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1、华中科技大学 博士学位论文 气动膜片式金属微滴喷射理论与实验研究 姓名：舒霞云 申请学位级别：博士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：张鸿海;汪学方 20090827 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 本文的目标就是研究一种微滴喷射新技术， 克服当前高温下微米级金属液滴喷射技 术存在的不足， 实现金属焊料微滴的精确喷射， 为高密度微电子封装提供新的技术方案。 本文首先在分析现有微滴喷射技术，特别是按需微滴喷射技术发展现状的基础上， 结合压电式微滴喷射和气压直接驱动式微滴喷射技术的优点，克服各自的不足，提出了 一种气
2、动膜片式按需微滴喷射技术。气动膜片式微滴喷射系统由储料腔、节流装置、驱 动膜片、喷嘴以及放气孔等部分组成。该系统具有结构简单、成本低、耐高温工作环境， 靠近喷嘴激励，压力波形可控等优点。 在分析气动膜片式微滴喷射过程的基础上，对膜片变形和频率特性进行了研究。并 建立了微滴喷射过程中储料腔、流体工作腔、气体工作腔以及喷嘴和节流装置内流体流 动方程，从而构建气动膜片式微滴喷射过程的数学模型。以 MATLAB 为分析计算工具， 得到了各工作参数如驱动压力、脉宽对微滴喷射过程的影响。 高精度微喷嘴是决定微滴喷射成败的关键， 为此我们研制了金刚砂轮磨削辅助线电 火花磨削电极的微电火花加工系统以及玻璃拉针
3、装置， 加工出满足微滴喷射要求的微米 级玻璃喷嘴和不锈钢喷嘴。并设计制作了气动膜片式微滴喷射装置，搭建了微滴喷射实 验系统，该实验系统包括温度控制、运动控制、气压控制和高速成像四个子系统。其中 高速成像技术是进行微滴喷射机理研究的关键技术之一，为此，本文以数字相机和脉冲 延时电路为核心，构建了低成本高速成像系统，实现了对微滴喷射过程不同状态图像的 采集，为进行微滴喷射机理和实验研究提供了基础。 然后以水为对象，并利用高速摄像技术对喷射过程进行拍照的方法，进行气动膜片 式微滴喷射机理研究，分析微滴喷射过程中各控制参数对喷射质量的影响。确定了微滴 喷射过程中的几个工作参数如背压、驱动压力、脉冲高电
4、平时间、脉冲频率、放气孔的 最佳结构与控制参数，同时对喷嘴疏水性处理也进行了比对研究，由此验证了此气动膜 片式微滴喷射系统的可行性。 最后以金属焊料为对象，设计制作了适合金属焊料微滴喷射的装置，并搭建微滴喷 射实验平台。借鉴以水为对象的气动膜片式微滴喷射机理研究的成果，成功完成金属焊 料的微滴喷射，并研究了氧化对焊料喷射的影响，并构建了局部惰性气体保护环境，解 决氧化对金属焊球微滴喷射质量的影响。 经实验验证了该微滴喷射系统能产生一致性较 好的焊球，其尺寸波动范围在 3%以内，在压力较高的稳定喷射状态下，生成的焊球直 径为喷嘴孔径的 2-3 倍。同时在较低的驱动压力下，该微滴喷射装置还可以稳定
5、生成直 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 II 径接近于喷嘴孔径的焊球，本文获得了以 80m 孔径的玻璃微喷嘴生成的 85m 的最小 金属焊球直径。 本文研制的气动膜片式微滴喷射系统具有低成本、耐高温、安装简单、便于维护， 同时又具有较高的微滴喷射精度和可控性。 此外，在进行本文研究的气动膜片式微滴喷射技术之前，为满足微电子封装和发光 二极管制造的需求，作者还研究了一种机械冲击式高黏度流体微量喷射系统。但为了不 影响论文的整体统一性，将这一部分内容放在本文附录中予以详细论述。在附录中叙述 了该机械冲击式微滴喷射系统的工作原理与结构，
6、进行了大量的实验研究。通过改变工 作参数如驱动压力，驱动压力脉宽，供料背压，工作温度，研究该微量喷射系统的工作 参数和喷射质量的关系。并用此微量喷射系统实现高黏度胶的喷射，实现了阵列式球形 胶点和胶液线条图案制作。同时，结合机械冲击式高黏度胶微滴喷射系统和气动膜片式 金属微滴喷射系统， 将为下一步进行高密度微电子封装和新型三维封装技术的研究提供 基础。 关键词关键词：高密度封装 按需喷射 喷嘴制作 焊料喷射 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 III Abstract In this dissertation, a new type
7、microdrop generation technology is proposed for molten metal solder jetting under high temperature. Firstly microdrop generation status quo of drop on demand(DOD) jetting technologies are reviewed, including piezoelectric-driven method and pneumatic-driven method et al. Then a pneumatically-actuator
8、 diaphragm-driven DOD microdrop generator, aiming at working on high temperature for molten metal and other materials, is proposed. The apparatus consists of five parts: a throttle, a solder reservoir, a diaphragm, a vent hole and a dispensing nozzle. Derived form the advantage of piezoelectric-driv
9、en method and pneumatic-driven method, the strength of the generator is simple structure, low-cost, drive force near the nozzle et al. Secondly, according to the deformation and vibration of the diaphragm, the mathematical model of jetting process is proposed. The description of the dispensing proce
10、ss requires the coupling of three physical domains: pneumatic, mechanical, and hydraulic. Equations for the fluid motion in the working chamber such as reservoir, are derived from Bernoullis equation, when viscous effects are not important, or from the general integral momentum balance, when viscous
11、 effects are important. parametric study describing the relationships between variables is presented. In order to fabricated suitable micronozzle two home made apparatus have been made. One is glass tube puller for micro-scale glass nozzle, the other is composite micro electric discharge machining s
12、ystem for stainless nozzle. Thirdly, microdrop generating system has been made up, which including four sub-systems: temperature control system, motion control system, pneumatic system and high speed image system are used for the mechanism of pneumatic diaphragm-based microdrop generating. In the sa
13、ke of recording and analyzing of the jetting process, the high speed imaging system is put up. Several factors affecting jet printing: back pressure, driven pressure, driven pulse width, driven pulse frequency, vent hole and hydrophobic surface of nozzle, of which vent hole and hydrophobic surface o
14、f nozzle are considered to be extremely important. Using the home made microdrop generator, we have obtained uniform water micro droplets. The water droplets size variation is less than 3% of droplet diameter, and the ration of diameter of water droplets to diameter of nozzle is 2 3. In addition, th
15、e microdrop generator is applied to various fluids, including water solution, low viscous paste and molten Sn63Pb37 solder. The dissertation investigated the effect of surface oxidation on the process of jet printing and using Nitrogen gas co-flow to prevent 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学
16、 位 论 文 IV surface oxidation. We have obtained ideal micro solder balls of 85m in diameter which ejected from a micro nozzle of 80m in diameter. The microdrop generator shows features of low cost, less requirement of environment, easily maintaining. Moreover, as for microelectronic packaging and light emitting diode manufacturing, a kind mechanical microdrop generator has been proposed. The equipment used for high viscosity fluid in electronic engineering, For the consistency
