鄧珺珺, 鄧圭玲, 彭 雯, 周 燦, 李 廣

(1.中南大學(xué) 機電工程學(xué)院,湖南 長沙 410083； 2.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室,湖南 長沙 410083; 3.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 湖南 長沙 410205)

0 引 言

點膠技術(shù)是電子封裝領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。隨著電子制造業(yè)的迅速發(fā)展,微電子封裝對點膠精度的要求越來越高,對點膠膠液體積的控制越來越小,對點膠效率的要求越來越高。目前根據(jù)點膠頭與工件的接觸情況可分為：接觸式點膠和非接觸噴射式點膠。按驅(qū)動方式不同,非接觸噴射點膠可分為：氣動驅(qū)動式噴射點膠閥,壓電驅(qū)動式噴射點膠閥[2～4]。近年來,國內(nèi)許多高校對壓電噴射點膠技術(shù)進行了研究,一些專家基于壓電原理、流體力學(xué)和物理模型建立仿真模型,分析流固耦合過程,進行點膠流體動態(tài)行為的研究[5～7]。中南大學(xué)Zhou C等人[8]提出一種新型雙壓電噴射閥,工作頻率可以達(dá)到500 Hz。最小點的體積約為 25 nL,點之間的體積誤差不大于±10 %,并建立了多物理場耦合模型。廈門大學(xué)王凌云等人[9]提出一種圓弧柔性鉸鏈放大機構(gòu)的雙壓電驅(qū)動點膠閥,可在400 Hz的頻率下獲得均勻微小的圓形膠滴,并創(chuàng)建了流體動力學(xué)模型,但模型中噴針運動過程的定義與實際運動情況存有偏差。

本文創(chuàng)建了機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析(ADAMS)仿真模型,以往的研究常以恒定加速度定義噴針的運動方式來進行膠滴噴射的流體分析,與實際的膠滴生成過程存有偏差,本次對ADAMS模型中的噴針的速度仿真曲線進行擬合,并用于定義流體動力學(xué)模型中噴針的運動。仿真分析了噴射閥的動態(tài)性能與膠滴噴射的動態(tài)過程,并與相應(yīng)的實驗研究對比,驗證了仿真分析的準(zhǔn)確性。

1 壓電噴射閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

壓電噴射閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用壓電陶瓷作為動力源,菱形平面彈簧和噴針彈簧組成雙彈簧回復(fù)系統(tǒng),其中噴針彈簧為圓柱螺旋彈簧,鉑電阻與加熱棒構(gòu)成溫控模塊。當(dāng)壓電堆輸入高電壓時,壓電堆拉伸變形輸出位移,并提供一個驅(qū)動力,驅(qū)使放大機構(gòu)繞著框架圓弧面向下轉(zhuǎn)動,菱形平面彈簧與圓柱螺旋彈簧產(chǎn)生壓縮并儲存能量,撞針驅(qū)使噴針快速向下運動的過程中,室腔受擠壓形成高壓,膠液獲得動能遠(yuǎn)離噴嘴口,當(dāng)噴針與噴嘴碰撞之后,液柱被切斷,形成膠滴,在粘性力的作用下,剩余的膠液彈回噴嘴。當(dāng)壓電堆處于低電平時,壓電堆縮短,回復(fù)系統(tǒng)儲存的彈性勢能轉(zhuǎn)換為運動部件的動能,噴針快速向上運動,放大機構(gòu)繞著圓柱面向上轉(zhuǎn)動,在振蕩后趨于平衡狀態(tài)。填充氣壓驅(qū)使膠液重新填滿整個室腔,完成一個噴射周期。

圖1 壓電噴射閥結(jié)構(gòu)

2 仿真模型

2.1 ADAMS動力學(xué)模型

ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、 約束庫、力庫,創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型,對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析,輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線[10,11]。采用SolidWorks創(chuàng)建三維模型導(dǎo)入ADAMS中,創(chuàng)建動力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 ADAMS仿真模型

噴針與噴嘴設(shè)置為鎢鋼,其余材料設(shè)置為不銹鋼。放大機構(gòu)與下頂塊、框架之間設(shè)置平面副約束,噴針與套筒之間設(shè)置圓柱副約束,框架與大地固定,其他無相對運動的且互相接觸的部件之間設(shè)置固定約束。上頂塊與下頂塊之間添加平移副約束,并結(jié)合壓電模型,在上頂塊與下頂塊之間創(chuàng)建一個虛擬彈簧和一個周期脈沖力。菱形平面彈簧與圓柱螺旋彈簧采用虛擬彈簧代替。對未相互固定的且會發(fā)生接觸的部件之間創(chuàng)建接觸。

壓電堆特性和驅(qū)動電壓影響壓電堆的輸出力Fout和輸出位移S,本文采用PI公司生產(chǎn)的P—887.91型多層壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動分配器,根據(jù)壓電陶瓷產(chǎn)品參數(shù),可得輸出力Fout與工作電壓U,輸出位移S的關(guān)系如下

Fout=15.4U-50S

(1)

基于ADAMS軟件創(chuàng)建壓電模型,壓電陶瓷等效于一個剛度為50 N/μm的彈簧和一個驅(qū)動力Fm采用函數(shù)step(sin(2×t×f×π),x0,h0,x1,h1)(x1>x0)定義一個相對光滑的周期脈沖力信號。創(chuàng)建脈沖力函數(shù)如下

Fm=step(sin(2×t×200×π),-0.15,0,0.15,1 540)

(2)

2.2 流體動力學(xué)模型

簡化膠滴生成過程的數(shù)學(xué)模型,進行噴射過程中生成的膠滴體積分析。噴射閥噴射膠液體積可分為2個過程,第一過程是噴針上升停留過程中因填膠氣壓的膠液流出體積,第二過程是噴針下行至撞擊噴嘴過程中流出的膠液體積,即噴射過程中噴射膠液體積為

Vtot=Vopen+Vimpact

(3)

式中Vtot為噴射總體積,Vopen撞針抬起時膠液流出噴嘴體積,Vimpact撞針撞擊噴嘴時通過噴嘴體積。

第一過程中,在供膠壓力的作用下進行膠液的補充,進行簡化分析,將其視為壓力小孔自由流出,可得流出的膠液體積為

(4)

式中Cp為小孔流率系數(shù),d為噴嘴直徑,ρ為膠液的密度,Δp為噴嘴室腔的壓降,Topen為噴針上升停留時間。

假設(shè)膠液在噴射閥噴嘴孔中心內(nèi)運動滿足哈伯—肖博葉方程,第二過程噴針撞擊噴嘴的過程中產(chǎn)生的膠液體積Vimpact為[3]

(5)

式中n為流體特征數(shù),td為噴針下落時間,μmax(t)為噴嘴管路流體中心速度。則噴嘴管路流體中心速度表達(dá)式為[3]

(6)

式中P為空氣壓力,ΔP為噴針撞擊噴嘴時噴嘴孔內(nèi)產(chǎn)生的壓力,Pa為噴嘴外部壓力,Lnozzte為噴嘴孔長度,K為常數(shù),一般取1。

在壓電噴射閥一個周期時間內(nèi),通過噴嘴的膠液體積

(7)

創(chuàng)建流體仿真模型如圖3所示。

圖3 多相流仿真模型

選用Workbench中集成的Fluent模塊,創(chuàng)建工程,通過幾何建模工具DesignModeler對壓電噴射閥中噴針與噴嘴的流體域按照1︰1的比例創(chuàng)建二維模型。對進膠口、出膠口、噴針和邊界進行命名。設(shè)置單元格尺寸0.03 mm,并采用Triangles對流體區(qū)域進行網(wǎng)格的劃分,生成三角型網(wǎng)格。通過動網(wǎng)格模擬噴針在流體域中的運動,三角型網(wǎng)格在動網(wǎng)格運動過程中不易產(chǎn)生負(fù)網(wǎng)格。編寫通用磁盤格式(universal disk format,UDF)文件,定義動網(wǎng)格的運動方式,模擬噴針的運動過程。設(shè)置瞬態(tài)仿真模式,添加重力加速度,選用多相流模型。通過計算得流場的雷諾數(shù)Re<2 300,可判斷流場的流動狀態(tài)為層流,選用層流模型中的Laminar模型建立仿真模型。

設(shè)定工作頻率為200 Hz,占空比為50 %,上升沿為0.2 ms,工作電壓為100 V。采用ADAMS模型的仿真數(shù)據(jù)進行多項式擬合,編寫UDF文件定義噴針的運動?；趪娽樀乃俣惹€,一個周期內(nèi),噴針的運動過程可由式(8)定義

(8)

3 實驗分析

3.1 實驗平臺的搭建

點膠實驗平臺如圖4所示。采用激光位移傳感器實時測量撞針的位移數(shù)據(jù),控制器為壓電陶瓷提供控制信號,精密調(diào)壓閥用于調(diào)控噴射閥的供膠氣壓,采用Photron的FastCAMSa1.1高速相機在室溫環(huán)境下對膠液噴射過程進行拍攝,高速相機采樣頻率為5 000 fps。

圖4 實驗測試平臺

大部分膠液的粘度特性受溫度影響,在進行噴射實驗之前,首先使用流變儀對實驗中使用的膠液進行粘度特性分析。實驗用膠的膠液粘度曲線如圖5所示,隨著溫度的升高,膠液的剪切粘度逐漸降低,當(dāng)溫度為80 ℃時,膠液的剪切粘度為0.067 Pa·s。實驗過程中,實驗條件不變：工作電壓為100 V,上升沿為0.2 ms,占空比50 %,工作頻率為200 Hz,噴嘴孔直徑0.15 mm。

圖5 膠液粘度特性

3.2 噴射閥的動態(tài)性能

在相同條件下進行ADAMS動力學(xué)仿真。實驗與仿真結(jié)果如圖6所示,一個周期內(nèi),實驗結(jié)果表明,在0.5 ms時間內(nèi),噴針運動至下平衡位置,發(fā)生振蕩后趨于穩(wěn)定,時間持續(xù)2 ms后，噴針向上運動至上平衡位置,振蕩后停留,其中撞針的行程為0.083 mm,下行最大速度為0.38 m/s。仿真與實驗結(jié)果基本一致,驗證了ADAMS仿真模型的可靠性。

圖6 噴射閥動態(tài)特性

3.3 膠滴噴射的動態(tài)過程

壓電噴射閥完成膠滴噴射的條件包括膠滴獲得足夠的動能和噴嘴室腔中合適的膠液補充量。膠滴獲得的動能主要與噴針撞擊噴嘴時的速度有關(guān);膠液補充量與填充速度和填充時間有關(guān)。為了探究膠滴的生成過程,設(shè)定膠液粘度0.149 Pa·s,填充氣壓為0.15 MPa,采用高速攝像機記錄了膠滴噴射的動態(tài)過程,在與實驗條件一致的情況下,采用多相流仿真模型進行膠滴噴射過程的模擬。當(dāng)工作頻率為200 Hz時,一個周期內(nèi)膠滴的生成過程如圖7所示。

圖7 膠滴動態(tài)過程

其中，膠滴的動態(tài)仿真如圖7(a)所示,當(dāng)t=0 ms時,噴針開始向下運動,擠壓室腔；當(dāng)t=0.4 ms時,噴針撞擊噴嘴,膠液獲得動能并快速遠(yuǎn)離噴嘴,形成膠滴,膠滴末端殘留拉絲；當(dāng)t=0.4～2.5 ms時,壓電堆處于高電平,噴針壓緊在噴嘴上,膠滴末端拉絲斷裂,膠滴向下滴落,因粘性力的作用,部分膠液殘回縮至噴嘴；當(dāng)t=2.5 ms時,在回復(fù)系統(tǒng)的作用下噴針開始向上運動；當(dāng)t=2.9～5 ms時,壓電堆處于低電平,噴針穩(wěn)定在上平衡位置。在噴針上升以及在上平衡位置停留的時間內(nèi),供膠氣壓驅(qū)動膠液快速填滿噴嘴室腔。圖7(b)為高速攝像機記錄一個周期內(nèi)膠滴噴射的動態(tài)過程。當(dāng)t=0.4 ms時,噴嘴口附近生成一個傘狀的膠滴，與仿真一致,在膠滴末端存在拉絲現(xiàn)象；在t=5 ms時,膠液重新填充滿噴嘴。比較一個周期內(nèi)膠滴的動態(tài)運動過程,實驗結(jié)果驗證了仿真分析的可靠性。

3.4 膠液填充速度對膠滴體積的影響

為了完成膠滴噴射,噴射閥需滿足合適的膠液填充速度,膠液填充速度與膠滴的粘度和供膠氣壓相關(guān),故進行膠液粘度與供膠氣壓對膠滴體積的影響分析。采用控制器為噴射閥的溫控模塊設(shè)定不同的工作溫度,通過精密調(diào)壓閥提供不同的供膠氣壓,采用控制變量法進行粘度與供膠氣壓的對比實驗。利用量筒與電子分析天平進行實驗測量,計算獲得實驗用膠的密度為862 kg/m3。利用控制器的計數(shù)功能,每組實驗采集1 000滴膠液,通過電子分析天平進行稱重并計算。在相同實驗條件下,采用多相流模型進行仿真分析。膠液粘度與供膠氣壓對膠滴體積的影響分析如圖8所示。

圖8 膠滴體積的影響因素

如圖8(a)所示,膠滴體積與膠液粘度呈負(fù)相關(guān),當(dāng)膠液粘度為0.097 Pa·s時,仿真與實驗結(jié)果最相近。如圖8(b)所示,膠滴體積隨著供膠氣壓的增大而增大,當(dāng)供膠氣壓為0.15 MPa時,仿真結(jié)果與實驗差別最小。由圖分析,仿真分析忽略了機械結(jié)構(gòu)以及實驗誤差等因素,其曲線平緩,而實驗曲線變化更加明顯。但膠液粘度與供膠氣壓對膠滴體積的影響趨勢,仿真與實驗分析趨于一致。

3.5 不同行程下膠滴的一致性

行程影響噴針撞擊噴嘴的速度,以及壓電陶瓷的輸出力,不同行程膠液的補充量也不同。在0.04,0.06,0.08 mm的行程下,分別進行15組對比試驗,每組實驗采集1 000滴,采用電子分析天平測量,再計算每一滴膠滴的體積。設(shè)定膠液粘度0.149 Pa·s,供膠氣壓0.1 MPa。

實驗結(jié)果如圖9(a)所示,行程為0.04 mm時,膠滴體積為14.5 nL,膠滴體積隨工作行程的增大而增大。在200 Hz的工作頻率下,該壓電噴射閥生成膠滴體積一致性不超過±6 %,膠滴體積的絕對誤差隨著行程的增大而增大。在行程為0.06 mm時,相對誤差最小,且不超過±3 %。

圖9 不同行程下膠滴體積的一致性誤差

4 結(jié) 論

1)創(chuàng)建了壓電噴射閥的ADAMS動力學(xué)仿真模型?；贏DAMS仿真,對噴針的速度曲線進行多項式擬合,并用于定義多相流模型中噴針的運動。通過對噴射閥動態(tài)性能和膠滴噴射的動態(tài)過程的實驗分析,驗證了仿真模型的可靠性,采用本文提供的仿真模型可實現(xiàn)噴射閥的動態(tài)性能分析和噴射性能研究。2)膠液的填充速度與膠液粘度和供膠氣壓有關(guān),實驗表明：膠滴體積隨著膠液粘度的增大而減小,隨著供膠氣壓的增大而增大。3)實驗探究了壓電噴射閥在不同行程下的膠滴一致性,膠滴體積與行程呈正相關(guān),膠滴體積的一致性不超過±6 %,隨著行程的增大,膠滴體積的絕對誤差增大,在行程為0.06 mm時,膠滴體積的相對誤差最小。