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摘 要：为了实现封装的中的高速精密点胶，改进了传统点胶方式，运用了先进的压电陶瓷喷射技术实现。本文介绍了该点胶技术的工作原理、应用及实验。使用Nordson EFD的非接触式压电陶瓷喷射阀PICO XMOD和Henkel UV9060F湿气双固化胶进行点胶实验。通过实验得到了影响点胶质量的因素。实验选用直径为0.3mm的陶瓷喷嘴。选用30psi气压。实现了25℃，11000mPa·s粘度的喷射点胶，获得最小胶点直径为0.3mm，点胶频率可以达到500HZ，胶点一致性误差在5%以内。并且和传统点胶进行对比分析。
关键词：非接触喷射式;压电陶瓷技术;生产效率;生产精度;
随着电子产品在人们日常生活中更新换代的加速，微电子技术得到了高速的发展，流体点胶技术在微电子封装领域也同样得到了飞速发展。目前常用的流体点胶技术主要为接触式点胶技术：时间压力型，活塞型，喷雾型，电磁阀型，螺杆型。本文分析了这种非接触式压电陶瓷技术，对微滴喷射进行了理论分析及流体动力学仿真，并且进行了实验研究。
1.压电陶瓷喷射微滴流体动力学分析与仿真
1.1 压电陶瓷式微滴喷射理论分析
2非接触压电陶瓷式喷射原理
2.1压电陶瓷技术
多层压电陶瓷是一种重要的换能材料，具有优良的机电耦合效应和对外场响应迅速且体积小、驱动电压低的特点，在机电换能及自动控制等领域得到了广泛应用。
2.2非接触压电式驱动装置原理
非接触式喷射阀集成两个压电式驱动装置。压电式驱动装置由堆叠的陶瓷硬片构成。陶瓷硬片随阀驱动器供应电压的变化膨胀和收缩。两个传动装置连接到一个垂直撞针上，撞针底端有一个耐磨陶瓷密封球。当关闭胶阀时，球处于胶阀喷嘴上。电压施加到传动装置上时，棒和密封球升起使加压流体流向喷嘴。电压发生变化时，棒和密封球迅速下降，将流体“喷出”喷嘴到基板上。由于压电式传动装置极快的动作使得其可以在高达500循环/秒的速度上连续喷涂流体。根据流体的不同，该系统可以进行最小为2纳升的喷射。
图1 压电陶瓷阀的工作原理
3.压电陶瓷式喷射实验测试
3.1实验系统
压电陶瓷式非接触式点胶阀Nordson EFD PICO XMOD，点胶阀控制器，点胶阀陶瓷喷嘴，三轴运动平台，恒压供气系统，供料系统，气压调节系统组成。
3.2 实验测量工具
梅特勒托利多MS105天平（Max=120g、0.01mg）、KEYENCE VHX-5000（焦距Z=20倍，放大X=30倍）
3.3 实验胶水
Henkel UV9060F湿气双固化胶（现今应用最广泛的UV胶，在苹果的数据线上使用）
3.4 压电陶瓷点胶实验
通过对时间、频率、喷嘴大小、点胶气压、胶水粘度（温度）进行定性分析，根据胶点的平均质量、胶点的直径大小来判定影响因素。并和传统点胶工艺进行对比分析。
3.4.1 压电陶瓷开启时间t对胶点直径、高度、重量的影响
3.4.1.1压电陶瓷开启时间t对胶点直径的影响
压电陶瓷开启时间t是压电陶瓷电源所发出的高电平脉冲的倒数，它影响压电陶瓷作用在撞针上的时间长短，并间接影响撞针在陶瓷喷嘴口的开闭时间，从而控制点胶时间的长短。实验条件：Henkel UV9060F湿气固化胶供料压力30PSI， 压电陶瓷开阀时间0.3ms， 压电陶瓷循环时间15ms，T分别设定为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10s， 改变t所能获得直径大小不同的胶点如图_1_所示，表_1_为胶点直径随着压电陶瓷开启时间的变化所变化的情况
实验结果，从图_1_和表_1_看出，所喷射的胶点直径大小随t的增加而增加，并不符合线性关系。这主要是由于出胶量随着开阀时间t，单位时间出胶量基本恒定，但是点到基板上会发生一定的流动。实验发现t（≤2 ms），会发生喷嘴挂胶现象，主要是开阀时间太短，出胶量太小，胶点形成困难，撞针冲量不足以撞击出一个完整的胶点。通常情况下，可以通过几种方式解决：1）增大供料压力，在开阀时间恒定的前提下，出胶量会增大 2）选择驱动力更大的压电陶瓷阀，并且保证撞针头部的陶瓷头直径更大，形成更大的撞针冲量。
3.4.1.2压电陶瓷开启时间t对胶点高度的影响
压电陶瓷开启时间t同样也影响胶点的高度。实验条件：Henkel UV9060F湿气固化胶供料压力30PSI， 压电陶瓷开阀时间0.3ms， 压电陶瓷循环时间15ms， t分别设定为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10ms， 改变t所能获得高度大小不同的胶点如图_1_所示，表_1_为胶点直径随着压电陶瓷开启时间的变化所变化的情况
实验结果，从图_2_和表_2_看出，所喷射的胶点高度大小随t的增加而增加，但不符合线性关系。这主要是由于出胶量随着开阀时间t，单位时间出胶量基本恒定，但是堆叠之后，根据胶水重量、粘度、流动性的关系，不是按照半球体积公式：
而是随着胶量的增加，根据胶水的自身重量、粘度发生流动，导致胶点直径、高度不成线性关系。
图3 第一个胶点的直径和高度图4为第十个胶点的直径高度
我们不难发现，第一个胶点呈现半球状，第十个胶点呈现梯形状，并不成半球状。这是因为随着胶量的增加，影响着胶点形状的因素：胶水本身的粘度。
3.4.1.3压电陶瓷开启时间t对胶点重量的影响
压电陶瓷开启时间t是压电陶瓷电源所发出的高电平脉冲的倒数，它影响压电陶瓷作用在撞针上的时间长短，并间接影响撞针在陶瓷喷嘴口的开闭时间，从而控制点胶时间的长短。实验条件：Henkel UV9060F湿气固化胶供料压力30PSI， 压电陶瓷开阀时间0.3ms， 压电陶瓷循环时间15ms，t分别设定为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10s， 改变t所能获得直径大小不同的胶点如图_1_所示，表_1_为胶点重量随着压电陶瓷开启时间的变化所变化的情况
表3 胶点直径随t的变化
实验结果，从图_5_和表_3_看出，所喷射的胶点直径大小随t的增加而增加，符合线性关系。这主要是由于出胶量随着开阀时间t，单位时间出胶量基本恒定，所以重量基本呈现线性状态。微量点胶误差不超过5%，点胶精度得到大幅度提高。实验表明，压电陶瓷开启时间t和点胶重量产生线性关系。
3.4.2 压电陶瓷频率f对胶点重量大小的影响
压电陶瓷开启频率f是压电陶瓷电源所发出的高电平脉冲的次数，它影响压电陶瓷作用在撞针上的单位时间长短，并间接影响撞针在陶瓷喷嘴口的开闭单位时间，从而控制点胶单位时间的长短。实验条件：Henkel UV9060F湿气固化胶供料压力30PSI， 开阀总时间1s，压电陶瓷循环时间Cycle Time 15ms，压电陶瓷开阀时间0.分别设定为0.25、0.26、0.27、0.28、0.29、0.30、0.31、0.32、0.33、0.34ms， 改变f所能获得直径大小不同的胶点如图_6_所示，表_4_为胶点直径随着压电陶瓷开启频率的变化所变化的情况：Pulse Time（每次开阀时间），Cycle Time （每次开阀时间+每次闭阀时间）。
表4 胶点重量随f的变化
实验结果，从图_6_和表_4_看出，所喷射的胶点重量大小随Pulse Time的增加而增加，符合线性关系。这主要是由于出胶量随着开阀时间Pulse Time，单位时间出胶量基本恒定，所以重量基本呈现线性状态。同时，反应了非接触压电陶瓷喷射技术的高效，它可以达到每秒钟500HZ～1000HZ的微量点胶频率，可以大大缩短客户的UPH，提高生产效率。
3.4.3温度、粘度对胶点重量大小的影响
胶水粘度和压电陶瓷温度是一对相辅相成的因素。压电陶瓷开启温度T和粘度V对胶水的点胶性能会产生重大影响。实验条件：Henkel UV9060F湿气固化胶供料压力30PSI， 压电陶瓷开阀时间0.3ms， 压电陶瓷循环时间15ms，T分别设定为25、30、35、40、45、50、55、60、65、70℃，改变T所能获得重量大小不同的胶点如表_1_为胶点直径随着压电陶瓷开启时间的变化所变化的情况
表5 胶点直径随t的变化
实验结果，从表_5_看出，所喷射的胶点重量大小随T的增加而增加，但不符合线性关系。起先在30℃左右，随着温度的升高，粘度降低变稀，增加了胶水的流动性，点胶效果非常好，这个加热功能在冬季，依旧能够保持压电陶瓷技术保持良好的运行效果和稳定性。不受环境因素的影响。当处于50℃左右的时候，还是依旧保持了良好的点胶性能，但是过了50℃之后，反而点胶性能下降了。原因有2个：1）这是因为UV 9060F这款胶水属于湿气双固化胶水，当温度过高，反而加热挥发了胶水的溶剂，增加了粘度，影响了点胶效果和稳定性，因为常常发生一个现象，就是胶水挂在出胶口，进行堆积，这样点胶的重量就不准确了。2）当温度过高时，胶水当中的主剂产生化学反应，往往会产生大量气泡，不能除去，因为气泡被稠厚的胶水包裹着，大大降低胶水对产品的保护作用。性能大幅度降低。
3.4.4喷嘴大小、喷嘴高度、点胶速度对胶点质量的影响
在点胶实验中发现这样一个有趣现象：
1）当喷嘴大小使用越大如0.6mm，距离基板距离越远如5mm，点胶速度60mm/s，点胶质量越差。
上述实验证明：在压电陶瓷喷射点胶过程中，往往受环境因素的影响较大，因为通常在非接触喷射点胶过程中，点胶机自身的运行速度，点胶阀喷射的速度，空气的扰动都会干扰喷射的效果。在使用压电陶瓷技术时，应该尽量避免这些因素对点胶效果的影响。
3.4.5 图形阵列喷射试验
通过对图形阵列的点胶，可以非常直观的了解压电陶瓷喷射技术的点胶效果。
图_7_得到10 X 10 =100points，胶水粘度11000mPa·s， 喷嘴离玻璃基板的距离为3mm，平台速度20mm/s，最小胶点为_0.2_mm，用梅特勒托利多天平称重，平均点较量的误差不超过5%，体现了压电陶瓷喷射技术的稳定性和精确性。
4 结论
针对微电子封装中广泛应用，本文运用压电陶瓷点胶技术进行UV点胶实验，通过理论和实验，发现影响压电陶瓷点胶技术的因素有：时间、频率、喷嘴大小、点胶气压、胶水粘度（温度），其中温度对胶水的粘度影响非常大。压电陶瓷点胶技术有以下优点：1）改变压电陶瓷的时间和频率可以非常方便快捷的控制非接触式喷射阀的开闭，进而调节胶点的直径大小;2）压电陶瓷驱动装置有温度控制单元，能够随时根据现场情况对UV胶水进行加热，以期达到最佳的点胶效果;3）压电驱动装置能够更加高频的反复切换非接触式喷射阀的开闭，结构简单，甚至达到500HZ每秒的高频，良好的动态响应特性，能够达到超高的UPH，大大提高了客户生产线的生产能力，降低了客户的运行成本，又把点胶技术提升到一个新的水平，让微电子行业不断的向前进步。
参考文献
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