（机械制造及其自动化专业论文）喷射分配胶液累积体积及其动能等效速度影响规律研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了沦文中特别加以标注和1 敛尉 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：衄日期：4 年j 月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 嗍彳啦月卑日 摘要 微电子封装技术的迅猛发展，带动了封装设备制造业的发展，作 为封装工艺中的关键设备，胶液分配系统也得到了迅速发展。胶液喷 射分配技术因其突出的优点而受到重视以及得到越来越广泛的应用。 本文根据胶液喷射器机理，对喷射器参数对胶液累积体积及速度的影 响规律进行研究。 根据a n s y s 流固耦合数值仿真结果分别推导了牛顿流体与幂律 流体胶液累积体积、动能等效速度及胶液平均流速的计算公式。通过 推导的计算公式结合m a t l a b 计算程序研究了胶液喷射器驱动系 统、喷射器结构参数及低粘度胶液物性参数对喷射分配的影响规律。 其中驱动系统参数分别针对喷针形程及其运动加速度进行了研究，结 构参数针对喷嘴直径及喷针与壁面间隙进行研究，低粘度胶液物性分 别针对牛顿流体与幂律流体及幂律流体时不同流变指数时进行研究。 同时对胶液粘度5 0 p a s 条件下，考虑喷针受到的各种阻力进行了数 值仿真，计算了胶液累积体积及速度参数。 本文通过研究得到的结论：喷嘴直径越小胶液累积体积及速度越 小；喷针与壁面的间隙越小胶液累积体积及速度越大；同一行程条件 下，加速度大时，胶液动能等效速度大，但胶液累积体积小；同一加 速度时喷针行程短累积胶液体积小，而因其体积增加的幅度小于速度 的增加幅度，导致胶液动能等效速度大；胶液粘度大时，相对应的累 积胶液体积及速度要小，但与低粘度胶液比较其增长过程是一致的。 文章最后对后续的研究工作提出了一些建议，为今后的工作制定了目 标。 关键词：喷射分配；胶液累积体积；动能等效速度 本课题得到国家自然科学基金面上项目( 5 0 4 7 5 1 3 8 ) 的资助 a bs t r a c t t h em a n u f a c t u r eo fp a c k a g i n ge q u i p m e n ti sr a p i d l yd e v e l o p i n gw i t h t h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i cp a c k a g i n gi n d u s t r y , f l u i dd i s p e n s i n g s y s t e ma st h ek e ye q u i p m e n to ft h ep a c k a g i n gp r o c e s si sa l s od e v e l o p i n g r a p i d l y f l u i dj e t t i n gd i s p e n s i n gi su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yb e c a u s eo f i t sp r o m i n e n tm e r i t ，j e t t i n gd i s p e n s i n gi sh i g h l ya p p r e c i a t e db yl o t so f m a n u f a c t o r i e s a n dt h em e c h a n i c sr e s e a r c hi sb e c o m ee m e r g e n ta n d i m p o r t a n t a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c so ft h eje t d i s p e n s e r , t h i sp a p e r r e s e a r c h e st h ei n f l u e n c er e g u l a r i t yo fc u m u l a t i v ef l u i dv o l u m ea n d v e l o c i t yp a r a m e t e r s t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao ff l u i dc u m u l a t i v ev o l u m e 、e q u i v a l e n t v e l o c i t yb a s e do nf l u i dk i n e t i ce n e r g ya n df l u i dm e a nf l o wv e l o c i t yo f n e w t o n i a nf l u i da n dp o w e r - l a wf l u i da r ed e d u c e dt h r o u g ht h ea n s y s f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s t h ei n f l u e n c e r e g u l a r i t yo f t h ed r i v i n gs y s t e m 、s t r u c t u r a lp a r a m e t e ro f j e t - d i s p e n s e ra n d t h em a t e r i a la t t r i b u t eo ft h el o wv i s c o s i t yf l u i da r er e s e a r c h e db a s e do n t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l at h r o u g hm a t l a bp r o g r a m t h ed r i v i n gs y s t e m i n c l u d e st h es t r o k eo ft h eb a l l n e e d l ea n di t sa c c e l e r a t i o n t h em a t e r i a l a t t r i b u t eo ft h el o wv i s c o s i t yf l u i d i n c l u d i n gn e w t o n i a nf l u i da n d p o w e r - l a wf l u i da n dt h ed i f f e r e n tp o w e re x p o n e n to ft h ep o w e r - l a wf l u i d ， s t r u c t u r a lp a r a m e t e ro f j e t - d i s p e n s e ri n c l u d i n gt h eg a pb e t w e e nt h en e e d l e a n dt h ew a l la n dt h ed i a m e t e ro ft h en o z z l e m e a n w h il e n u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h ef l u i da d h e s i v ef l o wi ni e td i s p e n s e ri sp e r f o r m e du n d e r t h ec o n d i t i o no f5 0 p a sv i s c o s i t y , a l lk i n d so fr e s i s t a n c eo ft h en e e d l e w e r ec o n s i d e r e di nt h ep r o c e s so ft h es i m u l a t i o n ，t h ec u m u l a t i v ef l u i d v o l u m ea n dv e l o c i t ya r ec a l c u l a t e d t h ec o n c l u s i o n sg o r e nf r o mt h er e s e a r c ha r e ：t h ec u m u l a t i v ef l u i d v o l u m ea n dv e l o c i t yi sd e c r e a s ew h e nt h ed i a m e t e ro ft h en o z z l eg e t s s m a l l ；b u tc u m u l a t i v ef l u i dv o l u m ea n dv e l o c i t yi si n c r e a s ew h e nt h eg a p b e t w e e nt h en e e d l ea n dw a l lg e t ss m a l l ；e q u i v a l e n tv e l o c i t yb a s e do nf l u i d k i n e t i ce n e r g yi si n c r e a s e ，b u tc u m u l a t i v ef l u i dv o l u m ed e c r e a s e dw h e n t h eb a l l n e e d l eh a v e l a r g e a c c e l e r a t i o na n dt h es a m e s t r o k e ；t h e n c u m u l a t i v ef l u i dv o l u m ei sd e c r e a s ew h e nh eb a l l n e e d l eh a v es m a l l s t r o k ea n dt h es a m ea c c e l e r a t i o n ，b u tb e c a u s et h eg r o w t hr a t eo ft h ef l u i d v o l u m ei sl e s st h a nt h ev e l o c i t yc a u s e st h ee q u i v a l e n tv e l o c i t yb a s e do n f l u i dk i n e t i ce n e r g yi si n c r e a s e ；t h ec u m u l a t i v ef l u i dv o l u m ea n d v e l o c i t y i sd e c r e a s e du n d e rt h ec o n d i t i o no f h i g hv i s c o s i t yf l u i dc o m p a r e dt h el o w v i s c o s i t y , b u tb o t ho ft h e mh a v et h es a m eg r o w t hp r o c e s s a tt h ee n do f t h ep 印e r , p u tf o r w a r ds o m es u g g e s t i o n st ot h ef o l l o w u pr e s e a r c hw o r k ， a n dd r e wu pt h et a r g e tf o rt h ew o r ko ft h ef u t u r e k e yw o r d s ：j e t t i n gd i s p e n s i n g ；f l u i dc u m u l a t i v e v o l u m e ；e q u i v a l e n t v e l o c i t yb a s e do nf l u i dk i n e t i ce n e r g y 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 微电子封装技术1 1 2 1 微电子封装技术的目的及应用1 1 2 2 微电子封装技术发展趋势2 1 2 3 我国微电子封装技术的现状2 1 2 4 芯片粘贴技术3 1 3 胶液分配器技术的原理与方法4 1 3 1 胶液分配器技术基本原理4 1 3 2 胶液分配器技术几种方法4 1 4 胶液喷射分配的原理与特点6 1 4 1 胶液喷射分配器原理6 1 4 2 胶液喷射方法的优点7 1 5 论文的课题来源、研究意义与文章结构8 1 5 1 论文选题8 1 5 2 研究意义9 1 5 3 文章结构9 1 6 本章小节1 0 第二章喷射分配胶液累积体积与动能等效速度计算公式1 1 2 1 粘性流体的不可压缩流动11 2 1 1 定常的平行剪切流动1 2 2 1 2 哈根( h a g e n ) 一泊肖叶流动1 2 2 2 胶液喷射流固耦合数值仿真模型1 3 2 3 胶液累积体积计算公式1 5 2 3 1 牛顿流体胶液累积体积1 5 2 3 2 幂律流体胶液累积体积1 6 2 4 累积胶液动能等效速度1 7 2 4 1 牛顿流体胶液动能等效速度1 7 2 4 2 幂律流体胶液动能等效速度1 9 2 5 累积胶液平均流速1 9 2 5 1 牛顿流体累积胶液平均流速2 0 2 5 2 幂律流体累积胶液平均流速2 0 2 6 本章小结2 0 第三章胶液喷射器参数影响规律2 l 3 1 喷射器驱动系统影响规律2 l 3 1 1 喷射器驱动系统工作原理2 l 3 1 2 驱动系统关键参数2 1 3 1 3 喷针加速度影响规律2 2 i v 3 1 4 喷针运动行程影响规律2 4 3 2 喷射过程低粘度胶液物性影响规律2 8 3 2 1 牛顿流体与非牛顿流体：2 8 3 2 2 牛顿流体与幂律流体胶液喷射过程影响比较3 0 3 2 3 幂律流体胶液喷射过程粘度变化3 2 3 2 4 幂律流体不同流变指数时对胶液喷射影响规律3 3 3 3 喷射器部分结构参数对胶液喷射影响规律3 4 3 3 1 喷嘴直径影响规律3 5 3 3 2 喷针与壁面间隙影响规律3 6 3 4 本章小结3 7 第四章喷射分配胶液粘度5 0 p a s 条件下数值仿真3 9 4 1 喷针受力情况分析3 9 4 2 数值仿真模型4 0 4 2 1 仿真软件选择4 0 4 2 2 流固耦合有限元模型及边界条件4 1 4 3 载荷的施加与喷针受力计算4 l 4 3 1 载荷施加4 1 4 3 2 喷针受力计算4 2 4 4 数值仿真结果与分析4 5 4 5 胶液累积体积、动能等效速度及其平均流速计算4 7 4 6 本章小节4 9 第五章接触式胶液分配过程实验研究5 0 5 1 接触式胶液分配实验平台及高速摄像机介绍5 0 5 2 图元一致性实验及其动态拍摄5 1 5 2 1 相同布胶高度不同基板运动速度直线图元效果图一5 l 5 2 2 相同基板运动速度不同布胶高度直线图元效果图5 3 5 3 本章小节5 4 第六章全文总结与展望5 5 6 1 全文总结5 5 6 2 展望5 6 参考文献5 8 附录一6 1 附录二6 3 附录三6 5 致谢6 7 研究成果6 8 v 中南人学硕十学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电子封装( e l e c t r o n i cp a c k a g i n g ) ，它的目的在给予集成电路芯片( i c s ) 一 套组织架构，使其能发挥既定的功能。以微电子产品的工艺来看，电子封装属于 产品后段的工艺技术，因此封装通常被认为只是集成电路工艺技术的配角之一。 事实上，封装技术的范围涵盖极广，它应用了物理、化学、材料、机械、电机等 学科的知识，也使用金属、陶瓷、高分子等各式各样的材料，在微电子产品功能 与层次提升的追求中，开发封装技术的重要性不亚于i c 工艺技术与其他的微电 子相关工艺技术，故世界各主要电子工业国都全力研究，以求得到技术领先的地 位。随着信息时代的到来，电子工业得到了迅猛的发展，计算机、移动电话等 产品的迅速普及，使得电子产业成为最引人注目和最具有发展潜力的产业之一， 电子产业的发展也带动了与之密切相关的电子封装业的发展，其重要性越来越突 出。微电子、光电子工业的巨变，为封装技术的发展创造了许多机遇和挑战，各 种先进的封装技术不断涌现，电子封装技术已经成为2 0 世纪发展最快、应用最 广的技术之一，。 1 2 微电子封装技术 1 2 1 微电子封装技术的目的及应用 以薄膜工艺技术在硅或砷化镓等晶圆上制造的i c 器件尺寸极为微小，结构也 极其脆弱，因此必须使用一套方法把它们“包装”起来，以防止在输送与取置过 程中外力或环境因素的破坏；此外，集成电路器件也必须与电阻、电容等无源器 件组合成为一个系统才可以发挥特定的功能。电子封装既在建立i c 器件的保护 与组织结构，它始于i c 芯片完成之后，包括i c 芯片的粘结固定、电路互连、结 构密封、与电路板的接合、系统组合、以至于产品完成之间的所以工艺。其目的 是完成i c 芯片与其他必要电路零件的组合，以传递电脑与电路信号、提供散热 途径、承载与结构保护等。现代电子工业特别是航空、航天以及移动通信、便携 式计算机、汽车及消费类电子领域的迅速发展不断向电子产品提出更高的要求， 它要求电子产品必须为智能型，具备功能多、重量轻、体积小、厚度薄、易于携 带、速度快、可靠性高和价格低的特点，就目前各个领域的发展来看，要满足上 述要求，关键在于封装技术。可以说，无论在军用电子元器件中或是民用消费电 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 路中，电子封装具有举足轻重的地位。 1 2 2 微电子封装技术发展趋势 封装业界普遍预测2 1 世纪的头十年将迎来微电子封装技术的第四个发展阶 段3 d 叠层封装时代其代表性的产品将是系统级封装( s i p ：s y s t e mi nap a c k a g e ) ， 它在封装观念上发生了革命性的变化，从原来的封装元件概念演变成封装系统， s i p 实际上就是一个系统级的多芯片封装( s y s t e mm c p ) ，它是将多个芯片和可能 的无源元件集成在同一封装内，形成具有系统功能的模块，因而可以实现较高的 性能密度、更高的集成度、更小的成本和更大的灵活性，与第一代封装相比，封 装效率提高6 0 8 0 ，使电子设备减小1 0 0 0 倍，性能提高1 0 倍，成本降低9 0 ， 可靠性增加l o 倍筘胡1 。电子器件的小型化、高性能化、多功能化、低成本化等 要求将继续推动着电子封装技术向着更高的性能发展，纵观近几年的电子封装产 业，其发展趋势如下睁m 1 ： 电子封装技术从二维向三维方向发展，不仅出现3 d m c m ，也出现了3 d s i p 等封装形式。 电子封装技术继续朝着超高密度的方向发展，出现了三维封装、多芯片封装 ( m c p ) 和系统级封装( s i p ) 等超高密度的封装形式。 电子封装技术继续朝着超小型的方向发展，出现了与芯片尺寸大小相同的超 小型封装形式一圆晶级封装技术( w l p ) 。 电子封装技术继续从单芯片向多芯片发展，除了多芯片模块( m c m ) 夕b 还有多 芯片封装( m c p ) 、系统级封装( s i p ) 及叠层封装等。 电子封装技术从分立向系统方向发展，出现了面向系统的s o c ( 片上系统) 、 s o p 和s i p 等封装形式。 电子封装技术继续向高性能、多功能方向发展，高频、大功率、高性能仍然 是发展的主题。 电子封装技术向高度集成方向发展，出现了板级集成、片级集成和封装集成 等多种高集成方式。 1 2 3 我国微电子封装技术的现状 我国的微电子封装技术经过一系列的科技攻关，针对军品和民品应用而研制 开发出一批新型的微电子封装结构，如l c c c 、p l c c 、p g a 、b g a 等。一系列 的研究使我们在科研和生产实践中锻炼、培养、成长了一支已具有独立设计、开 发和吸收国外新的电子封装技术能力的科研、生产队伍，人们对微电子封装也有 2 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 了一定提高。最近几年来，合资封装企业蓬勃发展起来。 但总整体上来说，我国的微电子封装行业还是相对弱小和落后的。与国际上 相比，我国仍沿用陈旧的设备、老的工艺技术、落后的管理模式，加上封装行业 布点分散，封装规模小，长期以来重视前道是i c 芯片，投资研制、开发和生产 而忽视了后道微电子封装。当前我国对i c 的需求与我国的生产能力相差很大， 2 0 0 1 年我国对i c 的需求为2 4 4 亿块，而国内的i c 产量才6 3 6 亿块1 。就这些 芯片，国内也不能全部封装，可见我国的微电子封装行业发展的空间与潜力都很 大。 1 2 4 芯片粘贴技术 电子电路表面组装技术( s m t ：s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ) 是现代电子产品 先进制造技术的重要组成部分，其技术内容包含表面组装元器件、组装基板、组 装材料、组装工艺、组装设计、组装测试与检测技术等。s m t 技术凭借其高密 度、高可靠性、良好的高频特性、高生产率、低成本等优点得以迅猛发展。s m t 组装方式主要分为单双面表面组装、单面混合组装和双面混合组装三种主要方 式，粘接主要适用于单面混装和双面混装两种组装方式。粘接的作用是在组装过 程中及波峰焊时将表面安装元器件固定在印制电路板上，以免元器件因加速度、 振动、冲击等原因而发生偏移或脱落n 引。施胶方式：施胶是指将胶粘剂从贮存器 ( 如注射筒、胶粘剂贮存槽等) 内转移到印制板上的方法，主要有三种：针式转 移、注射法和模板印刷。针式转移可单点，也可多点同时涂覆，占总用量的6 左右；注射法是将涂覆胶粘剂最常用的方法之一，占总用量的9 0 左右，施胶时 先将胶粘剂装入注射简内，用手动、气动或电力驱动将其从喷嘴针孔中挤压出来 进行涂覆；模板印刷分为丝网印刷和钢模板印刷占总用量的4 左右n 引。本文主 要研究表面组装的关键技术胶液涂布技术。 表面安装技术( s m t ) 7 0 年代起源于美国，主要用于军事，目的是电子设备 的微型化、小型化、高可靠性。8 0 年代以来，日本进一步发展了s m t 技术，使 其更加实用化、普及化。目前，我国s m t 产业发展迅速，从2 0 世纪9 0 年代初国 内s m t 生产线还不足百十条，到如今每年进口s m t 相关设备如贴片机三四千台。 随着出口制造业务的快速增长，我国厂商在选择和利用先进的s m t 贴装设备，降 低生产成本，提高产品质量的同时，也在逐步加快我们自己s m t 设备的本土化发 展进程。我国将借鉴国际s m t 设备大公司的成功发展经验，着重走两条技术路线， 一是设计开发，拥有自主知识产权；二是装配、维修和调试。目i j 中国至少有 3 0 家企业科研机构从事s m t 设备的研制，如风华高科、熊猫电子、上海现代科 技等，但总体技术水平仍待提高_ 耵。 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 1 3 胶液分配器技术的原理与方法 1 3 1 胶液分配器技术基本原理 粘接剂涂敷工艺中采用得较多的是分配器点涂技术，就是预先将粘接剂灌入 分配器中，点涂时从分配器上容腔口施加压缩空气或者用旋转泵加压，迫使粘接 剂从分配器下方针头中排出并脱离针头，滴到p c b 板要求的位置上，从而实现 粘接剂的涂敷，其基本原理是如图1 1 所示n 利。 嚣 图1 - 1 气压注射点胶 分配器点涂技术的特点是适应性强，适合多品种产品场合的粘接剂涂敷；易 于控制，可方便地改变粘接剂量以适应大小不同元器件的要求。 1 3 2 胶液分配器技术几种方法 根据施压方式不同分配器胶液分配方法分为以下三种：时间压力法、螺杆泵 分配法和活塞压力法。 时间压力法，这种方法最早用于s m t ，它通过控制时问和气压来获得预定 的胶量和胶点的直径，通常涂敷量随压力及时间的增大而增大，分配出的胶滴体 积为作用到注射器内胶液压力施加时间的函数，其工作方式如图l - 2 所示u 引，因 此可使用一次性针筒且不需清洗的特点而获得广泛使用，其设备投资也相对较少 1 2 o 其缺点是涂敷速度较低，对于微型元件的小胶量涂敷一致性差甚至难以实现， 在注射器使用寿命内，这是因为当注射器充满胶液时，注射器加压所需要的气体 少，从而胶液分配耗费时间少；随着胶液体积的减少，分配胶滴需要的时间变长， 导致分配时间和胶滴重复性改变很大。 4 中南人学硕十学位论文第一章绪论 驴压缩空气 图卜2 时间压力胶液分配方式图 螺杆泵分配法，这种方法使用旋转泵加压技术驱动胶液进行涂敷，可重复精 度高，可用于包含涂敷性能最恶劣的粘接剂的涂敷。它采用马达驱动使螺杆转过 精确的距离或者角度，其工作方式可以产生比时间压力式方式重复性更好的胶 滴。但是由于螺杆剪切胶液、马达和螺纹产生的热量将导致胶液温度的改变，由 于具有一定粘度的胶液在旋转螺纹和固定壁面问起了密封的作用，温度的升高将 减弱这种密封作用，因而就改变了分配胶液的体积；这些流量的变化会导致胶滴 尺寸的改变。同时，螺杆泵分配法比时间压力法需要更多的清洗，设备投资也大。 活塞压力式，这种方法采用一闭环点胶机，依靠匹配的活塞及汽缸进行工作， 活塞在空腔内向下运动推动胶液，由气缸的体积决定涂胶量，可获得一定的胶量 和形状。该方法优点是速度快于前两在种方法，而且能输送高粘度的流体，通过 控制空气压力的大小可调整出口流量，挤胶所花费的时间不会因为滴点的大小而 改变，因而可以保持恒定的工作效率，更容易实现快速滴胶、精确滴胶、可重复 滴胶，且可适用于滴涂不同粘度的胶液。其缺点是：设备需要经常清洗，清洗流 程较复杂，设备投资也较大；胶液中包含较大的微粒时点胶不适宜用这种方法。 时间压力式、螺杆泵式以及活塞压力式属于接触式胶液分配方法，其过程 包括挤出、与基板接触并铺展、拉断等步骤。它们共同的一个缺点是它们都需要 与基板进行接触，胶滴的质量和一致性对分配间距和分配空间的依赖性很大，这 导致过程控制中引入了很多重要参数。比如由于必须与板件接触，使得：胶液分 配针头需要上下往复运动，从而导致胶液分配速度低；难以精确控制针头与受胶 基板的间隙的一致性，导致胶液分配不均匀、胶滴形状与尺寸一致性差、胶滴之 间粘接搭桥、针头外表面粘胶等质量缺陷。 由于对分配间距和分配空间的依赖性，导致它们无法在分配间距很小且分配 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 空间受限制分配中应用n7 1 。由于接触式胶液分配中一些不可避免的缺点，同时随 着微电子封装朝着微型化、高集成度等方向发展，给微电子封装工艺带来了一系 列的挑战及其更高的要求，胶液喷射技术在这种发展状况下产生了。 1 4 胶液喷射分配的原理与特点 1 4 1 胶液喷射分配器原理 胶液喷射器以一种独特的方式工作，工作示意图如图1 3 所示u 引，材料向压 球斜面位置的补充由材料进给系统的压力完成。喷射器的工作第一步是将压球 从斜面位置移开，让流体补充到斜面区域。随着喷针向上运动，第一个腔的容积 变大；这样流体从进给系统流向腔内。喷射嘴非常小并且进给系统提供的压力足 够，这样空气无法从喷嘴位置抽入到系统中。之后将压球以设定的速度快速向斜 面位置移动。随着喷针向下运动，流体开始转移。与喷针接触的流体随着喷针运 动，但在喷针与材料腔之间正中位置的流体是向进给系统运动的。这一过程一直 持续到压球接近斜面位置。在恰好接触到斜面之前，一定体积的流体被卡在斜面 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之高，一束流 体就这样从喷嘴发射出去。然而，这部分流体的补充源已经被卡断，最终压球与 斜面接触截断流体束。 s t e p 2s t e p 3 甲b d 唧s e a 叨 图卜3 胶液喷射器工作示意图 将流体以相对较低的压力引入到材料腔中，通常芯片下填充料粘结剂的压力 小于0 1 m p a ，像液晶之类的低粘度材料压力在o o l m p a 。喷射器通过运动在流体 中产生压力，将其喷射出去，喷射的胶滴右喷嘴尺寸、压球尺寸和斜面形状决定。 喷射技术的优点在于，在喷嘴位置可以获得很高的局部压力，这样可以喷射那些 粘度很高的流体。然而，在喷射粘结剂和其他一些电子封装常用的材料时，如芯 片下填充料、环氧树脂、助焊剂、表面组装粘结剂以及液晶，机械喷射器得到了 很好的应用。几乎电子组装领域涉及到的每一种流体材料都可以通过此项技术喷 射1 蚓。 6 中南人学硕十学位论文第一章绪论 1 4 2 胶液喷射方法的优点 由于克服了针管注入的内在缺陷，各种喷射技术都要优于针管涂放方法。采 用针管沉积材料的工艺需要针管、基板和流体在同一时间完全接触。流体从针管 流出后开始沉积过程，沉积停止后针管从沉积表面移开。随着针管的抬升，由于 粘性力，流体的断开以及残留在针管和表面的流体量都很难控制。在喷射工艺中， 流体离开喷嘴喷射到沉积表面，这样一个无法控制的变量就被消除了，其结果是 工艺的可靠性、可重复性和操作范围都得到了改善汹哪】。 然而1 0 0 m m 喷嘴的长度为0 5m m ，与沉积表面的距离为2m m 。等价的 则是针床为3 2 的针管，其长度超过2 5m m 。在同样的流体压力下，采用喷射 技术可以得到五倍的流体，喷射的流体束是不受限制自由飞行的。而采用针管则 包覆在流体周围，一直到沉积位置。这样，流体的沉积位置就由针管的位置决定， 但针管本身可能已经弯曲或者定位机械手的位置有偏移。除此之外针管可能会不 完全浸润基板，这样使流体会偏向针管的一边，这样更加剧了定位偏差。为什么 针管会弯曲，这说明它撞到了某些物体。而这还会导致针管涂放过程中“芯片剪 口”现象增多。这种现象是倒装芯片的边缘由于针管偏差引起的损坏，而采用喷 射方法则完全避免了损坏芯片边缘的问题，胶液喷射分配与针头式胶液分配的比 较如图1 - 4 所示n 引。 图卜4 胶液喷射分配与针头式胶液分配的比较 采用喷射液滴的方法制作密闭线还有一些意想不到的优点。以适当距离排列 的液滴可以形成近乎完美的直线，如果在两基板之间施加压力，可以获得无起伏 的线性。随着液滴受压，它们的尺寸就会比液滴处于平衡位置的时候增大。然而， 当一个液滴接触到该轴线上的其他液滴时，在接触点位置会产生对称流动等效作 用，如图1 5 所示刚。随着液滴的持续受压，流体将向未受限的边界位置流动。 起初，整个边界的形状是起伏的。随着液滴进一步受压，流体将沿最短的距离流 动，也就是起伏最强烈的位置。这样，在直线的自由表面上等效流动。这一特性 7 中南大学硕十学位论文第一章绪论 对密封o l e d 、l c o s 和平板显示器( f p d ) 的组装非常有利。对于采用等距液 滴形成的矩形或其他封闭图形来说，其起始和终止位置是无从区分的，因此在涂 放的线形上也没有首尾液滴，这种情况对于针管涂放来说基本是不可能实现的。 j e t t 钿q a 口a r 暑f a rl n e l i o 蜘 c 3 0oo e ，霪o 跏一 图卜5 在两层基板间加压力，喷射的液滴会融合形成密闭结构 另外，胶液喷射分配方法相对于传统的针头接触式点胶，其优势在于提供了 高速、高质量和低廉的维护成本。在速度方面，其流速高达1 2 0 毫克秒，2 0 0 点秒的喷射率瞵1 。喷射过程中点与点之间的喷射不需要停顿，同时较少的高度 探测要求，因为没有针头回程，防止胶体出现拉丝现象。在垂直运动方面，喷射 方式无z 轴运动避免了接触式胶液分配中常见的问题，不会撞弯针头，因而不会 振碎晶元，没有胶水滴落现象：降低了零件干扰，不会受热变形，没有角部堆积 现象。在质量方面，点胶准确度高，较少的浸润区域，均匀的圆形喷射点；线与 线的结合质量得到改善，不存在“两头粗中间细的现象。低廉的维护成本，能 够在1 0 分钟之内进行简单而快速地清洁：同时保养无需工具，由于浸润区域范 围小，减少了胶体的浪费；板件无需底部支持，消耗件成本低廉陟矧。 1 5 论文的课题来源、研究意义与文章结构 1 5 1 论文选题 在国内微电子产业迅猛发展的大背景下，微电子产品也深入到各行各业，这 种市场的需求也对微电子行业提出了更高的要求。有关封装中的精确胶液分配及 芯片粘接的研究在国内也逐步深入展开，已有的研究表明，影响胶液分配及芯片 粘接精度的因素的复杂性，不仅取决于机械运动系统的精度，而且在胶液材料的 物理化学特性、喷射器的结构和控制方式、布胶工艺以及整个系统的有机集成等 方面都提出了严峻的考验。本课题将对喷射胶液分配中影响胶滴质量的因素进行 具体的研究，设计胶液喷射驱动系统及其他结构参数，对胶液喷射分配胶滴形成 过程中的机理进行研究，同时对芯片粘接时常见的问题进行了理论分析。 3 中南人学硕十学何论文 第一章绪论 本课题来自国家自然科学基金面上项目( 5 0 4 7 5 1 3 8 ) 和自然科学基金重大项 目“芯片封装界面制造过程多参数影响规律与控制 。 1 5 2 研究意义 胶液分配技术广泛用于芯片粘接、芯片倒装、芯片封装、光电器件粘接、微 电子器件粘接等领域，是先进电子制造、光电器件制造和微电子等领域的共性关 键技术。传统的胶液分配技术为接触分配方式，包括挤出、与基板接触铺展拉断 等步骤。该项技术已经发展很多年，许多公司拥有自己的接触式胶液分配专利技 术与经验。然而接触式胶液分配技术存在着如下缺点：胶液分配针头需要上下往 复运动，导致胶液分配速度低；难以精确控制针头与受胶基板间隙，导致胶液分 配不均匀、胶滴形状与尺寸一致性差等质量缺陷；经验表明，接触式胶液分配技 术难以实现胶滴直径小于0 2 m m 的胶液微小分配。芯片向功能更强、速度更快、 可靠性更高的方向发展，光电器件、微电子器件的尺度也越来越小，这对封装过 程的胶液分配技术提出严酷的挑战。胶液喷射分配具有接触式胶液分配方法缺少 的优点，目前世界上有厂商致力于这方面的研究，而且取得了一些专利技术。但 是在国内，该项技术处于起步阶段，与国外的发展水平有一定的差距，在国外公 司拥有专利技术的前提下，其产品价格也是相当的昂贵。综上所述，研究胶液喷 射技术既是应对微电子封装发展要求的挑战，同时也为开发拥有自己知识产权的 胶液喷射分配技术提供理论与技术基础。 1 5 3 文章结构 本论文的内容将作如下安排： 第一章绪论部分，概述了微电子行业和封装技术的发展历程，对胶液分配 器的原理进行了阐述并比较了三种接触式胶液分配的优缺点，介绍了喷射布胶的 原理与特点，并对本论文的选题和内容安排作了介绍。 第二章根据喷射器胶液流动规律，胶液喷射过程累积胶液体积与速度计算 公式的建立。结合计算机数值仿真结果分别建立了牛顿流体与幂律流体胶液喷射 过程累积胶液体积、动能等效速度及其胶液平均流速计算公式。 第三章喷射器参数影响规律。通过对不同驱动系统参数影响下累积胶液体 积、动能等效速度及其胶液等效流速的计算，研究驱动系统影响规律。同时对喷 射过程低粘度胶液物性影响规律进行研究，比较了低粘度情况下牛顿流体及其幂 律模型非牛顿流体的影响规律，比较了幂律模型非牛顿流体时不同流变指数时对 喷射过程的影响。针对喷射器部分结构参数一喷嘴直径及喷针与壁面间隙对胶液 9 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 喷射的影响规律进行了研究。 第四章喷射胶液分配大粘度条件下数值仿真。因胶液粘度较大，运动过程 中胶液对喷针的粘滞阻力变得不可忽略，同时因喷嘴内胶液因压力增大对喷针的 阻碍作用，弹簧随着喷针的向下运动而伸长，预压缩量减少，其驱动力也在减少， 该数值仿真针对喷针真实运动情况进行了仿真计算。同时结合前文中建立的胶液 动能等效速度、累积体积及其平均流速计算公式对大粘度情况下幂律流体时这三 项参数进行了计算，并与胶液低粘度条件下相同初始驱动力时计算结果进行了比 较。 第五章接触式胶液分配实验研究。利用接触式布胶实验平台，进行了基板 运动速度对布胶一致性影响的实验分析，通过p h a n t o m 数字高速摄像机对基板以 不同速度运动时胶液分配动态过程进行了动态拍摄，得出了不同的效果图。同时 拍摄了在有针头回程的情况下，基板以相同速度运动不同布胶高度时胶液动态分 配过程，并比较了各自的分配效果。 第六章全文总结与展望。 1 6 本章小节 本章在查阅大量文献的基础上，对微电子封装技术的目的及发展趋势进行了 介绍，对目前胶液分配器技术的原理与方法进行了分析，同时在此基础上比较了 时间压力式、螺杆泵式以及活塞压力式胶液分配方法的机理及优缺点。介绍了 胶液喷射分配的原理与特点，得出了胶液喷射分配技术是应对微电子封装挑战、 面向未来的技术的结论。 i o 中南人学硕十学位论文第二章喷射分配胶液累积体积与动能等效速度计算公式 第二章喷射分配胶液累积体积与动能等效速度计算公式 随着电子元器件向小型化发展，相应的封装技术也随之能够满足电子元器件 小型化的需求，喷射点胶目前能达n d , 至0 3 3 毫米的喷射点直径，精确到3 6 亿 分子一升的喷射量以及小至1 0 0 微米的喷射线条乜5 1 。从喷射器喷嘴喷射出的胶滴 体积及其速度是胶液喷射过程的两项重要参数，从理论上计算喷射胶液过程累积 胶液体积与速度将显得尤为重要。喷嘴出口的流量与喷针运动是相关的，而胶滴 形成与胶液累积的体积及其动能又是相关的p 3 4 1 。喷针向下运动使得胶液在喷针 端部不断累积胶液及其动能，喷针向下运动的不同时刻累积胶液体积及其动能不 同，为此，将喷针的运动时间区域分割成很小的时间段来计算累积胶液的体积及 其动能。 因为胶液的非牛顿流变特性对喷射过程胶滴的形成及胶滴的特性有很大程 度的影响，依据内摩擦剪应力与剪切变形速率的关系汹1 ，单位面积上的摩擦力r 为： d u f2 _ a n ( 2 - 1 ) 式中为流体粘性的度量，为动力粘度；速度梯度d u d n 是表达层流之间相对速 度大小的量。并非所以的流体都是符合牛顿内摩擦定律的，符合牛顿内摩擦定律 的流体为牛顿流体，不符合的为非牛顿流体，他们的剪切特性如下图2 1 所示。 喷射胶液为高分子化合物，其流变特性跟图中拟塑性流体相似，故胶液在累积胶 液体积极其速度计算公式将分别以牛顿与非牛顿流体( 文中为幂律流体) 进行推 导。 t d u o n 图2 - 1 几种流体的流变曲线 2 1 粘性流体的不可压缩流动 流体的可压缩性指一种物性，而流体可压缩性对流体运动的影响，则还与流 动本身的特性有关。在胶液流动分析中，将压缩性对流动的影响忽略不计，也就 中南人学硕十学位论文第二章喷射分配胶液累积体积与动能等效速度计算公式 是说在胶液喷射过程中，流体密度变化对流动的影响可略去不计。满足下列方程 穹：粤l ，即：0 ( 2 - 2 ) - i - 7 一= 一v v ，= d l融 的流动为不可压缩流动。 2 1 1 定常的平行剪切流动 均匀流体不可压缩流动的主控方程组： v - u = o ，宰：一土跏+ 1 ，v z u d t p 把流体速度方向取为x 轴，速度分量就可以表示为 “= u ( x ，y ，z ) ， ，= w = 0 粘性流方程简化为 v ，：坐：o 一警伶+ 窘) = 0 望：塑：o 勿 o z 作用在流体上的压力和粘性力相互平衡，上述方程为 吉妾= 堕a y 2 + 萨a 2 u ) 令牢：- g ，则