流体点胶过程流动分析与数值仿真.docx

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目 录

第一章 绪 论 1

1.1研究背景--在电子封装中的应用 1

1.2点胶技术 3

1.2.1点胶技术的应用形式及其比较 3

1.2.2点胶技术的发展、现状及存在的问题 5

1.2.3国内外点胶机技术对比 9

1.2.4时间-压力型点胶技术 10

1.3课题研究意义、研究内容 12

1.4小结 14

第二章 时间-压力点胶系统物理模型 15

2.1前言 15

2.2点胶中胶体的应用及其流变特性 15

2.2.1牛顿流体流体特性 17

2.2.2非牛顿流体流体特性 17

2.3流体运动建模 19

2.3.1点胶流体流态问题 19

2.3.2流体动态特性方程 20

2.3.3流体运动简化模型 22

2.4流体有限元建模 25

2.5小结 27

第三章 时间-压力点胶系统胶体流动数值仿真 28

3.1计算流体力学仿真技术 28

3.1.1计算流体力学的发展 28

3.1.2CFX软件介绍 30

3.1.3时间-压力点胶数值仿真 30

3.2几何模型的建立 31

3.3模型网格划分 32

3.4模型前处理条件的设定 33

3.5稳态模型仿真结果、分析及比较 34

3.5.1胶体的流场分布图及分析 34

3.5.2胶体的压力梯度分布图分析 38

3.5.3入口压力对出胶量的影响 38

3.5.4针头直径对出胶量的影响 39

3.5.5针头长度对出胶量的影响 40

3.6CFX仿真结果判定 42

3.7非稳态点胶分析 43

3.8小结 44

第四章 点胶系统关键影响因素分析 45

4.1前言 45

4.2剩余胶体量的影响 45

4.2.1气管的影响分析 45

4.2.2针筒空腔气体影响分析 46

4.2.3优化措施 47

4.3静态混合的影响—双液点胶 48

4.3.1点胶中的静态混合技术 49

4.3.2压力降的计算及其影响因素分析 49

4.3.3压力降因素的优化措施 51

4.4针尖残留量的影响 52

4.4.1点胶高度 53

4.4.2针头形状、内径 54

4.5小结 54

第五章 基于实验的点胶影响因素分析 55

5.1前言 55

5.2实验目的 55

5.3实验条件及方法 55

5.3.1实验条件 55

5.3.2实验方法 56

5.4点胶压力的实验和结果分析 58

5.4.1实验和结果分析 58

5.4.2点胶压力对点胶的影响小结 60

5.5不同胶液对压力变化的敏感性对比实验和结果分析 60

5.5.1实验和结果分析 61

5.5.2对比实验小结 62

5.6本章小结 62

第六章 总结与展望 63

6.1总结 63

6.2创新点 64

6.3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（IntegratedCircuit，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[2][3]。

伴随着1947年世界上第一只半导体晶体管的出现，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[5][6]，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（DieAttach）、芯片倒装（Underfill）、芯片涂敷（DieCoating）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（DieAttach）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-attachpad）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（FlipChipTechnology），又称底料填充，是指将芯片以凸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（DieCoating），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，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EMI（ElectroMagneticInterference：

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（ContactDispensing）和非接触式点胶（Non-ContactDispensing）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。

83

b）螺杆泵（AugerValve）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（PistonPositiveDisplacement）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，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（JettingTechnology）

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1~3.5mm，无需Z轴机械运动。

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/AugerValve

（c）活塞泵型/PositiveDisplacement （d）喷射点胶/JettingTechnology

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

（Pa·s）

15~600

0.001~5000

0.5~20

1~100

最小胶滴直径

（mm）

0.20

0.25

0.35

0.30

一致性误差

±