电开关阀式喷射点胶的仿真分析与实验研究 2 0 0 2 年，m y d a t a 公司发明一种通过压电叠堆致动器运动控制腔体振动，由 此驱动液滴喷射的装置。如图1 1 6 所示。该装置主要用于喷射焊膏，它使用螺 旋泵进行精确供料，当材料被压人该腔中，压电驻波运动将材料以尺寸稳定的液 ：一 滴从喷嘴发射出去，速度高达5 0 0 d o t s s 。对工业界来说这种喷射装置还比较新， 但很有希望成为一种焊膏涂放的新方法，可在样机制作或者高度混合的生产线 上替换丝网印刷方法【2 6 ，3 3 1 。但遗憾的到现在并没有类似产品出现。 二十一世纪初，德国p i c o d o s t e c 公司推出了一种新型液滴喷射装置，即开关 阀式喷射点胶技术。这种技术是通过快速打开和关闭喷嘴的方式实现喷射，是能 获得纳升级别胶点的最常用的方式之一。结构如图1 1 7 所示。开关阀的动作通 常是用电磁线圈或压电叠堆致动器实现，流体材料通过高压存储器或注射泵引入 并填满到空腔中，最后依靠快速打开阀门的喷嘴使得一部分流体喷出【2 6 1 。 开关阀式点胶技术中最重要的问题是如何维持良好的点胶喷射状态，流道中 阻力过大会减小流体流动和供应速度，流体流动速度太慢而使得耽数过小，最 终影响流体材料的喷射；另外，喷嘴的开关速度也决定了该装置的点胶喷射性能。 为了能实现选择性喷射和流体材料顺利断裂形成单个胶点，必须使喷嘴孔周围保 持清洁和干燥，这个问题在其他的液滴喷射技术中也同样重要1 3 4 1 。该技术最大优 点是可以根据需要调节压力以达到要求的耽数，因此，这项技术在微电子封装 产业中有着重要应用。其缺点是制造成本高，设备结构尺寸大，喷嘴易堵塞和清 洗困难。这种点胶方式能够通过设定设备供液压力、阀门开启时间以及流道阻力 等参数调整点胶喷射性能，其获得的最小液滴体积为5 0 n l ，并且喷射频率最高 可达2 0 0 。该喷射技术目前在电子器件包封的紫外固化粘结剂上的应用非常成 圳2 6 ，3 4 1 。 r o d n o z z l e 图1 1 7 ：压电致动器驱动开关阀式喷射点胶头( p i c o d o s t e c ) 1 4 第一章绪论 2 0 0 8 年，韩国的n g u y e n 和c h o i 等人研究出一种以环形压电致动器作为驱 动源的喷射点胶头，其结构如图1 1 8 ( a ) 所示。它能够进行高频喷射，并且获 得的胶点尺寸较小，喷射流体材料的黏度为5 0 ，0 0 0 i n p a s 5 0 0 ，0 0 0 n 巾a s ，可以应 用到微电子封装行业当中，但遗憾的是并没有实验数据进行验证。该喷射点胶头 有两种工作模式：非谐振式和谐振式。其中，非谐振式适合喷射低黏度流体，而 谐振式则能够喷射较高黏度的流体材料【3 5 1 。德国v 锄e s 公司已经有同类产品出 售，如图1 1 8 ( b ) 所示，它可以喷射黏度为2 ，o o o ，o o o i n p a s 的流体材料，喷射 频率高达10 0 0 h z ，可获得的最小液滴体积为5 n l ，已被成功用于喷射微电子封 装中的u v 胶、底部填充胶和厌氧胶等流体材料【3 6 1 。 ( a ) 韩国研究的机械式点胶头( b ) 德国v e r m e s 公司m d v3 0 1 0 a 图1 1 8 ：压电致动器驱动式喷射点胶头 2 0 0 1 年，磁致伸缩材料以其响应快、推力大和位移大等优点被用于喷墨打印 机械当中【3 7 1 ，并展示了它的优良特性。直到2 0 0 7 年，磁致伸缩材料开始被用 于喷射点胶装置中，w e n b i n ) ( u ( 中国香港) 等发明了磁致伸缩材料驱动的喷射 点胶头【3 8 】，2 0 0 9 年开始，一些研究机构也深入研究该类型的喷射点胶装置，如图 1 1 9 1 2 0 所示，分别是韩国忠南大学和我国的中南大学设计的电磁驱动式喷射点 胶头。韩国的电磁驱动式喷点胶装置可以实现接近1 0 0 0 h z 的喷射频率，获得的 最小胶点尺寸和体积分别为1 7 0 岬和2 5 7 n l ，但遗憾的是仅仅限于低黏度的流体 材料1 3 9 】；中南大学目前对电磁驱动式喷射点胶装置的研究还仅限于喷射机理分析 和结构设计阶段，尚没有进行最终的实验验证1 4 0 】。 压电开关阀式喷射点胶的仿真分析与实验研究 图1 1 9 ：电磁驱动式喷射点胶头( 韩国) 图1 2 0 ：电磁驱动式喷射点胶头( 中南大学) 综上所述，国外一些公司和研究机构对喷射点胶设备研究已经相继成熟，市 场上也出现了几种实用性产品。遗憾的是，国内对喷射点胶装置的研究启动较晚， 目前大多正处于喷射机理研究以及初步实验阶段，还并没有形成成熟喷射点胶技 术产品，当前使用的高精度自动化点胶设备绝大多数是从国外进口，价格十分昂 贵。虽然，一些研究机构在不断对喷射点胶技术进行更深入的研究，但所开发的 喷射点胶设备的性能，包括胶点质量、一致性和点胶的稳定性都有待提高。针对 我国点胶技术的研究现状，研究具有自主知识产权、自主研发的高精度、高可靠 1 6 苫一 第一章绪论 性的流体点胶技术势在必行，而开发性能优良的喷射点胶机系统将填补国内的技 术空白，对国家微电子封装产业以及装备制造业的进一步发展必将产生重大而深 远的影响。 1 4 本文的研究目标与课题来源 随着微电子封装行业的发展，集成电路复杂度不断增加，未来微电子封装将 向高密度、超小型、超高集成度和三维封装的方向发展，流体分配的速度需要每 小时4 5 0 0 0 点以上等，对点胶工艺的性能要求越来越高；另外，由于高精度点胶 控制的最终目标是达到接近测量精度的最小误差，同时还要具有很好的稳定性， 而实现高精度的点胶控制性能已经成为工业进一步发展的需要，这就对点胶过程 的高性能的控制要求变得越来越苛刻。而这些都使得以往传统的点胶方式应用受 到限制，已不能适应微电子封装行业的发展。液滴喷射技术作为一种新兴的增材 制造技术，可以满足当前社会发展对环境保护、材料利用以及生产制造的灵活性 的要求，并且已逐渐被应用到微电子封装工艺中，有着点胶速度快、适应性强、 和胶点一致性好等优势。但我国对喷射点胶技术的研究相对较少，没有实用性的 产品出现，针对这一现状，研究并开发具有良好性能的喷射点胶系统，对国家微 电子封装产业以及装备制造业的发展有着重大意义。 本文研究的喷射点胶技术是为了满足当前点胶工艺对多种材料喷射的要求， 喷射装置应当具备简单、实用、可靠性高的特点，能实现从低黏度流体到高黏度 流体材料的喷射，并且胶点均匀、一致性好，使其能够被很好的应用于微电子封 装行业。目前，本实验室已经初步研究开发出一种压电叠堆致动器驱动的开关阀 式喷射点胶设备，其基本结构与图1 1 7 所示相似。本文主要是对该喷射点胶装 置进行理论和实验探索，通过理论结合模拟仿真分析胶点形成和喷射过程，讨论 机械结构参数对喷射过程的影响，为优化和改进设备结构提供理论和实验依据。 本文的研究工作主要受中央高校基本科研业务费专项资金( 2 0 1 0 1 2 1 0 3 9 ) 、 福建省发改委资助项目( 精密喷射点胶头的研发) 和数字制造装备与技术国家重 点实验室( 华中科技大学) 开放基金项目( 2 0 0 9 0 0 3 ) 资助，研究的目标是开发出 一套压电开关阀式喷射点胶装置，其能够实现对微电子封装工艺中典型流 体材料的喷射点胶，并应用该点胶装置进行实验研究，以评价其喷射点胶 压电开关阀式喷射点胶的仿真分析与实验研究 的性能。实验过程中，重点研究喷射装置胶点生成过程、机理和工艺参数， 探索能形成均匀性好，一致性高的胶点的参数条件。 1 5 本文的研究内容 本文围绕压电开关阀式喷射点胶技术展开论文研究，研究内容包括喷射点胶 过程的理论和仿真分析，设计制作压电开关阀式点胶喷射装置并进行控制参数的 实验研究，总结和评判该喷射点胶装置的性能。研究内容包括： ( 1 ) 绪论，对液滴喷射技术原理、分类及其发展进行概述，介绍喷射技术 在微电子封装中流体点胶中的应用，以及喷射点胶技术的研究意义，并对本论文 的内容安排作了相关介绍。 ( 2 ) 建立压电开关阀式喷射点胶喷射过程的数学模型，通过理论分析其喷 射机理，得到影响喷射胶点体积和速度的相关参数，然后应用f l o w - 3 d 流体仿 真软件模拟喷射点胶过程，研究各个参数对喷射性能影响的具体情况，并根据分 析结果对点胶头结构参数进行优化，提出改进措施并完善点胶装置，为进一步的 研究提供理论和设计基础。 ( 3 ) 对压电开关阀式喷射点胶头驱动单