氣動(dòng)膜片式金屬微滴噴射理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文的目標(biāo)就是研究一種微滴噴射新技術(shù)，克服當(dāng)前高溫下微米級(jí)金屬液滴噴射技術(shù)存在的不足，實(shí)現(xiàn)金屬焊料微滴的精確噴射，為高密度微電子封裝提供新的技術(shù)方案。
　　 本文首先在分析現(xiàn)有微滴噴射技術(shù)，特別是按需微滴噴射技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合壓電式微滴噴射和氣壓直接驅(qū)動(dòng)式微滴噴射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服各自的不足，提出了一種氣動(dòng)膜片式按需微滴噴射技術(shù)。氣動(dòng)膜片式微滴噴射系統(tǒng)由儲(chǔ)料腔、節(jié)流裝置、驅(qū)動(dòng)膜片、噴嘴以及放氣孔等部分組成。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

2、單、成本低、耐高溫工作環(huán)境，靠近噴嘴激勵(lì)，壓力波形可控等優(yōu)點(diǎn)。
　　 在分析氣動(dòng)膜片式微滴噴射過程的基礎(chǔ)上，對(duì)膜片變形和頻率特性進(jìn)行了研究。并建立了微滴噴射過程中儲(chǔ)料腔、流體工作腔、氣體工作腔以及噴嘴和節(jié)流裝置內(nèi)流體流動(dòng)方程，從而構(gòu)建氣動(dòng)膜片式微滴噴射過程的數(shù)學(xué)模型。以MATLAB為分析計(jì)算工具，得到了各工作參數(shù)如驅(qū)動(dòng)壓力、脈寬對(duì)微滴噴射過程的影響。
　　 高精度微噴嘴是決定微滴噴射成敗的關(guān)鍵，為此我們研制了金剛砂輪磨削

3、輔助線電火花磨削電極的微電火花加工系統(tǒng)以及玻璃拉針裝置，加工出滿足微滴噴射要求的微米級(jí)玻璃噴嘴和不銹鋼噴嘴。并設(shè)計(jì)制作了氣動(dòng)膜片式微滴噴射裝置，搭建了微滴噴射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括溫度控制、運(yùn)動(dòng)控制、氣壓控制和高速成像四個(gè)子系統(tǒng)。其中高速成像技術(shù)是進(jìn)行微滴噴射機(jī)理研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，為此，本文以數(shù)字相機(jī)和脈沖延時(shí)電路為核心，構(gòu)建了低成本高速成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微滴噴射過程不同狀態(tài)圖像的采集，為進(jìn)行微滴噴射機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究提供了基礎(chǔ)。

4、>　　 然后以水為對(duì)象，并利用高速攝像技術(shù)對(duì)噴射過程進(jìn)行拍照的方法，進(jìn)行氣動(dòng)膜片式微滴噴射機(jī)理研究，分析微滴噴射過程中各控制參數(shù)對(duì)噴射質(zhì)量的影響。確定了微滴噴射過程中的幾個(gè)工作參數(shù)如背壓、驅(qū)動(dòng)壓力、脈沖高電平時(shí)間、脈沖頻率、放氣孔的最佳結(jié)構(gòu)與控制參數(shù)，同時(shí)對(duì)噴嘴疏水性處理也進(jìn)行了比對(duì)研究，由此驗(yàn)證了此氣動(dòng)膜片式微滴噴射系統(tǒng)的可行性。
　　 最后以金屬焊料為對(duì)象，設(shè)計(jì)制作了適合金屬焊料微滴噴射的裝置，并搭建微滴噴射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。借鑒

5、以水為對(duì)象的氣動(dòng)膜片式微滴噴射機(jī)理研究的成果，成功完成金屬焊料的微滴噴射，并研究了氧化對(duì)焊料噴射的影響，并構(gòu)建了局部惰性氣體保護(hù)環(huán)境，解決氧化對(duì)金屬焊球微滴噴射質(zhì)量的影響。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該微滴噴射系統(tǒng)能產(chǎn)生一致性較好的焊球，其尺寸波動(dòng)范圍在 3%以內(nèi)，在壓力較高的穩(wěn)定噴射狀態(tài)下，生成的焊球直徑為噴嘴孔徑的2-3倍。同時(shí)在較低的驅(qū)動(dòng)壓力下，該微滴噴射裝置還可以穩(wěn)定生成直徑接近于噴嘴孔徑的焊球，本文獲得了以80μm孔徑的玻璃微噴嘴生成的85μ

6、m的最小金屬焊球直徑。
　　 本文研制的氣動(dòng)膜片式微滴噴射系統(tǒng)具有低成本、耐高溫、安裝簡(jiǎn)單、便于維護(hù)，同時(shí)又具有較高的微滴噴射精度和可控性。
　　 此外，在進(jìn)行本文研究的氣動(dòng)膜片式微滴噴射技術(shù)之前，為滿足微電子封裝和發(fā)光二極管制造的需求，作者還研究了一種機(jī)械沖擊式高黏度流體微量噴射系統(tǒng)。但為了不影響論文的整體統(tǒng)一性，將這一部分內(nèi)容放在本文附錄中予以詳細(xì)論述。在附錄中敘述了該機(jī)械沖擊式微滴噴射系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了大