（机械电子工程专业论文）粘度和间隙对精密螺杆泵点胶胶量影响规律研究.pdf

摘要 封装设备制造业在微电子封装技术的发展带动下，正在快速的发 展。作为封装工艺中的关键设备，胶液分配系统得到的广泛的应用和 发展。目前应用比较多的胶液分配方式有时间压力式、螺杆泵式、活 塞泵式和喷射式等几种。其中，螺杆泵点涂胶液的黏度范围大，过调 节参数可以产生不同尺寸的胶点，可以画线及绘制轮廓图案。基于这 些优点，螺杆泵点胶越来越广泛的应用，对于螺杆式点胶机的研究也 越来越重要。 本文简述了螺杆泵研究及应用过程，并在此基础上，理论分析了 非牛顿幂律模型和牛顿流体模型在螺杆内的挤胶机理，推导出了螺杆 泵内流体流量公式和流体流速公式。在此推导过程中，关于螺杆结构， 分析了螺杆和机筒的间隙对挤胶的影响。然后，用数值模拟软件 f l u e n t 对螺杆内的流体进行仿真计算，得出螺杆内流体的压力场分 布、速度场分布、黏度场分布。最后在三维平台下进行了滴胶的试验， 比较实验结果与仿真结果，验证仿真的正确性。 文章通过仿真及理论分析和实验得出：胶液的粘度对剂胶量有一 定的影响；在同一粘度下，挤胶量随着螺杆转度的增大而增大；螺杆 的结构参数中的螺杆和机筒的间隙，当间隙为0 0 0 1 d 或者小于这个 值( d 为螺杆直径) 时，对于挤胶量的影响接近于o 。而大于0 0 0 1 d 是，挤胶量有一定的减小；胶液挤出过程的功率消耗，功率的5 0 或 以上消耗在螺杆和机筒之间的间隙中，间隙的功率消耗与螺杆的结构 参数、径向间隙和胶液模型有关；上面的这些参数，尤其是螺杆和机 筒之间的间隙为螺杆泵的设计提供了理论参考和实际设计方案。 关键词螺杆泵点胶机，牛顿流体，非牛顿流体，数值仿真，螺杆和 套筒的间隙，功率 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi cp a c k a g i n gi n d u s t r y ，t h em a n u f a c t u r eo f p 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 g t h ed i s p e n s i n gs y s t e mi sa l s o w i d e l yu s i n gt o d a yf o ri t i st h ek e ye q u i p m e n ti nt h ep r o c e s so fi c p a c k a g i n g t h e r e a les e v e r a lf o r m so f d i s p e n s i n g ：t i m e - p r e s s u r e ， a r c h i m e d e ss c r e w , p i s t o na n dj e t t i n g t h ea r c h i m e d e ss c r e wi su s e d m o r ea n dm o r ew i d e l yb e c a u s ei tf e a t u r e s m a n ya d v a n t a g e sw h i c h i n c l u d es t r o n ga d a p t a b i l i t yf o ri tc a nd i s p e n s ek i n d so ff l u i d ，a n dt h e a b i l i t yt op r o d u c ed i f f e r e n ts i z eo fd o t s ，a n dt h ea b i l i t yt od r a wp a t t e m s t h ea r t i c l ed e s c r i b e dt h er e s e a r c ha n du s i n go fa r c h i m e d e ss c r e w a t t h eb a s i co fp r e d e c e s s o r sr e s e a r c h ，u n d e rt h ed i f f e r e n tm o d e lo f n o n - n e w t o n i a nf l u i d 、n e w t o n i a nf l u i d ，t h e d i s p e n s i n gt h e o r yo f a r c h i m e d e ss c r e wi sf u r t h e rd e v e l o p e db yu s i n gt h en u m e r i c a la n a l y s i s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ；t h ef l u i dr a t e e q u a t i o na n dt h e q u a l i t yo ff l o wi s d e r i v e db a s e do nt h ep a r t i c u l a r l yg e o m e t r yo ft h e a r c h i m e d e ss c r e w t w og e o m e t r i c a lc o n f i g u r a t i o n so ft h ec h a n n e l ，w i t h g a pa n dz e r og a p ，a l ei n v e s t i g a t e d ；t h e n ，t h em o d e la l es i m u l a t e di n f l u e n ta n dg e tt h ep r e s s u r ef i e l da n dv e l o c i t yf i e l d ；a ne x p e r i m e n ti s a c h i e v e dw h i c hp r o v e dt h er e s u l to fs i m u l a t i o n t h ec o n c l u s i o n sg o t t e nf r o mt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ta r e ：i nt h e s a m ea n g l ev e l o c i t yo fp u m p ，t h eq u a l i t yo fd i s p e n s i n gi sr e d u c e dw h e n t h ev i s c o s i t yo f f l o wi s i n c r e a s e d ；u n d e rt h e s a m e v i s c o s i t y , t h e d i s p e n d i n gi si n c r e a s e dw h e nt h er a t eo fp u m p i si n c r e a s e d ；t h ei n f l u e n c e o nd i s p e n s i n gq u a l i t ya l m o s ta p p r o a c hz e r ow h e nt h eg a pi sl e s st h a no r e q u a lt oo 0 01d ( d i st h ed i a m e t e ro fp u m p ) t h ef l o wr a t ew i l ld e s c e n d w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eg a p t h ei n f l u e n c eo fg a p ，c o m p a r e dw i t h s c r e wp a r a m e t e r ，t h er o t a t i o n a lv e l o c i t ya n dt h en e e d l e ，i sm i n u t e ；t h e p o w e rc o n s u m p t i o no fp u m pi sa n a l y s i s e ds i m p l y t h e5 0 o fp o w e r c o n s u m p t i o ni si nt h eg a p ；t h ea b o v ec o n c l u s i o n s ，e s p e c i a l l yt h eg a po f t h ep u m pa n dm a c h i n ec h a n n e l ，i sr e f e r e n c e dw h e nt h ep u m pi s d e s i g n e d 1 1 k e yw o r d sa r c h i m e d e ss c r e w , d i s p e n s i n g ，n o n n e w t o n i a nf l u i d ， n e w t o n i a nf l u i d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，g a p ，p o w e r i i i 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，除了论文中特别加以标注和致谢 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：乞兰壁垒 日期：卫年旦月j 白 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。 日期：! 曼年上月丝日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自从1 9 7 4 年世界上第一只晶体管出现以来，各种微电子封装技术极大地影 响并推动着以电子计算机为核心、集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 产业为基 础的现代信息产业的发展，使i c 及封装产业已成为衡量一国国力强盛的重要标 志之一。现代微电子封装技术已形成与i c 相适应的高新技术产业，她随着i c 的发展而不断前进，反过来又进一步促进i c 的进步和提高。i c 的设计、工艺 制作及封装三者已密不可分，并相互促进，协同发展。 随着微电子技术的发展，集成电路复杂度的增加，要求半导体封装具有更多 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、更低的单个引线成本等卫1 。当前，无论是个人p c 机，信息产业还 是汽车电子以及消费类电子产业，还有军事、航空、航天领域都越来越要求电子 产品具有高性能、多功能、小型化、薄型化、便携式以及大众化普及和低成本等， 从而促使i c 及其封装技术达到越来越高的要求。 微电子封装技术即半导体封装技术 2 4 ，又称高级集成电路封装( a d v a n c e d i n t e g r a t e dc i r c u i te n c a p s u l a t i o n ，a i c e ) 。微电子封装工业中，以表面贴装技 术( s u r f a c em o u n tt e c h n o lo g y ，s m t ) 新一代电子装联技术得到广泛应用，在许 多领域中已经部分或者完全取代了传统的线路板通孔插装技术 5 - 7 。表面贴装 技术最显著的特点是提高了电路的密度，改善了电子性能；同时可以降低工艺成 本、提高产品质量和可靠性。表面贴装技术的核心是在焊接之前将元件贴装到印 制板焊盘区域使用的机器陋1 。这种机器和通孔元件插装机器比较，它是通用型的， 能够贴装不同类型的元件，它的设备度、精度和柔性都很高。随着表面贴装技术 的发展，半导体封装工业又将其用于芯片固定( d i e a t t a c h ) ，倒扣封装 ( u n d e r f i l l ) ，填充涂层( c o a t i n g ) 等方面。 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 中南大学硕士学位论文第一章绪论 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 半导体封装包括组装( a s s e m b l y ) 和封装( p a c k a g i n g ) 两个方面晗引，它是 将数万计的半导体元器件组装成一个紧凑的封装体，与外界进行信息交流，它的 基本功能包括电源供给、信息交流、散热、芯片保护和机械支撑。半导体封装一 般可分为四个主要层次心1 ： 1 ) 零级封装芯片层次上的互连； 2 ) 一级封装芯片( 单芯片或者多芯片) 上的i o 与基板互连； 3 ) 二级封装封装体连入印刷电路板或其它板卡； 4 ) 三级封装电路板或其它板卡连在整机母板上。 半导体封装过程目前已经历了三个发展阶段，从9 0 年代开始出现了飞跃式 的发展瞳1 0 1 ： 第一阶段为8 0 年代以前，封装的主体技术是针脚插装( p t h ) ； 第二阶段是从8 0 年代中期丌始，表面贴装技术成为最热门的组装技术，改 变了传统的p t h 插装形式，通过微细的引线将集成电路芯片贴装到印刷线路板 上，大大提高了集成电路的特性，而且自动化程度也得到了很大的提高； 第三阶段为从9 0 年代开始，随着器件封装尺寸的进一步小型化，出现了许 多新的封装技术和封装形式，其中最具有代表性的技术有球栅阵列( b a l l g r i d a r r a y s ，b g a ) 、倒装芯片( f l i pc h i p ，f c ) 和多芯片组件( m u l t i c h i pm o d u l e ， m c m ) 等，这些新技术大多采用了面阵引脚，封装密度大为提高。在此基础上， 还出现了芯片规模封装( c h i p s c a l ep a c k a g e s ，c s p ) 和芯片直接倒装贴装技术 ( d i r e c tc h i p a t t a c h m e n t ，d c a ) 等新型封装技术。 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 2 中南大学硕1 j 学位论文 丌发出一批新型的微l 乜子封装结构，如1 c c c 、p i ( ：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、成长了一支已只有l l t - l 设汁、丌发和 吸收国外新的电予封装技术能力的科研、生广：队f - i _ ，人们对微电子封装识也有 了一定提高。最近几年束，合资封装企业蓬勃发展起来。 但总整体j ：来说，我国的微f 乜子封装行业还是相对弱小和落后的。1 j 凼际上 相比，我国仍沿用陈旧的 焚备、老的工艺技术、落后的管理模式，加上封装行j 比 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、丌发和生产 而忽视了后道微电予封装。当前我国对i c 的需求与我国的生产能了j h 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| 、r j 与潜j 都很 人。 1 3 点胶技术的应用形式、技术分类及其应用状况 1 3 1 点胶技术的应用形式 微电子封装工业巾包含许多的胶体点胶技术，一般用来完成点的点胶、线的 点胶、面( 涂敷) 的点胶u ，点胶技术主要用在芯片固定、倒扣封装、表两涂层： 芯片固定( d i e a t t a c ho rd i e m o u n to rd i e b o n d ) 是将电子芯片和衬挚或者支 撑结构上的芯片空腔连接在一起的过程，如图1 1 a ，通常有两种方法：粘合剂 芯片固定和易熔合金芯片固定。粘合剂固定将诸如聚酰亚胺、环氧树脂等粘合剂 l i 胶在芯片衬挚或空腔中，然后用一夹头央住芯片置入胶体上，利用胶体的粘性 将芯片吸住达到固定芯片。易熔芯， 一固定通常用于密封封装r f l ，使用易熔的合金 来连接芯 a 芯片固疋b 封装倒扣 图1 1 芯片固定和封装倒扣 封装倒扣( u n d e r t 1 1o rl ? lj 旷c h i pt e c h n o l o g y ) 是冈为倒装芯片与基板相 连的纠周留有空隙，需用聚脂等胶体沿省芯片边缘将m 隙填允，如图1 一i b 。这 样呵以减少它们问的相对位移和防j f ：受剑环境腐蚀：还叮以减轻冈小h 材质的温 度伸展率不同而产生剪切j 、砭j 。通过封装倒扣可以扩敞应力，提高可靠性；同时 中南人学硕士学位论文第一章绪论 可以提高产品的刚性，在经受冲击的时候，不易与基板脱离。 j 芯片涂敷( d i e c o a t i n go fd a ma n df i l l ) 将高粘度的胶体先点胶在基板上， 形成一个坝肜( 1 ) a m ) 边界围住芯片和引线，如图l 一2 a ，接着低粘度的胶体填充 边界所围空f r j ，并使流体能够流经引线空隙，湿润罩面的元件表而等，如图 1 2 b 。坝形边界很关键，其高度、宽度和长度通常需精确控制。随着芯片尺寸 减小和邻近的封装元件距离变小，对坝形边界准确点胶非常重要，其外形不仅决 定了填充胶体的体积，而且影响最后封装的外表。 a 坝形边界b 填充 图卜2 芯片涂敷 在这几种封装过程中，一个基本要求是封装胶体的流速必须控制在整个过程 中保持一致，才能保证有一致的胶点和坝外形以及同样量的胶体体积。 1 3 2 几种点胶技术的比较 滴胶技术按其r = 作原理可分为：时问压力式、蝶杆阀式、活塞泵式和喷射式 等几种。根据它们各自的特点，适用范围也不尽相同。f 面j 对这几种滴胶方式分 别进行比较介绍。 时间压力式( t i m cp r e s s u r e ) ：如图l 一： ，该技术目前使用最广泛，它足随 着s m t 的发展而最先引入的技术而且被、i k 界广泛接受。它使用的历史也比其他几 种滴胶的技术要长。6 。其t 要优点有：结构及原理简单，使用及维护成本较低； 料桶和针头更换方便，通过更换零部件可滴出不同量的胶液；设备清沈和维修方 便；系统灵活，可用于不同黏度的胶液的滴涂“引。缺点是：胶液靠窄气脉冲推动， 执行一次t i 胶循环花费时问较多，冈而在高速点胶时，速度受到限制，一般最高 达4 0 ，0 0 0 点每小时，并且随着。t j 棚交速度的增大，胶点一致性雉】二保证；每执行 一次点胶，料桶嗯的胶液全部破压缩；料桶胶最的多少使得它对空气脉冲的反应 不。一样，因m ：i l 的皎点也不一致14 ；难于点j 叶j 一致性良好的微小胶点，例如很 j f 的笥出用j 二0 8 0 5 或0 6 0 3 封装的胶i ，盘果封装达到0 4 0 2 或者史小时，该技术 就无能为力了。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图卜3 时间一一压力式滴胶原理图 螺杆阀( a r c h i m e d e sm e t e r i n gv a l v e s ) ：螺杆阀也叫螺杆泵，如图卜4 ，它 通过螺杆旋转带动胶液往针嘴流动，并挤出完成点胶。该点胶技术是目前发展最 快的技术之一，许多公司都致力于发展此项技术，在市场上，它所占的份额也在 不断增加。而且在很多应用上正替代时间压力式。这种滴胶方式的优点是：适应 范围广，可以用来点涂不同的胶液，胶液粘度范围可以在1 0 0 - - - 1 5 0 0 k c p s 之间； 胶点受螺杆旋转和针头直径的影响，因而可以通过调节这些参数，产生不同大小 的胶点以适应不同的需要；螺杆泵滴出的最小胶点要比时间压力式产生的要小， 但可能比其他方式产生的要大；螺杆泵不但可以用来产生一系列均匀的胶点，还 可以画线和画出不同轮廓的图案；该技术不但可以用于滴涂贴片胶，也可以应用 在诸如围坝、填充、底填料、粘结剂和焊膏涂布上。缺点是：清洗没有时间压力 式方便；胶液粘度随温度、存储时间等会发生变化。 d j r e ct i o n o f 。o 。“( ) 图卜4 螺杆泵式滴胶原理图 活塞泵( p i s t o np o s i t i v ed i s p l a c e m e n t ) ：活塞泵由活塞与圆柱形空腔组成， 如图卜5 ，首先在圆柱形空腔内填满胶液，活塞在空腔内向下运动推动胶液，挤 出的胶量为丌r 2 h 该滴胶方式的优点是：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；滴胶速度比时间压力式和螺杆滴胶快速； 中南大学硕士学位论文第一章绪论 所滴胶点的体积不因胶液属性如黏度的变化而改化，因此更容易实现快速滴胶、 精确滴胶、可重复滴胶；可适用于滴涂不同黏度的胶液。缺点是：设备需要经常 清洗，而且清洗流程较复杂；每一点胶系统所滴胶点的尺寸固定，灵活性稍差； 胶液中包含较大的微粒时点胶不适宜用这种方法。只适合于滴点，不适合于画线 或绘制轮廓图案m 1 。 图卜5 活塞泵式滴胶原理图 喷射技术( j e t t i n g ) ：喷射技术是目前正在发展的技术，尚未大规模的进行 商业应用。它通过一个撞针把加压的胶液从针嘴出挤出来。由于胶液挤出速度较 快，可以把胶液喷射到基板上。该方法最大的优点是胶液非接触式喷射，滴胶平 台z 轴不需运动因而节省了大量的工作时间，滴胶速度比上述几种滴胶方式快。 缺点是：点胶头结构复杂，清洗和维修不方便；需要一个加热器，使用之前，至 少需要2 0 分钟的预热时间；滴点高度是一个关键因素，调节不好时，可能产生 “卫星点”及其它缺陷；要求胶液粘度较小，因此可用于喷射方式的胶液种类很 少。 1 3 3 点胶技术的发展趋势和当前存在的问题 这些年来，为减少电子产品的尺寸和降低生产成本，芯片和封装尺寸一直有 减少的趋势。i c 工业的发展方向将影响到点胶技术的发展，点胶技术也必然要 适应i c 工业发展的需要，未来点胶技术发展的趋势应是：适应智能微系统和小 尺寸元件的需要，使点胶出来的点、线尺寸更小；在降低生产成本的基础上，提 高点胶速度、精度和一致性；使点胶效果在不确定的环境中更加稳定。 半导体工业由于受到内部和外部因素变化的影响，质量很难实现一致性，点 胶技术也存在这种问题。点胶的体积和点胶的形状是两个重要的指标，我们总希 望胶点体积能保持一致性以及胶点有比较稳定的形状。由于点胶中作用参数和流 体运动的复杂性，对点胶系统来说很难实现这种一致性的结果。 在影响点胶质量的因素中，有些属于系统本身的特性，如针尖的特性、针尖 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 到基板的距离、压力等，属于可控制的因素。还有一些属于半控或不能控制的因 素，如胶体的粘性、润湿性和流动性能、随温度的稳定性以及压缩空气的运动特 性。在建立点胶系统时，只有综合各种因素的影响进行系统的软硬件设计，方能 实现可靠的点胶性能。影响点胶最终质量的主要因素有： 1 ) 粘度 胶体的粘度是流体流动性能的度量，同样也是影响点胶特性的关键因素。但 是粘度本身又是温度、材料储存时间、受力情况、批量变化等因素的函数。当使 用不同的点胶技术点胶时，胶体受到的剪切力的作用不同，这就会导致粘度变化 而影响到点胶质量。 2 ) 温度 如果胶体的温度发生变化，其粘度一定会随之改变。特别在工业现场环境下， 温度因素通常都会有所变化。在点胶过程中，温度是一个很重要的影响因素，它 能影响粘度和胶点形状。 3 ) 针筒内胶体高度 随着点胶进行，注射器中胶体总量减少，胶体液面高度降低。针筒内气体空 腔增大，过程中的气动条件发生改变，影响到了作用胶体的气压响应，这个在微 量点胶时尤为明显。 4 ) 断续的脉冲气体会加热胶体，改变胶体粘度和胶点质量。 5 ) 滴胶过程针尖粘附胶体，容易出现拖尾现象，严重影响了点胶体积和形 状。 从上面的分析可知，不可控因素的影响是随机的，只有在系统上、在操作上 尽量减少它们的影响。而对胶体粘度和过程参数变化等呈规律性的因素，需要进 一步研究，分析它们影响的规律，找到相应的控制方法。 1 4 本文研究工作的重要意义 点胶是微电子封装工业中一道很重要的工序，广泛用于集成电路封装和表面 贴装。把一定量的胶体点胶到工件上看起来是件很简单的工作，然而由于点胶过 程涉及到气体、液体等多种介质，所用的粘接剂为非牛顿流体，其复杂多变的性 能使得点胶的性能和质量难以保证。对胶点不断提升的要求不仅激发了制造商研 究新的点胶方法，而且也触发了他们在理论和实践上对点胶技术进行更为深入的 研究。最近几年在测量技术、系统建模、过程控制等方面的发展，开始在现有封 装设备基础上采用一些反馈控制技术来提高性能 螺杆泵点胶是目前使用得较多的点胶方式之一，它较其他几种滴胶方式优势 明显。螺杆泵点胶可以点滴不同黏度的胶液，适用范围广；点胶速度快、点胶量 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 精确可控；不但可以利用螺秆泵进行滴点，还可以用来画线及绘制图案。虽然使 用螺杆泵点胶有如此多的优势，但是s m t 过程封装工程师在选择点胶工序所需的 设备以及如何设置这些设备的参数时，却面临着很大的困难，实际上，设备制造 商也面临同样的困难，他们很难对自己的产品适合那种情况做出决定，因为不同 的电子元件、或者不同厂家生产的相同的元件所需的胶粒是不同的。而且在s m t 相关的应用技术文档中，关于点胶工序的论述很少，只有一些不成文的经验。因 此，过程工程师在选择点胶工艺中的参数如胶体材料时，通常采用“一种胶体对 付所有情况”的做法。因为，他们不知道胶体属性对点胶的影响到底有多大，很 少有文章阐述不同的胶液属性各有什么缺点与优点。他们甚至还不知道自己所选 择的方案也许是最差的。在选择点胶工具时通常也存在“一种设备对付所有情况 的现象。只有充分理解点胶工具内部机理，才能避免做出这样错误的选择。 在本文中，只对目前较流行的点胶方式螺杆泵点胶进行研究，研究了不 同模型的胶液的各参数对点胶的影响，并对不同模型的胶液点胶机理进行理论研 究、仿真分析作深入的研究，同时考虑了螺杆和机筒间隙的结构参数对挤胶的影 响。 1 5 本文的结构及研究方法 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，比较了三种 接触式胶液分配的优缺点，介绍了接触式点胶机的原理与特点，并对本论文的选 题和内容安排作了介绍。 第二章根据不同胶液流动规律，结合螺杆泵点胶机的运动和机构情况，对 牛顿流体和非牛顿流体在点胶机中的运动情况进行理论分析，并推导出胶液的流 动速度和胶液的挤出公式。 第三章在前面理论分析的挤出上，进行胶液流场的三维模型建模，应用有 限元网格化分，仿真计算。分析不同胶液的压力场、速度场、黏度场。 第四章考虑螺杆和机筒的间隙结构的情况下，对胶液流场进行分析，并三 维建模，仿真分析其过程，同时对胶液挤胶过程中的功率消耗做了简单的分析。 第五章螺杆泵点胶机的实验研究。利用接触式布胶实验平台，研究了螺杆 泵点胶机的工作原理，通过p h a n t o m 数字高速摄像机对其运动过程进行了动态拍 摄，得出了不同的效果图。同时拍摄并分析了不同粘度胶液的挤胶情况。 第六章全文总结与展望。 中南大学硕士学位论文 第二章螺杆泵内不同粘度胶液的流变特性 第二章不同粘度的胶液在螺杆泵内的流动分析 2 1 前言 微电子封装广泛使用胶液固定器件，对其进行机械保护，减缓温度差产生的 应力。波峰焊接前通过s m t 使用的胶体把表面安装元件固定在p c b 板上，能避 免高温波峰焊接冲击下引起元器件的脱落和移位n 5 一副。在螺杆泵式点胶机中，胶 液在螺杆泵内的流动是一个从物料桶到针头再到基板的过程。螺杆泵结构如图 2 - 1 所示，螺杆泵工作时，给料桶上端施加一定的压力，该压力使胶液从料桶流 动到螺杆部分。胶液到达螺杆处后，螺杆旋转拖动胶液往下流动，最终从针头处 挤出来，与基板接触，形成胶点，完成挤胶。螺杆挤胶的原理与螺母在螺钉中的 运动机理相似：当螺钉旋转、螺母周向固定时，螺母会沿着螺钉在轴向前后运动。 在螺杆挤胶中，螺杆相当于螺钉，胶液流体相当于螺母。因为胶液为黏性流体， 且黏度一般较大，胶液最外层紧附在螺杆套筒壁上，可认为周向运动速度为零， 远离表层的胶液受螺杆旋转而有一定的速度。但当螺杆转动时，在螺槽内的胶液 会沿着轴向整体向前滑动。最终把胶液挤出到针头端。在压力的作用下，胶液从 针头内挤出来。并在针头嘴形成半球状的胶滴，半球状胶滴与基板接触。针头在 这个位置有一个很短的停留时间，使胶液与基板充分接触，然后，针头向上运动， 胶液在基板与针嘴之间形成马鞍形的液体桥，当针头上升到一定程度时，胶液桥 拉长，并最终被拉断，在基板上留下一定量的胶量。在整个挤胶的过程中，要想 得到滴出精确量的胶液，除了需要调节螺杆的各项参数，如螺杆转速、入口压力、 针头大小、滴点高度、挤胶时间，同时还需要知道不同流动特性的胶液的一些物 理参数，如胶液粘度，以及粘度随边界温度和剪切力发生变化的规律等。 对螺杆泵滴点高度，针头大小，螺杆参数如螺距、螺槽深度、宽度及螺杆转 速对挤胶的影响的研究，往届师兄已经做了大量的工作 i g , i t 并得出一些有价值 的经验：螺杆转速在诸参数中对挤胶量的影响最大；胶点直径一般为针头内径的 2 倍；挤胶量随着挤胶针头内径的减小而成指数减小，当内径增大到一定值时， 挤胶量并无明显增大；螺杆内部参数中，螺槽深度的影响比螺槽宽度大得多，并 且螺槽深度增大使得流道横截面积增大时，挤胶量反而减小u 引。但是对于不同流 动特性的胶液的参数，如胶液粘度以及粘度随边界温度和剪切力发生变化对挤胶 的影响的研究则较少。胶体通常展现出一种流变特性，胶体粘性不是一个常数， 流体粘性依赖于剪切应变、温度甚至挤胶时间。胶液在三维螺旋槽内的流动十分 复杂，很难得出不同胶液的流动特性的解析方程，而且要进行相关实验也比较困 9 中南 ：巴。，则是由于粘性的影响， _ o “ 环行单元内外两倾i i 的摩擦力之和，根据如下公式求解： ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 作用在该 瓦。嘲( ，圳肿+ 詈妒2 万儿脚，龇( ，考卅 ( 2 _ 1 0 ) 在螺杆式点胶过程中使用的胶体属于非牛顿流体。对于非时变粘性流体，其 本构方程的一般形式为 多：厂( f ) 或一_ d u ：厂( f ) ( 2 1 1 ) 联立粘性流体的一元流体的本构方程、动力学方程和均匀流动方程，代入边 界条件( ，= r ，甜= 0 ) 并积分可以得出胶体在流道内的流量公式： q = 警_ - - - 5 - - 3 ( 矿办 ( 2 - 1 2 ) r 要- f ( f ) 已知，代入上式即可得到流量公式的具体形式。以研：v 1 p _ y ，r 带入后， 式子( 2 1 2 ) 就可以表示压降和流量的关系。 对于流速分布，则联立公式( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 1 1 ) 代入管壁上流速为零 ( ，= r ，“= 0 ) 的边界条件，并积分可得 “：旦pm ) d r ( 2 1 3 ) 研“ 这是粘性流体的流速分布的一般形式。只要粘性的本构方程代a z = 厂p ) 的 具体形式，代入公式( 2 - 1 3 ) ，就可得到速度分稚的具体表达式。 2 4 2 不同流体的流动分析 胶液在管道内按恒温、不可压缩层流的条件下推导出的粘性流体在圆管内的 速度分布，流量和平均流速的基本公式，不同粘性流体具有不同的f ( r ) 形式， 如： 1 6 1o 厶 塑牡 = r 为处壁管在 中南大学硕士学位论文第二章螺杆泵内不同粘度胶液的流变特性 n e v v t o n i a n 流体方程：多：三 h p o w e rl a w 流体方程：7 = ( ) ” ，三 意 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 把。( _ f ) 代人基本公式( 2 1 2 ) 甲，开结合买际情况。积分开得出个i 司_ i j 父敝嗣 流量公式： n e 叭。n i 锄流体方程：q = 警 ( 2 - 1 6 ) p 。、e r - l a w 流体方程：q = 1 + 彻3 7 n ( 2 人- 西力) ；尺竿 ( 2 一1 7 ) 把厂( f ) 代入基本公式( 2 1 3 ) 中。积分并得出不同胶液的流速分布公式： n e 埘。n i a l l 流体方程：“= 急( r 2 _ r 2 ) ( 2 _ 1 8 ) p 。w e r - l a w 流体方程：甜= n + l 1 ( - 垒2 k l 暑 ( r 譬一，等) ( 2 一1 9 ) 75 蝗杆眙流动植犁 螺杆泵的胶液挤出主要是利用螺杆的增压、泵送原理进行的。这也是本章的 核心所在。下面将就牛顿流体和非牛顿流体在螺杆泵内的体积流率进行理论分析 和建模。 2 5 1 牛顿流体分析 在螺杆泵分配系统整个的滴胶过程中，温度是保持恒定不变的；在螺杆泵没 有转动的情况下，胶液不会由于重力的作用下而自然的流出针头；在分析的过程 中可以认为这项对流体流率的影响很小，甚至可以忽略不计，即重力的作用忽略 不计。由于转动的螺杆的拖曳流，是螺杆中的胶液流出针头到达基板。所以实际 的螺杆泵的几何结构及其和机筒的配合将对胶液分配起关键的作用。使用中的螺 杆泵的结构剖面如下图2 5 ： 1 7 中南大学硕t ：u - 位论文第二章螺杆杂内不同粘度胶液的流变特性 图2 5 螺杆泵的剖面结构 图中所示的螺卡t 是根据实际的螺杆大小按比例画出来的，螺槽的宽深比为 15 ( w h l0 ) 。基于以一l 的实际，在螺杆泵挤出胶液的理论分析之自订，我们町以 做以下的假设： 1 流体为牛顿流体阻4 4 】 2 流动是稳念的 3 粘度与温度无关 4 壁卜无滑动 5 物体力和惯性力均【i j 不计 通过以i ：的假设，螺杆泵结构的儿何形状可以表示为如下图2 - 6 所示： 圈2 - 6 螺杆泵输送的模型 中南大学硕士学位论文第二章螺杆泵内不同粘度胶液的流变特性 根据上面的假设和上图所示，可将螺杆泵的挤胶过程简化为一平板以速度0 。在 一扁平矩形螺槽中运动，与螺槽螺棱之间的角度为缈，设x 、y 方向无流动。 对于此问题我们可将三个方向上的运动方程分别写为： 望：o 西 望：o 砂 o pa r ，。 瓦：8 z2 焉必卵 ( 2 2 0 ) 压力仅为顺螺槽坐标z 的函数，所以公式( 2 2 0 ) 可积分得出径向( y ) 的剪切 应力分布： f 。= f o + g ：y ( 2 - 2 1 ) 式中，f 。为螺杆表面的剪切应力，目前还是未知数。 对于牛顿流体，公式( 2 2 1 ) 可写为： ：华：+ g ：y ( 2 2 2 ) 缈 通过对公式( 2 2 2 ) 的积分，得出与法向距离y 有关的函数关系的顺螺槽速度， 用边界条件d ：( 0 ) = o 和u ：( 日) = 圪：，得出下面的表达式： 圳= c 等一等y + 乞y 2 p 2 3 ， 通过螺槽横截面积上顺螺槽速度的积分，可得出顺螺槽方向的流率： 9 = r p 形哆砂7 1 删一警 ( 2 - 2 4 ) 式中，p 为平行螺棱数目，w 为垂直螺槽宽度。 这代表螺杆泵在输送胶液部分的体积产出量，公式( 2 2 4 ) 的第一项为曳流项， 代表纯曳流的流率，即在顺螺槽方向上无压力梯度： 奶= 去p 聊 ( 2 2 4 a ) 公式( 2 2 4 ) 中的第二项为压力流项，代表纯压力作用下引起的流率。即在 螺杆与机筒之间无相对运动( 在螺杆泵无转动时，在流体内压力的作用下产生的 压力流) ： 1 9 中南大学硕士学位论文第二章螺杆泵内不同粘度胶液的流变特性 绋= 警 ( 2 - 2 4 b ) 在前面的公式( 2 2 4 ) 中，第二项的符号为负，也就是说，当压力梯度为 正数时，压力流会使胶液挤出量减少。g z 的值有下式确定： 铲毕( 2 - 2 5 ) 式中：乞一出口压力，昂一入口压力，l 一顺螺槽长度 于是净流率就是拖曳流率和压力流率的线性叠加。我们知道，这是所用微分 方程的线性结果，因为我们已经假定了流体为牛顿流体和等温流动，故微分方程 是线性的。根据公式( 2 2 5 ) 整体来看，决定流率的速度分布形状的无因次群是 压力流率对拖曳流率的比： 允：望l ：一h z g z ( 2 2 6 ) q6 , u u b z 、7 当该无因次群入的值为1 时，意味着净流率为零或断流：当入为o 时，则意 味着净流率是由纯拖曳流引起的。 根据公式( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 及( 2 2 4 ) ，我们可以得出在螺槽中牛顿流体的速 度分布计算剪切速率分布式： 雕) = 等= 冬【1 + 3 ( 1 喵) 兄】( 2 - 2 7 ) t盯v 式中：善= 吉。 由公式( 2 2 7 ) 可以得到，如果无因次群入的值为1 3 时，则在机筒壁面处 的剪切速率为零，若入的值为1 3 时，则在螺槽底部的剪切速率为零。当无因次 群的值在此范围内时，速度分布无极值。结合净流率公式( 2 2 4 ) ，可得出无极 值条件为： 孕 q 警( 2 - 2 8 ) 由此方程，可以画出某些典型的剪切速度分布图2 7 如下： 2 0 中南大学硕士学位论文第二章螺杆泵内不同粘度胶液的流变特性 = 一1 = 一l 3 = o = 1 1 3 = l ；r = o 胸- o 胸一鲁 胂) 一。 多- 2 声一 断流纯拖曳流 图2 7 牛顿流体在截面内的速度分布 根据公式( 2 2 8 ) 可确定螺杆泵滴胶的挤出量。同时，根据公式( 2 - 2 4 ) ， 对螺杆的几何形状的变化影响将会变得非常明显。特别是螺槽深度的影响值得注 意。曳流流率与螺槽深度成正比，但压力流流率会随螺槽深度的三次方而增大。 因而，压力流随螺槽深度的增大比曳流快。 2 5 2 非牛顿流体分析 上面对牛顿流体通过简化模型分析了其增压原理，可分析和估计一部分滴胶 情况下的胶液挤出量，但实际使用中，胶液在大的剪切速率下呈现非牛顿流体的 特性，所以我们将分析非牛顿行为对这种流动和增压方式的影响，既然最重要的 有关非牛顿特性是对剪切速率的依赖，我们就采用幂律模型流体h 副。在此之前仍 然假定流动是稳定的、充分展开的和等温情况下，并且不计漏流，螺腹对顺螺槽 速度分布的影响不计，仅考虑顺螺槽速度的一维情形。 对于一维分析，运动方程由公式( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 加以描述，本构关系即 幂律方程可写为： 铲朋针1 等- - - z ( 2 - 2 9 )一i 万l 万 公式( 2 2 5 ) 和( 2 2 1 ) 相结合描述基本问题，将得到的方程写成无因次形 式是比较方便的。为此，下列无因次量定义为：无因次深度毛= y h ，无因次顺 螺槽速度u ? = d ：及一个折算的压力梯度k ，这个折算的压力梯度定义为： k ：( 堕) s 旦 ( 2 3 0 ) 聊 式中s 为幂律指数的倒数( s = 1 n ) 。 对公式( 2 2 9 ) 积分，可得： 阿1 筹堋h ， 亿3 ， 2 l 中南大学硕士学位论文第二章螺杆泵内不同粘度胶液的流变特性 公式( 2 3 1 ) 中的燹量入代表舅切速翠为0 的位置，这也是速度分布中微值 的位置，此值必须已知以消除速度分布中的绝对值。目前仅考虑正压力梯度g ：。 如果极值出现于螺槽中，则0 入l ，当乏入时，公式( 2 3 1 ) 可简化为： 等：r r ( 4 卅s ( 2 - 3 2 ) 二_ 一 一l d 芒 。 将上式积分并代入适当的边界条件，可得到下面的表达式： u ? = l 一l 譬【( 1 一五) 什1 一( 孝一旯) 针1 】( 2 - 3 3 ) j + 1 同样，对于毛入时，表达式变为： u ? = s - 备l ( 4 一善) 5 + 一+ 1 】( 2 - 3 4 ) 很显然，当毛= 入时，由上面两式得到的两个速度应该是相等的，由于这种相等 性，得出下面的方程： 1 _ ( 1 。广l + 等- o ( 2 3 5 ) 由此方程可计算入的值，在实际流动区域之内存在极值的条件是rr s + l ，最大 速度可写为： 。? 一m a x = 鬲r r ( 2 - 3 6 ) 当f r s + 1 时，极值在实际流动区域之外，用相同的步骤，当r r s + l 时的方程 为： ( 以广1 _ ( 1 。广l + 等- 0 ( 2 - 3 7 ) 无因次速度u ? 和无因次流率q 二者可写进单一表达式中： 蜘筹群 陋3 8 ， 及 q 。= 石2 ( 1 一五一r r1 4 1 ”1 ) ( 2 - 3 9 ) s+ z 无因次流率为实际流率除以曳流流率因而有： 中南大学硕士学位论文第二章螺杆泵内不同粘度胶液的流变特性 秽：? l( 2 - 4 0 ) w h u