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1、毕业设计论文新型微量胶液喷射系统的设计 摘 要 ： 传统的点胶系统采用的是针筒式点胶方式,点胶针筒必须距离器件很近,对于需要进行底部填充的器件,点胶针头需要降低至器件顶部以下,针头边缘必须尽可能地与器件边缘靠近,且不引起接触和器件损坏, 这在实际操作中是非常困难的。针对传统针筒式点胶系统工作效率低和难以操控的问题,设计一种新型微量胶液喷射系统。该系统采用利用一种智能材料所实现的超磁致伸缩执行器作为驱动件,引入一种两级对称式柔性铰链位移放大机构对超磁致伸缩执行器的输出位移进行放大,以降低超磁致伸缩执行器的设计要求和成本。喷嘴在整个电路板上方沿x、y方向运动,无需沿Z轴运动,从而提高了生产效率,该

2、系统还具有喷射频率高、适用胶液广和清洗方便等优点。 关键词:超磁致伸缩执行器；喷射系统；位移放大机构ABSTRACT：In traditional needle tube dispensing system work efficiency is low and difficult to control problems, designing a new trace glue injection system. This system magnetostrictive actuator as driving parts, introduction of flexible hinge displa

3、cement amplification mechanism of giant magnetostrictive actuators output amplification, and to decrease the displacement of giant magnetostrictive actuator design requirements and cost to microcontroller as control core, complete the corresponding hardware and software design. In the whole circuit

4、nozzle along the x, y above without direction, along the Z axis movement, so as to increase the production efficiency, this system also has the jet frequency high, apply glue broad and convenient cleaning, etc. Keywords: giant magnetostrictive actuators； Injection system； Displacement amplification

5、mechanism第1章 绪论1.1 本文的研究背景 近年来，半导体密封装置结构随着电子制品尤其移动产品的小型化，也走上了轻簿短小化之路，并扩大了装在器材表面的结构范围。根据摩尔定律，芯片的尺寸在不断地缩小，导致消费电子产品体积越来越小、厚度越来越薄，价格也越来越便宜，而功能日益复杂。当人类体验小型消费电子产品的普及时，我们不能忽略电子封装技术的发展为我们的日常生活带来的革命性变化。 电子封装作为固体环氧塑封料的重要领域在SIP、DIP、SOP、PQFP、PBGA等形式的封装中广泛应用。为适应市场快速增长的以手机、笔记本电脑、平板显示等为代表的便携式电子产品的需求，IC封装正在向着微型化、薄型

6、化、不对称化、低成本化方向发展，传统的固体环氧迥封料已经不能够满足金属引线之间的间距日益变短的趋势，因此作为替代传统的环氧塑封料的，用环氧树脂或硅树脂合成的液状封装材料营运而生。液状封装材料(LE)是保护半导体芯片免受外部环境影响的新一代封装材料，是微电子封装技术第三次革命性变革的代表性封装材料、也是球型阵列封装(BGA)、芯片尺寸级封装(CSP)以及MEMS封装技术所需关键性封装材料之一，越来越成为发展的主流，固体及液体封装材料比较参考如表1-1所示。表1-1 固体及液体封装材料比较成本开发周期工艺参数复杂性可靠性生产力良品率应用范围固态环氧塑料封高长复杂高高高固定大批量液态环氧塑料封低短一

7、般较高高高固定/快速更换1.2 点胶机1.2.1 点胶机的介绍点胶机又称涂胶机、滴胶机、打胶机等，是专门对流体进行控制，并将流体点滴、涂覆于产品表面或产品内部的自动化机器；点胶机主要用于产品工艺中的胶水、油漆以及其他液体精确点、注、涂、点滴到每个产品精确位置，可以用来实现打点、画线、圆型或弧型。 点胶机适用的液体有各种溶济、粘接剂、油漆、化学材料、固体胶等,包括硅胶、EMI导电胶、UV胶、AB胶、快干胶、环氧胶、密封胶、热胶、润滑脂、银胶、红胶、锡膏、散热膏、防焊膏、透明漆、螺丝固定剂、木工胶、厌氧胶、亚克力胶、防磨胶、水晶胶、灌注胶、喇叭胶、瞬间胶、橡胶,油漆、搪瓷漆、亮漆、油墨、颜料等 。

8、点胶机可以应用到以下领域： 电声行业：喇叭、扬声器、蜂鸣器、音响、耳机； 电感行业：小型变压器、贴片变压器、电感、继电器、小型线圈马达； 通讯行业：手机按键、手机机壳粘接、对讲机、电话机、传真机； 电脑、数码产品、数码相机、MP3、MP4、电子玩具、机壳粘接； 开关、连接器、线材、插头连接线 ；电子：电子元器件、集成电路、线路板点锡膏，电子零件固定及防尘防潮保护，LCD液晶屏等； 光学：光学镜头、光头、磁头；机械五金； 电池盒密封； 商标固定粘接。 1.2.2 点胶机的分类 第一类：普通型点胶机 控制器式点胶机： 图1-2 全自动点胶机包括全自动点胶机 (图1-2)、定量点胶机、半自动点胶机、

9、数显点胶机、精密点胶机等。 桌面型点胶机： 包括台式点胶机、台式三轴点胶机、台式四轴点胶机、或者桌面式自动点胶机、3轴流水线点胶机、多头点胶机 、多出胶口点胶机、划圆点胶机、转圈点胶机、喇叭点胶机、手机按键点胶机、机柜点胶机等。 半自动点胶机： 包括微电脑精密点胶机、LED数显点胶机(见图1-3)、自动回吸点胶机、拔码循环点胶机。图1-3广泛用于LED行业的LED点胶机第二类：自动型点胶机落地式双液点胶机 喷涂点胶机 图1-4在线式继电器点胶机导电胶自动点胶机（此点胶机与普通点胶机区别之处在于，所点出来的导电胶切面呈三角形分布状态，主要用于电磁屏蔽点胶） 荧光粉喷射式点胶机，（此点胶机主要用于

10、LED行业,见图1-5）图-15TENSUN-LED荧光粉点胶机第三类：双Y轴COG点胶机 (见图1-6)图1-6 双Y轴COG点胶机此类点胶机包括两个运动平台，传统点胶机一般只含一个运动平台。每个运动平台一般可配5个以上点胶头，实现点胶效率跨越式提升，适用于LCD、液晶模块精密点胶，目前在手机液晶屏、PDA等液晶屏领域应用最为广泛。第四类：非标类，此类点胶机是按照客户产品工艺的某些特殊要求，单独定做，此类点胶机往往开发成本较高。1.2.3 常见的问题点胶机最常遇到的问题是阀门问题，下列为解决胶阀使用时经常发生的问题的有效方法。 1 阀滴漏此种情形经常发生于胶阀关毕以后。 95%的此种情形是因

11、为使用的针头口径太小所致， 太小的针头会影响液体的流动造成背压, 结果导致胶阀关毕后不久形成滴漏的现象，过小的针头也会影响胶阀开始使用时的排气泡动作，只要更换较大的针头即可解决这种问题。锥形斜式针头产生的背压最少, 液体流动最顺畅，液体内空气在胶阀关毕后会产生滴漏现象, 最好是预先排除液体内空气,或改用不容易含气泡的胶，或先将胶离心脱泡后在使用。 2 胶大小不一致当出胶不一致时主要为储存流体的压力筒或空气压力不稳定所产生。进气压力调压表应设定于比厂内最低压力低，压力筒使用的压力应介于调压表中间以上的压力, 应避免使用压力介于压力表之中低压力部分,最后应检查出胶时间；若小于15/1000秒会造成

12、出胶不稳定，出胶时间愈长出胶愈稳定。3 速太慢 流速若太慢应将管路从1/4” 改为3/8”。管路若无需要应愈短愈好， 除了改管子,还要改出胶口和气压,这样完全加快流速。4 体内的气泡过大的流体压力若加上过短的开阀时间则有可能将空气渗入液体内， 解决方法为降低流体压力并使用锥形斜式针头。 5 间胶在胶阀、接头及管路上堵塞此种情形主要因过多的湿气或重复使用过的瞬间胶。 应确保使用新鲜的瞬间胶. 将管路以未含湿气的Aceton丙酮彻底清洗过，使用的空气应确定完干燥且于厂内空压与胶阀系统间加装过滤器。( 以上方法如仍然无效, 则应使用氮气. ) 。6 UV胶 ( 紫外线固化胶 )确定使用黑色的管路.

13、勿直接添加UV胶于压力筒旧有的UV胶上。 先将原有UV胶放掉, 再胶UV胶倒入空的压力筒， 压力筒内的UV胶往往经过一段时间后会产生气泡而造成出胶不稳定。针头一般而言比20号小的针头都可能产生空气问题- 滴漏或垂流。尽量使用较大号一般金属针头或锥形斜式针头， 避免使用绕性或铁弗龙针头。环氧树脂的 ( expoxy ) 清洗可能的话尽量每一个Shift用一般甲苯溶剂的储存压力筒自动清洗一次, 愈常清洗越好。1.2.4微电子封装对点胶技术的要求目前，微电子封装对点胶技术的要求主要有： 实现胶滴直径0.25mm的微量点胶，并进一步实现胶滴直径0.125mm，并由邻近胶滴形成各种预期图案的数字化点胶技

14、术； 在点胶空间更紧凑或受到限制的情况下能快捷准确地实现空间三维点胶； 在大尺寸、微间隙、高密度I/O倒装芯片的条件下能实现预期复杂图案的高精度精确点胶； 光电器件、MEMS以及微纳器件封装要求一致性高的微量点胶技术。当前，能够部分应对以上挑战的点胶技术基本上只有接触式的螺杆泵点胶和非接触式的喷射点胶。 1.2.5 点胶机的发展随着电子胶水的普遍应用，点胶设备的应用也会更加广泛和多样化。目前，单组份的点胶技术相对成熟，其发展方向是自动化和高精度。在普通的点胶机，如一些点胶控制器，国内的模仿技术已经很成熟，市场竞争十分激烈，价格一落千丈，甚至几佰的机器都已经出现，但是国内的点胶机普遍存在精度不高

15、，打胶不够稳定现象，一些高科技行业，说到选购点胶机，肯定只能找世界品牌，所以，在高精度这块，有待各位有志之士进一步努力呀，当市场竞争激烈，唯有质量和服务能够让自己脱颖而出。 在自动化这块，国内的三轴平台，圆周点胶机等等已经有多年的发展历史，如果只是普通的精度，那么使用国内点胶机和平台就可以了。目前从事这些单组份设备的生产和研究的厂家也比较多，市场竞争逐渐激烈，不过可以挖掘的空间还是十分之大。 自动点胶机在行业中的影响很广，在工业生产中，很多地方都需要用到点胶，比如集成电路、印刷电路板、彩色液晶屏、电子元器件（如继电器、扬声器）、汽车部件等等。传统的点胶是靠工人手工操作的。随着自动化技术的迅猛发

16、展，手工点胶已经远远不能满足工业上的要求。手工点胶具有操作复杂、 速度慢、精确度低、容易出错，而且无法进行复杂图形的操作，更无法实现生产自动化等缺点，市场上要求一种速度快， 图1-5 全自动点胶机器人效率高，精度高的设备，因此就出现了全自动点胶机器人。在科技就是第一生产力的今天，全自动点胶机器人的出现为点胶行业带来前所未有的机遇和发展，人们为了与点胶机器人简单方便地交流，把想法传达给机器人，使机器人按照人的意志和点胶工艺的要求来运动，就发明了一种示教编程器系统，这种示教编程器可以很简易地控制点胶机器人，发送各种运动指令，执行各种图形的点胶。 第2章 新型微量胶液喷射系统2.1针头点胶技术早期的

17、液态点胶过程是通过针头式点胶系统来实现的，在采用针头式点胶系统的过程中，针头必须离器件很近。而对于需要进行底部填充的器件，点胶针头需要降低至器件顶部以下，针头边缘必须尽可能地与器件边缘靠近，且要避免接触和损坏器件。同时，针筒式点胶系统需要精确的高度传感器来决定针头相对于电路板各个器件的高度Z，然后通过编程控制针头在电路板上的三维X、Y、z运动，避免与器件产生碰撞。面对着封装正在向着微型化的发展趋势，在某些狭小空间里，很难保证元件间有足够的间距便于针头接近需要进行底部填充的器件，在新进发展的MEMS麦克风封装中也存在着同样的挑战一一狭小空间的应用，新的点胶方法呼之欲出。2.2 无接触喷射式点胶技

18、术2.2.1喷射式点胶技术的推出面对着封装微型化的发展趋势的挑站，Asymtek率先及时提出一种称为“喷射(jetting)”的点胶技术。新技术采用喷嘴替代针头，解决了针头式点胶系统难题。Jetting喷嘴可在需要进行底部填允的器件上方进行点胶，无需到达其顶面以下的位置，也称为无接触喷射式点胶技术。Jetting喷嘴在整个电路板上方沿x、Y方向运动，而无需垂直z运动，为设计人员解决上文提到的狭小空间点胶的问题提供了解决方案。2.2.2 喷射式点胶技术的优点通过针头式点胶技术和无接触喷射式点胶技术在MEMS麦克风封装巾的相上比较，表2-2 两种点胶技术比较成本开发周期工艺参数复杂性可靠性生产力良

19、品率应用范围针头式点胶系统高长复杂低高高表面喷涂/底部填充喷射式点胶系统低短一般较高很高很高表面喷涂/底部填充/狭小空间涂胶笔者认为喷射技术具有很多优越性，具体表现在速度、质量、成本及应用范围上，两种点胶技术的比较参照表格2-2。(1)速度和生产效率：高喷射率多达每秒200点、无z轴移动现象、“在空中”喷射要求各滴涂点之间无停动现象、要求高度校准工作更少、防止胶体拉丝的无针头式退回技术，生产效率可提高至100%。(2)质量和可靠性：高点胶精度，较小的浸湿范围、圆形均匀的滴涂点、提高了胶水涂抹密封效果；另外无接触试喷胶无芯片刮伤的现象、无滴液现象、无引线损伤现象，大大提高产品质量的可靠性；(3)

20、成本及良品率：消耗部件极易快速地进行清洗、且使用寿命长成本较低，同时良品率达999以上；(4)灵活性及应用范围：多种形式的应用，底部填充、表面涂料及包封、芯片沾贴，围堰狭小空间结构内部的喷胶。2.2.3无接触喷射式点胶技术的工艺参数及优化以下工艺缺陷：胶点大小不合格、拉丝、胶水浸染焊盘、固化强度不好易掉片、金线弯曲或损伤，芯片损伤、胶水金线及芯片的分层等可靠性问题成为无接触喷射式点胶技术发展的新挑战，解决这些问题应整体研究各项技术工艺参数，从而找到解决问题的办法。图2-1金线弯曲量与胶点的大小和点胶高度关系(1)胶点的大小与点胶高度的控制：胶点太大易造成胶溢出、胶量过多、金线弯曲或损伤现象；胶

21、点太小则会出现点胶断续现象、漏点，从而造成缺陷，金线弯曲量与胶点的大小和点胶高度关系见图2-1。(2)胶点的大小与喷嘴头的大小及点胶时间的关系：通常喷嘴头内径大小应为点胶胶点直径的12，合适的喷嘴头与优化的点胶时间点胶高度既保证了点胶的质量，即Z轴高度校准，又能保证合理的胶点大小，胶点的大小和喷嘴头的大小及点胶时间的关系见图2-2。图2-2 胶点的大小和喷嘴头的大小及点胶时间的关系(3)胶水温度的控制：一般环氧树脂胶水应保存在020的冰箱中，使用时应提前1h拿出，使胶水充分与工作温度相符合，胶水的使用温度应为2325；环境温度对胶水的黏度影响很大，温度过低则胶点会变小，出现拉丝现象；环境温度相

22、差5，会造成50点胶量变化，因而对于环境温度应加以控制，有砦设备如Asymtek DJ一900自带热电偶，可以通过程序来设定点胶温度以避免外界环竞的影响。 (4)胶水的黏度及触变指数：胶的黏度、触变指数直接影响点胶的质量，黏度大，则胶点会变小，甚至拉丝；黏度小，胶点会变大，出现滴胶现象，进而可能渗染焊盘。而触变指数正是低速黏度与高速黏度的比值，它反映了胶水的可点滴性能，滴胶及拉丝原理参照图2-3，一般建议触变指数大于3，否则易出现如图2-4所示的拉丝现象。对于以上各参数的调整，应按由点及面的方式进行，任何一个参数的变化都会影响到其他方面，同时缺陷的产生，可能是多个方面所造成的，应对可能的因素逐

23、项检查，进而排除，胶水的黏度控制和喷嘴头大小的选择显得更为重要，总之，在生产中应该按照实际调整各参数，既要保证生产质量，又能提高生产效率。(b)拉丝原理高速黏度太高图2-3胶水黏度与滴胶及拉丝的相关性原理图2-4 胶水黏度&触变指数与胶水的可靠性能的相关性2.3 系统总体设计2.3.1 设计思路 点胶系统不仅广泛应用在BGA、CSP以及倒装芯片表面贴装过程中,而且是自动纸箱热溶胶封箱系统及贴标机中的主要组成部件。点胶系统在使用过程中,必须密切注意此类器件的液态底部填充过程,希望底部填充过程时间尽可能短,并尽量保证整个过程准确无误。传统的点胶系统采用的是针筒式点胶方式,点胶针筒必须距离器件很近,

24、对于需要进行底部填充的器件,点胶针头需要降低至器件顶部以下,针头边缘必须尽可能地与器件边缘靠近,且不引起接触和器件损坏, 这在实际操作中是非常困难的。系统采用最新的“喷射( jetting)”技术,用喷嘴替代筒,则可以解决上述难题；与传统的针头式点胶技术相比,喷射式点胶具有速度高、质量好、成本低等优点。为获得比传统点胶系统更大的驱动力和驱动频率,喷射系统的驱动部分可以采用超磁致伸缩执行器（见图2-5）。超磁致伸缩材料就是一种新型的电(磁)机械能转换材料,具有在室温下应变量大,能量密度高,响应速度快等特性。国外已将之应用于伺服阀、比例阀和微型泵等流体控制元件中,并取得了一些进展，现在将超磁致伸缩

25、材料的伸缩运动作为驱动力应用到喷射式点胶系统中。图2-5 超磁致伸缩执行器随着工业技术的发展， 目前越来越多的伺服系统中要求使用高压、大流量、高响应的伺服阀。射流管伺服阀前置级采用射流放大器，射流喷嘴大，喷嘴与接受孔之间的距离大，不易堵塞，抗污染能力强，在此基础上，提出了射流管力反馈两级阀作为前置图2-6 柔性铰链位移放大机构示意图级、功率级阀芯位移电反馈的CSTD1 型三级伺服阀， 但由于其第三级滑阀阀芯行程只有十几微米，阀芯位移信号较难检测，需对阀芯位移进行放大，以提高三级伺服阀的响应速度和控制精度，降低成本。柔性铰链是近年来发展起来的一种新型的传动、支撑机构，具有常规运动副无可比拟的运动

26、平稳、无需润滑、零迟滞、高精度、无装配误差等优点，能够满足位移放大，同时能够实现系统的精密定位，所以本次设计中再加入了一种位移放大结构(见图2-6），设计出了一种新型的喷射系统。2.3.2 结构设计如图2-7所示,系统由上机控制单片机发出数字信号,通过D /A转换,输出电压信号,输入到压控恒流源,压控恒流源输出电流,作用于超磁致伸缩执行器的激励线圈产生变化的磁场,使超磁致伸缩元件(GMM棒)伸缩,通过输出顶杆传递到位移放大机构,位移经图2-7微量胶液喷射系统框图过放大后传递到喷针,喷针撞击存储有胶液的底座,将机械能转移到胶液,使胶液通过喷嘴形成胶点并喷出，本次设计只包括机械结构的设计。如图2-

27、8所示,本系统的机械结构包括喷射器、柔性铰链位移放大机构和超磁致伸缩执行器3个部分。1.底座 2.线圈骨架 3.激励线圈 4.偏置线圈 5.GMM棒 6.壳体7.输出顶杆 8.预压弹簧 9.预压螺钉 10.挡圈1 11.位移放大机构12.连接腔 13.挡圈2 14.喷针图2-8 新型微量胶液喷射系统机械结构2.4 本章小结新型微量胶液喷射系统的驱动部分由于采用了超磁致伸缩执行器,因此可获得比传 统点胶系统更大的驱动力、驱动频率、高速度和高的点胶精确度，利用其柔性铰链位移放大机构,可降低超磁致伸缩执行器的设计要求和成本。这种非接触式的喷射系统在对倒装芯片进行底部填充时避免了底部胶液与引线接触,避

28、免了损坏引线。喷嘴在整个电路板上方只沿x、y轴方向运动,无需沿Z轴方向移动,在各线段间转换时不需要停止运动,因此大大节省了加工时间,提高了生产效率。此外该系统还具有喷射频率高、适用胶液广和清洗方便等优点，喷胶系统工艺控制的不断扩展,其结果必然是使用户得到更低的成本,更高的良品率。第3章 超磁致伸缩执行器3.1 超磁致伸缩材料的介绍3.1.1 微机械的发展现状随着科学技术研究向微小领域的深入，诞生了微W纳米科学与技术（Micro/Nano Science and Technology），以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造自然的一种高新技术。微机械是基于广泛的

29、现代科学技术，并作为整个微/纳米科学技术的重要组成部分的一项崭新研究课题。其必须具备的基本要求是：体积小，精度高，重量轻；性能稳定，可靠性高；能耗低，灵敏度和工作效率高；多功能和智能化；适于大批量生产，制造成本低廉。微机械发展很快，近几年，已成功开发出微驱动器、微传感器、微控制器等，并由这些不同的微机械器件集成许多具有精巧功能的集成机构IM（Integrated Mechansim）。相对完备的微电子机械系统MEMS逐渐形成，整个系统的尺寸可以缩小到几毫米甚至几百微米。如美国贝尔实验室开发出直径为400m的齿轮，加州大学伯克利分校试制出直径为60m的静电电机，直径为50m的旋转关节，以及齿轮驱

30、动的滑块和灵敏弹簧，美国斯坦福大学研制出直径20m，长度150m的铰链连杆机构，210m100m的滑块机构，转子直径200m的静电电机和流量为20ml/min的液体泵，日本东京大学工业研究院研制成1cm3大小的爬坡微型机械装置。我国许多高校和研究所也取得不少进展。如上海冶金研究所研制出直径为400m的多晶硅齿轮、气动涡轮和微静电电机等。这些微型机械不少已有具体的应用。MEMS的研究和开发正得到世界各发达国家的广泛重视，尤其是集微机械、微电子等综合技术为一体的微机器人，由于其在工业、生物医学、军事和科研等领域的广泛应用前景而倍受青睐，随着智能材料与结构研究日益深入，将智能材料用于微机械、微机器人

31、实现其结构的微型化、智能化以及功能的集成化，已经成为微机器及微机器人研究的一个主要发展趋势。3.1.2 微机械用智能材料结构 智能材料结构特点将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能，如具有识别、分析、处理及控制等多种功能，并能进行数据的传输和多种参数的检测，而且还能够动作，具有改变结构的应力分布、强度、刚度、形状等多种功能，从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习等能力，这种结构称为智能材料结构。可见，智能材料结构和制造是不可分割的，它不同于传统的结构材料和功能材料，其模糊了结构与功能的明显界限，趋向于结构功能化和功能多样化。应用智能材料结构，有利于使传感器、执行器和电子控制电路等融为一体，以满足微机械体积小、精度高、重量轻及实现微机械的多功能化和智能化的集成。目前智能材料结构引起了人们的广泛关注，为微机械的研究开辟了新途径。微机械用智能材料结构常用作微机械材料的智能材料有硅材料、形状记忆合金、电致伸缩材料、电（磁）流变材料、导电聚合物、储氢材料等。本文的超磁致伸缩执行器就是利用超磁致伸缩材料的特