微装配中的精密点胶分液技术

【摘要】精密胶粘接技术广泛应用于微电子器件连接、LED封装等领域，其中微小胶滴的精准可靠分配并分离对于胶粘接的成败起到决定作用。本文对点胶分液技术的研究进行了回顾，介绍了点胶分液技术的研究现状。分析了各种点胶分液技术的优缺点，所涉及的点胶分液技术包括接触式点胶分液技术和非接触式点胶分液技术。介绍了目前常用的点胶设备，并分析了各设备的商业化进程。针对点胶分液过程中的影响因素研究现状，简要分析了当前所面临的问题和研究方向。

【关键词】胶粘接技术；点胶分液技术；点胶设备；点胶过程；影响因素

1.引言

微装配技术是指为了完成微小零件的具体装配任务而设计的装配方法，其中装配策略、必要操作装置的开发，以及零件的连接方法和工艺是微装配技术重要的组成部分，其中微型零件的连接方法构成了复杂多功能微型零件产品生产的技术基础。

作为微装配连接中的重要组成部分，胶粘接就是以一种受控的方式对流体进行精确分配的过程[1]，对微小零件起到固定连接和保护作用。胶粘接技术是微装配技术中区别于焊接、螺纹连接的另一种连接方式，其具有不需要加热、工艺过程简单及工件无需工艺辅助等优点。对于热不匹配的两种材料连接，由于胶粘结剂的弹性，使之在环境改变时仍能保持各零件之间的连接精度。微电子等工艺的发展及多种新型胶材料的研制成功，使胶粘接广泛应用于金属、高分子和半导体等不同材料制成的微型零件[2]。

迈入21世纪以来，电子产品的生产规模不断扩大，功能元件的集成度不断提高。随着自动化程度的加深，原有的胶粘接技术已经不能满足微装配中的精度要求，各种新型的胶粘接方法如雨后春笋般显现。同时，微装配胶粘接中的核心技术――点胶分液技术也辐射应用于其他行业，例如，医疗保健行业中的定点定量按需滴定施加药剂[3]，液晶电视单分散液晶的释放[4]，以及刑侦行业中的人工指纹仿造[5]等，因此作为一项共性技术，点胶分液技术的发展对微装配、生化细胞分离[6]和医疗保健等多个领域中的相关技术具有很好的推进作用。

本文结合点胶分液技术的研究成果，对胶粘接的核心技术进行了详细阐述，通过对目前国内外已经商业化的点胶设备的调研以及对现阶段国内外学者的研究成果的分析，分别对点胶设备和研究成果进行了评述，并对点胶分液技术的研究方向进行了预测。

2.点胶分液技术分类

点胶分液技术是指通过对胶粘剂的微量分离，进而实现微小胶量的精密点样。点胶分液的技术机理、设备的结构以及控制过程直接影响点胶分液的精密度和质量，因此微量分液是点胶过程中的关键步骤。随着微装配技术的不断发展，胶粘接中的点胶分液技术的发展也取得到了长足的进步。

传统的微量分液技术一般是利用针头的蘸取或挤压注射的方式实现点胶，再通过胶粘剂与基板的粘滞力实现胶粘剂的脱离分液，其中针头通过胶粘剂与粘合基板相接触，被称为接触式点胶分液技术，常见的接触式点胶分液技术有时间/压力式点胶[7]、螺杆泵式点胶[8]、活塞式点胶[9]、针插式点胶[10]、印刷式点胶[11]。与接触式点胶分液相比，非接触式点胶分液技术是利用一定的方式，将胶粘剂直接喷射或移取到基板上，针头与基板无接触，常见的非接触式点胶分液技术有喷射式点胶[12]和低温点胶[13]。常用的点胶分液技术如图1所示。

图1 点胶分液技术分类

Fig.1 The classification of the fluid dispensing technology

2.1 接触式点胶分液技术

2.1.1 时间/压力式

时间/压力式点胶分液系统（Time-pressure Dispensing）是通过稳压装置向胶粘剂施加气压，将胶粘剂从腔体中压出，胶水的流速可以粗略的认为和气体压强成正比。只要控制分液的施压时间和压力大小，就可以得到相应胶粘剂的体积。史亚莉等人搭建的时间压力式点胶设备通过对点胶过程中的时间、压力、杂质、温度以及流体的表面张力等因素的分析与控制，可以实现流体皮升级分液[14]，但是该点胶设备只能实现低黏度微小胶滴的点胶，当进行大黏度的胶液分液时，由于表面张力增大、胶粘剂中添加剂颗粒过大等因素，会出现针头阻塞无法出胶现象。

2.1.2 活塞式

活塞式点胶分液系统（Piston Pump Dispen-sing）弥补了时间/压力式点胶系统在一致性方面的不足。活塞式点胶采用类似活塞气缸的机构来点胶，压力是由马达驱动的活塞提供，通过控制活塞的位移来控制出胶量的体积，这就避免了点胶注射器内胶体余量以及黏度的变化对点胶分液一致性的影响，提高了点胶分液的质量。

活塞式点胶分液技术可以针对高黏度胶粘剂实现微量点胶。但是由于受到结构限制，出胶量很难控制，且清洗复杂、密封要求高，因此这种点胶分液技术在要求微小胶点精准分布时显得力所不及[15]。

2.1.3 螺杆泵式

螺杆泵式点胶分液技术（Archimedes Met-ering Pump）利用连续不变的压力，使注射筒内的胶液从进给通道流入胶液补充室，然后通过电动机驱动带有阿基米德螺纹的螺杆，迫使胶液从针头流出。目前螺杆泵式点胶能滴出直径为0.15mm的胶点。为了保证点胶的一致性和准确性，螺杆泵式点胶普遍采用了伺服马达进行控制。

螺杆泵式点胶在结构上利用伺服马达提供驱动压力，可以在保持一致性的情况下对黏度较高的胶液进行分液，利用螺杆的转动来精确控制胶粘剂的分液胶量，在结构上弥补了活塞式点胶分液技术在高精度点胶方面的缺陷。但是螺杆泵式点胶的胶液分配机理相对复杂，出胶量与螺杆的几何参数相关[16]，难以控制，而且造价昂贵，更适用于具有高精密要求的大批量工业化生产当中。

2.1.4 针插式

针插式点胶分液技术（Pin Dispensing）是在印刷式点胶技术基础上发展来的。在微电子的装配过程中，根据PCB（Printed Circuit Board）的图形设计插针模板，将插针模板浸入胶粘剂中，然后将沾有胶粘剂的针板接触PCB完成点胶。这种点胶技术效率高，但是该系统成本高并且柔性差，如果电路结构改变，针板也要相应更换。

2.2 非接触式点胶分液技术

2.2.1 喷射式

喷射式点胶分液技术（Jet Dispensing）是利用点胶阀对胶粘剂进行分液并将微小胶滴喷射到粘接基板上。典型的喷射式点胶阀具有伺服开闭结构，通过施加一定的脉冲信号将受到稳定压力的胶粘剂喷射出腔体。喷射式点胶技术消除了Z轴方向上的移动，可以完成苛刻工况下的点胶操作，并且响应速度快。由于喷射式点胶技术具有以上优势，目前在小批量高精度的半导体装配上得到了应用。

尽管喷射式点胶具有很多优势，但是仍然存在诸多挑战：受点胶机理限制只能满足低黏度胶粘剂的分液操作，高黏度胶粘剂由于表面张力过大很难形成高质量的微小胶滴；点胶过程中容易形成“卫星（在喷射过程中，出现在点样胶滴前后或周围的微小胶滴）”现象，“卫星”的体积较点样胶滴而言更加微小，难以控制，影响点胶质量[17]。

2.2.2 低温切割式

低温切割点胶分液技术（Hypothermy Cutting Dispensing）是指在操作过程中将温度降低到胶粘剂玻璃点转化温度以下，使胶粘剂保持固态，利用切割技术将胶粘剂切成微小颗粒或者薄片，再利用夹持工具将胶粘剂精准放置到需要粘接的零件位置，最后根据胶粘剂的固化特性，控制固化因素使胶粘剂固化以达到胶粘接的作用。

低温切割点胶技术主要针对高黏度胶粘剂的微小点胶操作，满足一般的点胶分液技术难以实现微量精密的要求，但由于低温切割点胶分液技术工艺繁琐，控制过程复杂，尤其是温升过程中的要对水汽进行严格控制，防止胶粘剂由于表面凝聚水汽无法固化而失效，因此目前主要应用于高黏度胶的小批量装配。

2.3 小结

胶粘接技术经过十几年的发展，以时间/压力为代表的接触式点胶分液技术经过国内外学者的研究优化已经相对成熟[18]。但是接触式点胶分液技术对整个系统精度以及响应速度依赖性较大，非接触式点胶分液技术虽然具有工作灵活性高、响应速度快、一致性好等优势，而且喷射点胶分液技术取消了Z轴方向上的位移，因此大大提高了点胶效率，主要应用于大批量电子通讯产品的胶粘接作业。

3.点胶分液技术的商业化进程

目前，世界可以实现高精度点胶分液技术的公司并不多，因此掌握这项技术对我国的微电子封装领域有着战略性意义。

美国Asymtek公司自1988年至今一直致力于设计和制造半导体封装以及PCB装配设备的设计与研发，经过25年的发展，在喷射式点胶以及保形涂层领域一直处于领军地位。该公司研发的SpectrumS-822喷射式点胶系统精密度高，可以实现100，000cp的高黏度胶（黏度值）粘剂的喷射点胶。DJ（Dispense Jet）系列喷射式点胶阀利用微型电磁空气阀，点胶速度可以达到200点/秒；点胶阀底部设计有热辅助设备，在预热过程中温度可以达到40-80℃，通过降低胶粘剂黏度，从而满足大黏度胶粘剂喷射[19]。

美国Graco公司推出的PD44计量阀采用杆式容积式计量技术可以满足双组份胶粘剂的混合以及点胶，可以处理材料比例从1：1到1：25，结构上将两种组分胶粘剂在泵内混合前始终保持分离状态，只在静态螺杆混合针头中进行混合，泵内材料不会硬化，点胶阀无需清洗，可以实现编程控制与通过脚踏板人工控制。该设备仍属于接触式点胶分液技术范畴，受工作空间约束[20]。

瑞士的Hilger u.Kern和Dopag公司联合研发的点胶阀利用空气压力和弹性系统的相互配合可以实现大黏度胶粘剂的点胶，阀体调整针的位置以及基座的位置来控制排出口的尺寸，从而控制材料的流量。阀体由两个独立的部分组成。这种流体部分与空气驱动部分分离的方式消除了泄露的材料流入驱动气缸引起针头堵塞的隐患，大大减少了清洗频率，提高了维护效率[21]。

4.点胶分液技术的研究现状

4.1 点胶控制参数研究

点胶过程中的参数控制主要集中在温度、胶粘剂分液速度、分液高度三个方面[22]，直接影响点胶过程中对胶粘剂分液的难易程度、胶粘剂形成胶滴或图形质量的好坏，和胶粘剂的固化效果。

温度是点胶分液技术中最重要的控制参数[23]，尤其在对高黏度胶粘剂进行分液操作时，邓圭玲等人以温度对胶粘剂黏度的影响为切入点，结合阿伦尼乌斯方程，利用实验拟合了几种胶粘剂黏度随温度的变化曲线，对温度在喷射式点胶阀内部的转化规律进行了仿真[24]；通过MATLAB计算出一种喷射式点胶阀在不同结构参数下的平均流速与累计体积，并对该点胶阀的结构进行了优化[25]；研究了分液高度在螺杆泵系统中对胶滴一致性的影响，得出结论：如果在其他胶液分配条件固定不变的环境下，对应不同的胶液分配高度，胶液分配所形成的胶滴尺寸及其分布也不同；给定其他胶液分配条件，存在一个胶液最佳分配极限高度与该点胶系统相匹配，以获得一致性优良的胶滴[26]。

4.2 点胶阀的改进

点胶阀是点胶系统中的核心部件，直接影响点胶质量，因此国内外的研究者对点胶阀进行了诸多改进，这些改进区别以上商业化点胶设备的改进，大多数都还处于试验阶段，包括对点胶阀的部件和驱动方式进行了改进，或利用新的分液原理对点胶系统进行了创新。

美国DL科技责任有限公司的Jeffrey P.Fugere对时间压力型与螺杆泵式点胶设备的针头结构进行了细致优化，提出了带有倒棱的锥形滚针的点胶阀，其可以减少针管内部的胶粘剂残留，有效的提高胶滴质量[27]。

B.Nguon等人开发的时间/压力式喷射点胶设备，利用液压活塞驱动实现胶粘剂的喷射，可以实现较高精度的低黏度胶粘剂的分液，并对点胶试验得到的数据进行统计学处理，得到该点胶系统的一致性参数[28]。

谷峰春等人开发的点胶设备是利用压电原理，将压电陶瓷叠堆作为点胶阀的驱动方式，利用挠性梁结构放大了压电陶瓷的驱动位移从而实现阀杆的上下移动。该种点胶机的技术参数：点胶精度最高可以达到0.94μl，点胶速度为277次/s，相对误差可控制在10%左右，远优于传统的接触式点胶系统[29]。

4.3 胶粘剂的研究

在胶粘剂方面，微电子工业中应用的部分反应型胶粘剂适用于微系统中微型零件的连接，其中包括环氧树脂胶、聚氨酯胶、丙烯酸酯胶等[30]。优良的胶粘剂特性可以显著提高点胶质量，例如理想的胶粘剂固化时间、适宜的流动性、适宜的黏度等。

李佳等人通过改进原料配制得到的环氧树脂胶粘剂可以在较高温度下固化，其具有凝胶开放时间长、胶粘剂流动性控制性好等优点[31]。黄强，赵鑫刚等人通过对改性环氧树脂胶在热老化过程中的力学性能、元素组成、热失重能和微观形貌等的实验研究，发现热老化对胶粘剂热失重等的影响大于对剪切强度的影响[32]。

黏度也是胶粘剂的一项重要参数，黏度过低在点胶过程中很容易引起飞溅，过大的黏度由于表面张力过大，容易造成点胶阀阻塞，也很难形成微小胶滴。一般情况下高分子聚合物的特性是由各个聚合单体决定的，因而可以通过聚合单体来改善胶粘剂的特性，高黏度胶粘剂中聚合单体的种类较多，其具有良好的粘接强度、亲水性、耐热性、耐水性以及交联性等反应特性。

利用ANSYS对点胶阀喷头部分进行了仿真，得到了喷头部分胶粘剂在热辅助装置中加热一分钟后的温度分布（如图2所示），外部喷头材料为303不锈钢，密度为7750kg/m?，导热系数为15.1，比热容为480J/（kg・K），热辅助装置设定为70℃。

图2 DJ9500点胶阀腔体内胶粘剂分度分布

Fig.2 The temperature distribution of adhesive in DJ9500 dispensing valve

通过热辅助该点胶阀可以实现黏度为150，000cp的高黏度胶粘剂点胶分液，并且最小胶滴直径可以达到0.5mm（如图3所示），但是由于热辅助装置处于整个点胶阀的底部，从仿真的温度分布中也可以看出腔体内部的胶粘剂温度是呈梯度分布的，因此胶粘剂的黏度也必然是呈现梯度分布的，所以如果在较短的预热时间下进行大量点胶操作，由于分液速度快而难以保证胶滴的一致性。

图3 通过加热降低高黏度胶粘剂黏度点胶样本

Fig.3 Droplets sample of

high viscosity adhesive

5.精密点胶分液技术的发展趋势

胶粘接技术无论在理论研究、设备创新、控制参数分析上都有了长足的进步。如今胶粘接技术为了适应更加苛刻的工作环境，满足更加精密的技术要求，提出了新的发展方向。胶滴的微小化、系统的自动化，点胶阀的非接触化以及胶粘剂黏度兼容化成了精密点胶技术新的研究方向。

（1）胶滴微小化：随着微电子技术的发展，微装配面对的零件也变得越来越小，这就要求点胶系统得到的胶滴要向微小化方向发展，胶滴的体积一般在微升级，而对于低黏度流体，其体积要达到纳升级。

（2）点胶系统自动化：我国许多行业中自动化程度并不高，在微小装配中绝大多数是利用工人的技术和工作经验来完成粘接的，因此点胶量的波动很大，一致性难以保证，因此提高点胶系统的自动化程度有重要意义的。

（3）点胶阀非接触化：传统的点胶系统一般采用的是时间/压力式、活塞式以及螺杆泵式点胶阀。接触式的点胶阀除有一致性难以保证、难以维护等缺点之外，还很难实现狭小空间中的点胶操作，喷射点胶技术不但克服了空间的局限性而且消除了Z轴方向上的移动，并具有点胶速度快、生产效率高、一致性好、响应速度快等优点，因此点胶分液技术正在经历一场由接触式向非接触式的转变。

（4）胶粘剂黏度的兼容化：胶粘剂的黏度是影响点胶质量的一项重要因素，黏度过低时，在喷射点胶过程中很容易发生飞溅[33]，黏度太高表面张力过大又很难形成较小的胶滴[34]，也容易发生拉丝[35]、堵塞喷头、喷头边缘粘滞[36]等问题。一种点胶系统如果可以适用于多种黏度胶粘剂，不仅可以降低设备成本，而且可以缩短生产周期。

6.结论

随着科技的不断进步，胶粘接技术不论是在航空航天领域，还是在通讯电子设备生产上都得到越来越广泛的应用。在实现高黏度胶粘剂的微量喷射点胶过程中，由于高黏度胶粘剂具有较大的表面应力和粘滞力，因此很容易造成点胶阀的阻塞，并且容易产生拉丝，很难实现微量点胶分液操作，可以通过提高胶粘剂温度的方式来降低其黏度并得到理想的微量胶粘剂胶滴。

此外还应从点胶机理的深入分析、点胶系统的不断优化、点胶环境的有效控制、胶粘剂的特性改良等几个方面着手，推动点胶分液技术的研究发展，使得点胶分液技术向高黏度、高精度和高可靠性方向发展，并且研制出具有自主知识产权的点胶装备。

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