修博文，閻明印，衛(wèi) 民

（沈陽工業(yè)大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870）

引言

在電子制造業(yè)中，封裝技術是決定產(chǎn)品性能關鍵因素，而流體點膠技術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，它被廣泛應用在各個領域，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，流體點膠技術同樣起到了至關重要的作用[2-3]。在上述應用中，轉移率在決定產(chǎn)品質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，微機電系統(tǒng)（MEMS）等工業(yè)領域的急速發(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 轉移式微量點膠的基本原理

本課題組研制了一種基于移液針轉印原理的微量點膠系統(tǒng)，該點膠系統(tǒng)所形成的膠斑直徑可達到數(shù)十微米，膠滴體積可達飛升-皮升的范圍。該系統(tǒng)的結構如圖1 所示。該系統(tǒng)由出膠單元、驅動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儲膠管兩個關鍵元件，移液針通過在儲膠管內(nèi)的上下往復運動，實現(xiàn)膠液向基板的微量轉移。驅動單元由X/Y/Z 三個方向的驅動電機和微升降平臺組成，用于驅動微移液針及點膠工件的運動?？刂茊卧蒔LC 控制系統(tǒng)和LaBview 開發(fā)的控制面板組成，實現(xiàn)對電機運動的自動控制。

圖1 微量點膠系統(tǒng)組成示意圖

轉印式點膠過程分為三個階段，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，移液針向下移動一段距離后，尖端上的膠液接觸并擠壓點膠面，在移液針尖端和點膠面之間形成液橋。在此階段中，部分膠液從移液針尖端轉移到點膠面；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下，形成圓潤的膠斑。

圖2 點膠的過程

2 膠滴的轉移率

在尖端留有膠液的移液針接觸到點膠面之后以一定速度抬升，直至液橋斷裂并形成膠斑。在點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移率。在大多數(shù)實際情況下，轉移式微量點膠通常使用小體積（飛升-皮升）的黏性液體，這導致系統(tǒng)中的Re（與流體慣性力有關的無量綱數(shù)）值很小。因此，在研究膠液轉移率時，選擇忽略慣性力，并使用毛細管數(shù)Ca（與流體黏性力以及表面張力有關的無量綱數(shù)）來表示轉移率。

無量綱數(shù)Ca 與膠液的黏度，表面張力以及實驗所設定的抬升速度有關，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)氧樹脂作為實驗用膠。抬升速度分別設置為0.1 mm/s、0.5 mm/s、1 mm/s、5 mm/s、10 mm/s。經(jīng)過計算，毛細數(shù)Ca 的范圍為0.004 2～23.364 4。

在液橋斷裂后，轉移到點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。實驗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，需要其他計算體積的方法。為了提高計算的準確性通過灰度處理、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信息來擬合膠斑輪廓的函數(shù)，使用旋轉積分的方法來計算膠斑的體積。之后為了驗證計算的準確性，在其他物性條件相同時，將5 000 cps 的甲基硅油、3 mm/s 的移液針抬升速度的實驗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行膠斑體積的計算，結果如圖3所示。

圖3 膠斑體積

計算結果表明，甲基硅油只在少數(shù)情況下的計算結果可以使用球冠狀公式計算，其余時刻計算結果極不穩(wěn)定。因此，在測量甲基硅油的體積時，應采用積分法進行計算。

對不同黏度以及拉伸速度下的膠液進行測量并計算轉移率，如圖4 所示，在忽略慣性力的條件下，采用無量綱數(shù)Ca 來表示轉移率，對于表面張力相似且不同黏度的四種甲基硅油的轉移率有著相似的收斂情況。為了進一步印證Ca 對轉換率的影響，引入與甲基硅油不同表面張力的環(huán)氧樹脂進行對比實驗，如圖5 所示，表面張力較大的環(huán)氧樹脂的轉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移率的影響，選擇黏度較小的膠液進行實驗，同時加大移液針直徑使其脫離微量點膠的范圍，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驗中，膠液轉移率的變化與之前有極大差異。

圖4 硅油轉換率

圖5 環(huán)氧樹脂轉換率

圖6 對比實驗

綜上，可以得出結論，在其他條件相同時，在超微量點膠過程中，膠液的轉移率主要由毛細數(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候，應把重點放在膠液的黏性力與表面張力上。

3 膠滴的鋪展直徑

點膠結果最直觀的顯示就是形成膠斑達到穩(wěn)定狀態(tài)時膠斑的直徑，因此對膠斑的直徑進行研究。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)氧樹脂作為實驗用膠。移液針抬升速度分別設 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。實驗結果如圖7 所示。

圖7 不同膠液的最大鋪展直徑

實驗結果表明，膠滴黏度過小或者過大時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數(shù)Ca 較小，低速下的膠液在轉移過程中轉移率較大，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 結論

超微量點膠過程中，在其他物性條件相同時，對于表面張力相似且不同黏度的四種甲基硅油的轉移率有著相似的收斂情況，轉移率會逐漸收斂到0.5。膠液的轉移率主要由毛細數(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作用。