基于响应曲面法的热塑性聚合物激光透射连接的工艺研究与数值模拟

摘要

聚合物材料以其优异的耐氧化、耐腐蚀、易成型、熔点低、导电率低、抗冲击性、生物相容性等特点使其在MEMS器件制造领域的优势逐渐显现。聚合物材料的MEMS器件正扮演着越来越重要的角色,聚合物材料代替玻璃和硅片微型系统的制造成为一种趋势,随之而产生的聚合物微器件的连接(封装)问题是当前迫切需要解决的重要问题之一。激光透射连接技术以其快速、精确、非接触、热影响区小、可实现不同种聚合物材料或聚合物材料与金属的连接等优点,特别适合解决这类微器件的连接(封装)问题。这种面向MEMS微器件的聚合物激光透射连接技术在理论和实际应用中都具有重要的研究价值。
　　 本文采用响应曲面试验设计与优化方法,结合数值模拟的方法对聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二酯进行了激光透射连接的系统研究。
　　 首先,通过对聚合物材料光学性能的研究,对不同厚度的聚对苯二甲酸乙二酯材料透射率分析发现材料的厚度与激光能量的吸收率成正比,与透射率成反比；通过二维热传导基本理论对激光透射连接的热传导过程进行分析,发现激光透射连接材料透射层溶深与激光能量成正比例关系。论文对激光透射连接过程中激光能量与透射层材料和吸收层材料之间的相互影响关系的研究为下一步工艺试验研究提供了理论参考与指导。
　　 其次,采用响应曲面试验设计方法,对透明聚碳酸酯和聚碳酸酯,聚对苯二甲酸乙二酯和聚对苯二甲酸乙二酯以及聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二酯进行了激光透射连接研究,建立了连接过程的数学模型,通过对模型的分析,讨论了其工艺参数对连接质量的交互影响,并对工艺参数进行了优化。
　　 最后,采用有限元的方法建立了透明聚碳酸酯和聚碳酸酯,聚对苯二甲酸乙二酯和聚对苯二甲酸乙二酯以及聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二酯的数学模型,进行温度场以及温度场和应力场的耦合数值模拟,通过数值模拟优化工艺参数,为激光透射连接机理提供了新的方法和依据。
　　 本文为聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二酯在MEMS的连接(封装)应用奠定了基础,为聚合物材料在微器件连接(封装)领域的理论研究和实际应用提供了参考。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 常见聚合物连接技术

1.3 聚合物透射连接的研究现状

1.3.1 聚合物透射连接的国外研究现状

1.3.2 聚合物透射连接的国内研究现状

1.3.3 国内外现状评述与本课题的提出

1.4 本课题的主要研究内容和研究意义

1.4.1 本课题的研究内容

1.4.2 本课题的研究意义

第二章 激光透射连接材料的光学特性和能量作用机理的研究

2.1 激光透射连接的基本原理

2.2 激光透射连接结构

2.3 激光与物质的相互作用

2.4 实验方案设计与测试系统

2.5 激光透射连接材料光学性能预热传导作用原理

2.5.1 激光透射连接材料光学性能的测量原理

2.5.2 激光透射连接吸收层材料的热传导与溶深计算原理

2.6 实验结果与分析

2.7 本章小结

第三章 聚合物材料的激光透射连接工艺研究

3.1 实验设计方法

3.1.1 试验设计与优化方法

3.1.2 不同试验设计方法的比较与实验设计分析方法

3.1.3 响应曲面实验设计与优化方法

3.2 实验方案设计

3.2.1 激光透射连接系统

3.2.2 实验材料的选择

3.3 实验测试方法与数据处理

3.3.1 拉伸试验

3.3.2 光学显微镜

3.4 聚碳酸酯(PC)与聚碳酸酯之间激光透射连接工艺的实验结果与分析

4.4.1 试验结果与分析

3.4.2 拉伸强度方差分析与数学模型

3.4.3 连接区域宽度的方差分析与数学模型

3.4.4 工艺参数对拉伸强度和连接区域宽度的影响

3.4.5 模型验证

3.5 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)与聚对苯二甲酸乙二酯激光透射连接工艺的实验结果与分析

3.5.1 试验结果与分析

3.5.2 拉伸强度方差分析与数学模型

3.5.3 连接区域宽度的方差分析与数学模型

3.5.4 工艺参数对拉伸强度和连接区域宽度的影响

3.5.5 模型验证

3.6 聚碳酸酯(PC)与聚对苯二甲酸乙二酯(PET)激光透射连接工艺实验结果与分析

3.6.1 试验结果与分析

3.6.2 拉伸强度方差分析与数学模型

3.6.3 连接区域宽度的方差分析与数学模型

3.6.4 工艺参数对拉伸强度和连接区域宽度的影响

3.6.5 模型验证

3.7 本章小结

第四章 激光透射连接温度场应力场的数值分析

4.1 激光透射连接的有限元热传导理论

4.2 非线性瞬态温度场热传导的有限元求解

4.2.1 热源模型的选择

4.2.2 移动热源的加载与边界条件

4.2.3 有限元模型建立及网格划分

4.2.4 材料热物理性能参数的确立

4.2.5 后处理

4.3 温度场模拟结果与分析

4.3.1 PC透射连接温度场的变化规律

4.3.2 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)温度场模拟结果与分析

4.3.3 聚碳酸酯(PC)与聚对苯二甲酸乙二酯(PET)激光透射连接温度场模拟结果与分析

4.4 激光透射连接应力场的有限元模拟

4.4.1 应力的产生

4.4.2 应力场模拟的热力耦合

4.4.3 聚碳酸酯(PC)应力场的有限元模拟结果及分析

4.4.4 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)应力场的有限元模拟结果及分析

4.4.5 聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二酯应力场的有限元模拟结果及分析

4.5 聚碳酸酯温度场与实验测量值的对比

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究结果总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文