流体点胶过程流动分析与数值仿真.docx

1、目录第一章绪论11.1 研究背景-在电子封装中的应用11.2 点胶技术31.2.1 点胶技术的应用形式及其比较31.2.2 点胶技术的发展、现状及存在的问题51.2.3 国内外点胶机技术对比91.2.4 时间-压力型点胶技术101.3 课题研究意义、研究内容121.4 小结14第二章时间-压力点胶系统物理模型152.1 前言152.2 点胶中胶体的应用及其流变特性152.2.1 牛顿流体流体特性172.2.2 非牛顿流体流体特性172.3 流体运动建模192.3.1 点胶流体流态问题192.3.2 流体动态特性方程202.3.3 流体运动简化模型222.4 流体有限元建模252.5 小结27第

2、三章时间-压力点胶系统胶体流动数值仿真283.1 计算流体力学仿真技术283.1.1 计算流体力学的发展283.1.2 CFX 软件介绍303.1.3 时间-压力点胶数值仿真303.2 几何模型的建立313.3 模型网格划分323.4 模型前处理条件的设定333.5 稳态模型仿真结果、分析及比较343.5.1 胶体的流场分布图及分析343.5.2 胶体的压力梯度分布图分析383.5.3 入口压力对出胶量的影响383.5.4 针头直径对出胶量的影响393.5.5 针头长度对出胶量的影响403.6 CFX 仿真结果判定423.7 非稳态点胶分析433.8 小结44第四章点胶系统关键影响因素分析45

3、4.1 前言454.2 剩余胶体量的影响454.2.1 气管的影响分析454.2.2 针筒空腔气体影响分析464.2.3 优化措施474.3 静态混合的影响双液点胶484.3.1 点胶中的静态混合技术494.3.2 压力降的计算及其影响因素分析494.3.3 压力降因素的优化措施514.4 针尖残留量的影响524.4.1 点胶高度534.4.2 针头形状、内径544.5 小结54第五章基于实验的点胶影响因素分析555.1 前言555.2 实验目的555.3 实验条件及方法555.3.1 实验条件555.3.2 实验方法565.4 点胶压力的实验和结果分析585.4.1 实验和结果分析585.4

4、.2 点胶压力对点胶的影响小结605.5 不同胶液对压力变化的敏感性对比实验和结果分析605.5.1 实验和结果分析615.5.2 对比实验小结625.6 本章小结62第六章总结与展望636.1 总结636.2 创新点646.3 展望64参考文献65附录70攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文83致谢84流体点胶过程流动分析与数值仿真第一章 绪 论第一章绪论1.1 研究背景-在电子封装中的应用点胶，作为一种工艺，也称施胶、涂胶、灌胶、滴胶等，是通过可控的方式，把注射器中的胶体、油或者其他液体涂抹、灌封、点滴到产品指定位置上，让产品起到黏贴、灌封、绝缘、固定、表面光滑等作用，以实现元器件之

5、间机械或电气的连接。点胶的应用范围非常广泛，从集成电路（Integrated Circuit，简称 IC）产业、微电子封装产业、SMT/PCB 装配业到一般性工业的焊接、注涂和密封1，无论是在汽车配件、数码产业、LED、工艺品还是在通讯行业中，点胶技术都起着至关重要的作用。可以这样说，只要用到胶水的地方，就有点胶工艺存在的需要，点胶的应用更加广泛和多样化。然而，点胶技术应用最广的领域是在微电子封装业中。由于微电子产品的精密性要求较高，因而对点胶性能的要求也很苛刻，不仅要求点出的流体一致性好，而且速度需要达到每小时超过 45000 点以上23。伴随着 1947 年世界上第一只半导体晶体管的出现，

6、开创了电子封装的历史。电子封装指的是从电路设计的完成开始，根据电路图，将裸芯片、陶瓷、金属、有机物等物质制造成芯片、元件、板卡、电路板，最终组装成电子产品的整个过程4。各种微电子封装技术的出现和发展极大地影响并推动着以电子计算机为核心、集成电路产业为基础的现代信息产业的进步56，而现代电子技术的飞速发展则带动了电子产品向着多功能、高性能、小型化、快速度、便携式、低成本及大众化的方向发展。一般情况下，到达用户手上的并不是柔嫩易损的裸芯片，而是带有外壳的完整封装体7，IC 产业及封装产业逐渐成为了衡量综合国力的重要标志之一。IC 芯片只有在可靠的封装技术支持下，才能获得所要求的可靠的光、电、热、机

7、械等方面的性能。封装也对芯片起到了保护的作用，使其可以长期可靠地进行工作8。IC 封装在电子产品的轻、薄、小及便携式发展方向上也起到了关键作用，可以说，IC 封装的发展推动了电子产品的更新换代。微电子封装工业中要使用到各种封装胶体流体，包含了多种流体点胶技术，藉此完成点、线、面和简单图案的形成，以实现电气互连或对芯片进行机械保护。点胶技1术广泛用于芯片粘接（Die Attach）、芯片倒装（Underfill）、芯片涂敷（Die Coating）和系统集成封装等微电子后道工序过程中（所谓后道工序是从由硅圆片切分好的一个一个的小晶片入手，进行装片、固定、键合连接、塑料灌封、引出接线端子、检查、打

8、标等工序，制造成器件、部件的封装体，以确保元器件的可靠性并便于与外电路连接4）。芯片粘接（Die Attach）是指将晶元切割之后的单个小芯片，用粘贴剂粘贴在封装体的芯片安装区域内，也就是框架的中间焊盘（die-attach pad）上，然后在一定温度之下加热一定时间使之固定的过程。该粘接过程促使芯片与封装体之间产生很牢固的物理性、传导性和绝缘性的连接，并且能作为一个介质把芯片上产生的热传导到封装体上。吸头粘注射器 基板底部填充材料贴 基板图 1-1 芯片对位放置粘接图 1-2 倒装芯片的底部填充与固化示意图倒装芯片技术（Flip Chip Technology），又称底料填充，是指将芯片以凸

9、点阵列结构与基板直接安装互连的一种方法。完成凸点和基板之间的互连后，芯片靠阵列排布的凸点作用固定在基板之上，众凸点的实际固定接触面积相比芯片的总体面积要小得多，因而其之间的结合强度并不高。为解决这一问题，开发出了底部填充和固化工艺（Underfill），在芯片与基板的缝隙中注入聚酯等有机胶，然后进行热或者紫外光固化，一方面增大了芯片与基板的连接面积，提高了两者的结合强度和可靠性，另一方面对凸点也起到了保护的作用。如图 1-2 所示。芯片涂敷（Die Coating），又称表面涂层。如图 1-3所示。用于条带引线自动键合内引线焊接后，在芯片和焊点覆盖区域涂敷一层粘度低、流动性好的环氧树脂并固化，

10、实现对芯片的包封和保护9。图 1-3 芯片涂敷示意图在所有的这些封装过程中，对于涉及到的点胶技术最基本的要求就是要保证点胶胶体的流动速度在整个点胶过程中必须保持一致，这样才能够保证点出的胶体的稳定性和一致性。1.2 点胶技术1.2.1 点胶技术的应用形式及其比较点胶工艺（Form-In-Place），简称 FIP，是指基于精确的计算机操作自动化设备，将理想大小的流体密封胶、硅胶、导电橡胶、透明水晶胶、防水保护胶等直接点涂在金属塑料的机壳表面或是需要密封的工件、半成品上面合适的位置上，经一定时间固化后，根据选用胶水的不同形成绝缘防水保护层、橡胶衬垫、导电橡胶衬垫等，以达到密封、防水、绝缘保护或是

11、EMI（Electro Magnetic Interference：电磁干扰）屏蔽及接地效果。点胶控制器的工作原理是：利用气压，通过调节气压的开停、气压的大小和供气时间，从而实现点胶的开停、点胶速度快慢的条件、点胶量的多少。根据胶液是否与执行部件接触1，点胶技术可分为接触式点胶（Contact Dispensing）和非接触式点胶（Non-Contact Dispensing）两大类。按点胶中胶体上压力的作用方式的不同， 接触式点胶可分为时间压力式点胶、螺杆泵式点胶和活塞泵点胶，非接触式点胶则有喷射式点胶、压电式点胶等。提高点胶效率和点胶效果的关键是针对不同的使用精度和使用场合来选择合适的点胶

12、设备，时间-压力式点胶方式以其低成本、易维护、结构简单和适用性好等特点，成为了现代芯片封装业中使用最为普遍的点胶方式之一。据统计，市场上所有的点胶设备中，时间-压力式点胶机占据了 70%左右的市场份额9。几种点胶技术的特点及其优缺点比较如下：a) 时间压力式（Time-Pressure）点胶该点胶技术采用脉动的空气压力和针管就能实现点胶1，由于它是通过设定调节压缩空气压强和电磁阀通断时间来控制点较量的，所以这两个因素对最终的胶体质量或体积起到了决定性的影响。优点是该技术设备结构简单，使用维护成本低，清洗更换方便，适用性好。缺点是精确度较低；点出的胶体量将受到针筒内剩余液位的影响，胶点质量的重复

13、稳定性较差；点胶速度越快胶点越小时其点胶一致性难以保证。83b) 螺杆泵（Auger Valve）点胶该点胶技术通过螺杆旋转产生的力作用在胶体上，使得胶体做螺旋运动，最终的点胶量受螺杆的旋转运动作用力影响。优点是该类系统对胶量控制的精度较高，适合于高粘度及含有填料的流体，可通过软件编程来决定点出的胶体量。缺点是设备清洗不方便，胶体会受到环境温度的影响。c) 活塞泵（Piston Positive Displacement）点胶该点胶技术采用了类似于活塞-气缸的机构来实现点胶。将胶体引入一个开口的缸体中，由马达驱动的活塞将缸体密闭并产生运动1，将胶体从点胶头挤出。最终的点胶量只与活塞运动行程有关

14、，不论胶体粘度如何变化，点胶量将始终保持不变。优点是点胶不受流体粘度变化的影响，点胶量一致性好。缺点是清洗困难，需专门的点胶头，不适合有填料的流体；适合打点，不适合划线；通过机械运动实现点胶， 其速度不会很快。d) 喷射点胶（Jetting Technology）该点胶技术与喷墨打印机的工作原理类似，通过一个撞针在胶体上施加波动的力，使得胶液从针嘴中自动分离挤出来，落到基板上。近些年，点胶技术正由接触式向非接触式（喷射等）发生转变，在国内该种非接触式点胶系统的市场份额还不足10%，其发展和应用还处于起始阶段。优点是速度快，精确度高，非接触，无损伤器件；高度保持在 13.5mm，无需 Z 轴机械

15、运动。缺点是结构复杂成本高，清洗困难，不适合有大颗填料的流体；点胶量大小固定，不易调节。表 1-1 说明了各点胶方式性能之间的对比。（a）时间压力型/Time-Pressure（b）螺杆泵型/Auger Valve（c） 活塞泵型/Positive Displacement（d） 喷射点胶/ Jetting Technology图 1-4 四种不同的点胶技术表 1-1 典型点胶方式性能对比10点胶性能接触式针头点胶无接触式喷射点胶计量管式活塞式时间-压力型机械式压电式黏度范围（Pas）156000.00150000.5201100最小胶滴直径（mm）0.200.250.350.30一致性误差5

16、%2%10%2%以内最大点胶速度（点/h）40000360002500050000 以上通过以上的分析和对比，可以看出不同的点胶技术都有其各自的优点和使用局限性。在实际应用中，要通过仔细考量所使用的胶体和特定的使用场合，来选取不同的点胶方式。1.2.2 点胶技术的发展、现状及存在的问题一直以来电子行业都是点胶技术最主要的应用领域。无论是集成电路、电子元器件或是线路板点锡膏、LCD 液晶屏、电子零件固定和防潮防尘保护都需要精密的点胶技术支持。伴随着电子产品小型化、多媒体化、网络化和便携式的发展趋势，高密度化（单位体积内信息量的提高）和高速化（单位时间内处理速度的提高）成为了推动微电子封装技术发展

17、的重要因素。要在封装产线上对这些体积微小但组装密度高的芯片进行有效地作业，就需要通过高效的点胶技术将胶体进行非常精确的分配。现如今虽然点胶设备的胶量精度可达到每次 0.002g 左右，行程精度则约为百分之一毫米，但若点出的胶量大小不一致就会使得芯片不能准确地定位，在热处理后则可能因应力不均而导致引线间的短路，最终造成产品的不合格。另一方面，封装过程中用到的胶体一般都是粘度较高的非牛顿流体，其本身特性随着温度、时间等外界因素发生着变化，所有这些使得对于点胶过程的精确控制非常困难，极具挑战。芯片和电子元器件尺寸越来越小，对点胶技术也提出了更高的要求。一个理想的点胶系统应具备如下特质：成本低、操作控

18、制简单方便；能适用于不同的场合和环境；高速度、高精确度、高可靠性、一致性好。追求高质量是各行各业发展进步永恒的话题，追求点胶质量的一致性也是点胶技术所面临的最大挑战。由于点胶过程中内部或外部各作用因素的多变性和流体本身运动特性的复杂，使得点胶很难实现一致性的目标。影响点胶精度的因素涉及多个方面， 包括有流体本身的特性（粘度、流动性能、稳定性等）、流体温度、针筒内剩余液体高度、液体压力、针尖内径、针尖长度、点胶高度、胶点大小、胶点形状等，来自外部环境的或是系统本身的，可控的或是不可控的，只有对各因素的影响进行综合分析和统筹之后，方能建立出可靠的点胶系统，进行可靠的点胶作业。影响点胶质量的主要因素

19、包括有：1） 粘度因素：通常用粘度来表征胶体流动粘滞性的大小，即流体内部固有的摩擦属性11，是胶体流动性能的度量。胶体粘度越小，挤出相同体积的胶滴所需的压力就越小。点胶胶体通常属于非牛顿流体，其粘性并非常数，是受剪切力、温度、压力甚至储存时间等因素影响而时刻变化的函数。下图显示了粘度随温度变化的趋势曲线，而胶滴体积则随着粘度的降低而增大。研究表明12，若环境温度变化 5，点胶体积将出现 50%的变化。图 1-5 胶体粘度随温度变化曲线2） 温度因素：胶体温度主要是影响胶体粘度，从而影响点胶一致性。在现场点胶作业中，温度都是有所变化的，所以是一个不可忽略的重要因素。3） 剩余胶体高度因素：伴随着

20、点胶的进行，针筒内剩余胶体减少，气体空腔增大，就需要相对多的时间来压缩气体。因此在实际生产中，当点胶时间不变时，出胶量会有明显的变小趋势13。4） 点胶高度因素：即分配高度，通常与针头内径相匹配。过高，会使得胶液不能完全接触到基板，造成拖尾或胶点不完整等缺陷；过低，则会挤压到基板胶点，且会污染针头，使得最终点胶不一致。5） 此外，布胶速度、点涂时间、Z 轴回复高度、气泡、针头形状等因素也是影响点胶质量的关键因素，而流体特性是关键影响因素之一。常见的点胶缺陷包括：拉丝/拖尾、卫星胶点（飞溅）、胶点直径不一致/胶点不连续、漏点/空打等，点胶工艺的这些缺陷会导致元器件偏移或是粘接强度不够。常见缺陷如

21、下图所示：（a） 针头污染，胶点不一致（b）高度过高，拉丝（c）点胶量大，拖尾图 1-6 常见点胶缺陷在实际生产中，对于这些工艺缺陷采取的补救措施如下所述：a) 拖尾/拉丝：当针头离开时，在胶点的顶部产生细线或“尾巴”现象。导致该缺陷的因素很多， 较为常见的有针头内径过小、点胶压力过大、点胶高度太高、粘接剂粘度大或是本身质量有问题、点胶量过大等。通常的解决办法是调整工艺参数，降低点胶压力，改换内径大些的针头，调节高度，更换粘接剂，或是调整点较量等。b) 卫星胶点是指在高速点胶时产生的细小无关的胶滴。在接触式点胶中，通常是由于拖尾和针头断开而引起的；在非接触式点胶中，则是因不正确的喷射高度引起的

22、。卫星胶点的出现具有不规则性。解决办法是检查针头是否损坏，调整设备参数防止拖尾；调整喷射高度以减少卫星胶点。卫星胶点的控制主要还是取决于点胶设备本身加工精度、软件控制精度以及传感器系统的设计。c) 胶点直径不一致产生原因可能是点胶高度过低，点胶恢复时间不够，或是随着点胶的进行针筒内胶液高度下降导致的点胶压力不足。对应的解决办法有：换针头调整高度，增加点胶延时，增加点胶压力和点胶周期的比值。d) 漏点就是只有点胶的动作而不出现胶剂。产生该缺陷的原因有胶中混有杂质或是气泡使得针头嘴堵塞不出胶，或者是点胶压力不足引起的。对应的解决办法是换针头或是将针筒中的胶体进行脱气泡处理。点胶过程中出现的不一致等

23、缺陷问题，有些只能减少优化，却是不可避免的。实际生产中现场调试时积累的上述经验大多数的调整重点是在单个胶液液滴的一致性上，对于连续点胶的改进仍显不足。国内外学者则通过大量的理论研究对该一致性问题进行了学术方面的深层分析讨论，主要有两大方向的研究，点胶流量建模的研究和点胶过程控制的研究。Chen9从点胶一致性入手，建立了基于广义幂率指数流体和典型非牛顿幂律指数流体的带参数的点胶流量的预测模型，并给出了模型参数标定的方法以及最佳的标定条件。Kwong14基于GA 算法，从实验数据中找出一系列的规律并将这些规律应用于计算机系统来对流体点胶过程进行优化，结果证明这些规则在优化过程中是有效的。Zhao1

24、5采用解析方法根据流体运动特性的非线性偏微分方程对点胶流体进行建模， 采用谱方法求解推导出了一个近似的流体运动模型。Nguyen16基于相应的稳流解决方案，建立了在喷射点胶系统中圆管和环形管的非稳定层流模型。Li8提出了胶液在螺杆泵内流动的三段分析法，利用纳维尔斯托克斯方程推导了螺杆段内流体流量公式，并建立了流场几何模型对螺杆运动中的非牛顿流体流动进行了数值仿真。Ling17 采用基于小波神经网络的优化混合蚁群算法对电子封装中的流体点胶进行了建模分析。此外，也有学者提出应用构造理论，针对不同的流体给出结构方程来描述时变流体的动态行为18。Chen9将统计过程控制与比例-积分控制方法相结合，以实

25、际点胶量和模型预测点胶量的差值为输出误差，以点胶时间为补偿量，对时间-压力型点胶的过程控制进行了仿真研究。Shen11在一般控制方法的基础上建立了体积估计模型，运用回归的统计过程控制（Regression-based SPC）和批量（Run by Run）的PI 算法相结合的控制方法。Ding19等则提出了利用计算机视觉检测系统对胶体完成精确检测或定位。神经网络模型20、幂律流体模型3、模糊模型21、连续模型15、集中参数模型22、离线式批量控制模型等黑箱或是经验模型是现有的流体点胶流量建模和点胶控制研究中应用较多的模型。此外，对点胶阀、针头等部件进行结构改良是另一个提高点胶一致性的方式。Wa

26、ng3阐述了针头端部的开槽结构对点胶质量的影响机理，并基于实验介绍了一种效果最佳的针头端部开槽方案。Peng23对喷射点胶中的执行元件电磁驱动喷射点胶阀的结构设计进行了完善，根据环形多级式电磁铁磁路的特点，在衔铁中切除了一些不在磁路中的扇形区域，减小了运动部件衔铁喷针的摩擦力。1.2.3 国内外点胶机技术对比点胶设备的发展源自欧洲和美国，随着电子业对点胶设备的大规模需求，逐渐出现了点胶机厂家。05-07 年，中国民营的点胶机厂家开始慢慢兴起。最初是代理和自主研发，或者是一些自动化行业的厂家涉猎了点胶机行业并逐步发展成专门的点胶设备厂家。至 09 年底，据不完全统计，国内点胶设备专门厂家已多达三

27、十多家，若包含其它非专业的自动化或是胶水厂家、国外点胶厂家和经销商，则多达几千家。目前市场上的点胶机品牌厂家有不少，国外有美国的 EFD、Asymtek、CAMALOT、LCC 等，德国的scheugenpflug 等；亚洲有日本武藏MUSASHI、韩国磐石、韩国阿尔帕、日本仲氏NLC 等；中国有安氏液控、华海达、太河液控、腾盛（TENSUN）、特盈、天豪 等等。Nordson ASYMTEK 公司则于 2012 IPC APEX 展览现场展出了集成第五轴倾斜配件的四位旋转装置的Select Coat SL-940E 点胶系统，可通过顺滑、快速和安静的选择动作实现垂直表面和底部元器件的表面涂敷

28、。对于单组份点胶系统，国内对相关技术的模仿已经比较成熟，且具有一定的通用性，市场竞争亦十分激烈，价格一落千丈，甚至几百的机器都已经出现，但是国内的点胶机普遍存在精度不高，打胶不够稳定的现象，其发展方向是自动化和高精度。对于一些高精度科技行业选择点胶机，就只能找世界品牌。国内点胶设备的自主创新和专利保护主要集中在封装阶段，而在最关键的点胶精度问题上，技术专利则一直被欧美日等国企业垄断。国内设备的点胶精度以及自动化程度及品质控制水平与国际产品相比仍有较大差距。图 1-7 双液点胶原理图对于双组份点胶设备，国外的机器较多，技术也相对成熟，但是价位太高。而目前国内的双液机也在探索和走向成熟中，其产品和

29、质量仍有待进一步的提高和改进。随着 AB 胶水的日益普及使用，双液点胶机成为了点胶行业另一个极具有潜力的研发领域。如上图 1-7 所示为双液点胶原理图（www.bartec-）。相比发达国家来说，我国的点胶机行业创新能力相对薄弱，一些核心的技术和关键部件都受制于人，产品的可靠性亦较低，能力相对发展滞后。针对目前国内点胶机技术发展的现状，研究开发具备自主知识产权且精度高、可靠性好的流体点胶系统势在必行。1.2.4 时间-压力型点胶技术典型的时间压力型点胶系统主要是由气压稳压装置（比例调压阀和稳压气罐）、控制装置（进气和排气电磁控制阀）、连接气管以及针筒（含胶体）这几部分组成。其点胶基本运行机理如

30、下所述：压缩气体从气源流出后，分别流经气压稳压装置、气管和电磁阀，最后作用到针筒内胶体的上部，使胶体在针筒内外空气压力的共同作用下从针头中流出。一旦胶体被从针头挤出，它将落到工件上，流动或是铺开直至被固化。在这个过程中，胶体流速、挤出胶量和最终胶点形状是评估点胶性能重要的度量标准。一般通过设定时间压力点胶中控制器空气压力和电磁阀通断时间（即设定点胶压力和点胶时间）来调节针头处被挤出的胶体总量。设定的气体压力越大，压力作用在针管的时间越长，点出的胶体量也越大9。点胶系统原理图1 202425如图 1-8 所示：图 1-8 时间-压力型点胶系统结构示意图时间-压力型点胶系统是通过气源提供的压缩空气使针筒内的液体从针尖流出的，在这一过程中虽然可以很方便地对空气压力和电磁阀作用时间这两个因素进行很好的控制，但是，由于影响因素较多，且对胶体粘度和针筒内剩余胶体量难以控制， 目前对该时间压力点胶过程尚缺乏一个准确且通用的模型。在工业生产中，对于点胶的控制通常是基于探索和经验的26，运用点胶的行业普遍在调试现场采用以下方式来减少不一致问题。a) 安装加热器。以此对胶体进行加热使其温度升高，进而稳定胶体粘度。这种方法可以降低因脉冲而引起的温度变化，有助于胶体一致性的实现1。b) 延长加压时间。随着点胶的进行，针筒内胶体减少，气体体积增加，可适