压电式点胶阀的结构设计与实验研究

摘要

微电子封装工业中关键的一环在于流体点胶技术,点胶速度、质量和操作性能影响着封装产业的发展。随着微电子产品往尺寸更小、性能更强、功耗更低、更环保的方向发展,流体点胶技术也正在经历着由传统的接触式点胶向非接触式点胶的技术变革。作为非接触点胶技术的一个重要分支——压电式点胶技术,由于具有比机械式和气动式更高的喷射频率,在点胶市场上更具有应用价值和发展潜力。但是目前国内不论是企业还是科研院所对非接触压电式点胶阀的研究尚处于起步阶段。本文的研究目的是开发一套由压电陶瓷驱动,具有高喷射频率性能且喷射胶体黏度范围广的点胶阀,并搭建平台系统进行液滴喷射实验研究。具体的研究工作主要包括以下几部分：
　　 ⑴分析并确定了影响非接触压电式点胶阀正常喷射的主要因素----放大机构的设计方案,并提出了放大机构最大输出位移为320μm的设计目标；初步分析验证了点胶阀阀针发生挠曲的可行性及必要性；在了解压电陶瓷基础理论的基础上,运用有限元软件ANSYS仿真分析所选压电陶瓷的输出位移与输入电压关系曲线,获得200V时压电陶瓷的最大输出位移为45μm,与实际测试结果基本相同,并且能满足点胶阀对压电陶瓷部件的位移要求。
　　 ⑵通过ANSYS仿真,分析了放大机构的输出位移与拉紧螺栓预紧力F0、螺栓直径D、三角块长度L0、压电陶瓷间距t等结构参数之间的关系,并以优化后的结构参数D=2mm,Lo=2mm,t=10mm等尺寸设计样机,实验结果表明,样机放大机构的最大输出位移为320μm,满足设计方案要求；放大机构的输出位移随着施加电压幅值的增大而增大,与占空比无关；当驱动频率为0～65Hz时,放大机构的输出位移基本保持在320μm左右,达到65Hz,将随着频率的增大而迅速减小。
　　 ⑶在初步分析液滴喷射理论的基础上,获得液滴的喷射速度和流率随着喷嘴其细孔直径的减小或细孔长度的增大而减小的规律；并以细孔直径200μm、长度200μm设计加工喷嘴。在解决点胶阀样机密封问题的基础上搭建了由样机、气动子系统、驱动电压控制子系统和胶点收集平台子系统等构成的平台。
　　 ⑷通过对流体无量纲数weber数和Ohnesorge数的分析,获得影响液滴喷射形成及状态的主要因素为流体材料的密度、表面张力和黏度等；并在对比部分流体材料属性后选择甘油为材料进行液滴初步喷射实验。实验结果表明:喷射胶点的直径大小随着气动子系统所提供的压力、驱动压电陶瓷的方波电压幅值的增大而增大。