pL級(jí)超微量點(diǎn)膠筆的開(kāi)發(fā)及其在封孔中的應(yīng)用

張 勤，葉斯倫，羅 凱,徐 策

(1. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州 510641； 2. 中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)，海南 文昌 571300)

1 引 言

膠粘接技術(shù)是微裝配技術(shù)的重要組成部分，微裝配中的膠粘接主要應(yīng)用于微小零件之間的固定、連接及密封等方面，并廣泛應(yīng)用在微電子器件連接、LED封裝及微型系統(tǒng)制造等領(lǐng)域[1-2]。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的迅猛發(fā)展和機(jī)械電子產(chǎn)品的微小化，對(duì)微量膠粘接技術(shù)提出了更高的要求，在微觀尺度下，如何實(shí)現(xiàn)高可靠性膠粘結(jié)是微裝配中的重要研究課題。

點(diǎn)膠分液的機(jī)理、設(shè)備的構(gòu)成、控制過(guò)程和工藝直接影響膠粘接質(zhì)量和可靠性，點(diǎn)膠分液技術(shù)是微裝配膠粘接技術(shù)的核心。在微量膠液分配技術(shù)上，主要分為接觸式和非接觸式兩種方法。接觸式點(diǎn)膠[3-4]方法主要有時(shí)間/壓力式、螺桿泵式、活塞泵式、針式轉(zhuǎn)印式和絲網(wǎng)印刷式分配方法。非接觸式主要有噴射式點(diǎn)膠[5]，與接觸式膠液分配方法相比，噴射式分液特點(diǎn)是速度快，效率高，出膠量小，但一般只適用于低黏度膠液。基于上述的分液技術(shù)，目前商業(yè)用點(diǎn)膠機(jī)的最小膠量可以控制在2 nL左右，國(guó)內(nèi)微機(jī)械裝配中使用到的最小單滴膠量大約為10 nL左右[6]，不能滿(mǎn)足pL級(jí)的膠量控制要求。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了大量研究工作。

在pL級(jí)點(diǎn)膠技術(shù)應(yīng)用上，史亞莉等人[6-7]基于時(shí)間/壓力式分配原理，通過(guò)改進(jìn)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)用的微注射器，搭建了一個(gè)pL級(jí)點(diǎn)膠平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了靶丸充氣管膠接密封裝配，最小膠量為2 pL,但提出的方法僅適用于黏度小于500 cp的膠液，且輔助設(shè)備較多。Saurabh Mishra等人[8]提出一種壓電驅(qū)動(dòng)式噴射點(diǎn)膠系統(tǒng)，能獲取的最小液滴體積可達(dá)到30 pL，并且液滴體積一致性誤差可以控制在6%以?xún)?nèi)。Cade B. Fox等人[9]成功將pL級(jí)噴射式液滴分配裝置應(yīng)用到藥液填裝中，通過(guò)控制電壓、脈沖寬度和頻率能精確控制單顆液滴的體積，可控體積范圍為50～800 pL，平均填裝速度是400個(gè)/min。文獻(xiàn)[10]提出了一種微球點(diǎn)膠封孔裝置，使用直徑11 μm的碳絲點(diǎn)蘸膠液，利用碳絲側(cè)面黏附的微小膠球覆蓋微孔，實(shí)現(xiàn)了直徑幾十微米小孔的密封，這種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，雖然可實(shí)現(xiàn)狹小空間內(nèi)的超微量點(diǎn)膠，但是由于碳絲點(diǎn)蘸膠液,其側(cè)面形成膠滴大小受多種因素影響，攜帶的膠量隨機(jī)性大，控制非常復(fù)雜，影響了膠斑的一致性。本課題組[11]提出一種轉(zhuǎn)印式pL級(jí)點(diǎn)膠方法，該方法可以適用的黏度范圍廣(1～350 000 cp)，通過(guò)匹配移液針尺寸、移液針先端與點(diǎn)膠面之間的微小距離，控制點(diǎn)膠量，最小點(diǎn)膠量可以控制到pL級(jí)。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[12]通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)研究了影響pL級(jí)點(diǎn)樣性能的因素。

綜合國(guó)內(nèi)外微量膠粘結(jié)技術(shù)現(xiàn)狀可以看出，雖然在點(diǎn)膠分液?jiǎn)卧夹g(shù)方面取得了很大進(jìn)步，但目前應(yīng)用在微裝配中的pL級(jí)點(diǎn)膠裝置，仍然存在適用黏度范圍窄，設(shè)備復(fù)雜的問(wèn)題。由于點(diǎn)膠裝置中針頭結(jié)構(gòu)和噴射壓力的限制，現(xiàn)有的點(diǎn)膠設(shè)備目前還很難應(yīng)用于小空間內(nèi)的微裝配中。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本研究基于轉(zhuǎn)印式pL點(diǎn)膠原理，開(kāi)發(fā)了pL級(jí)超微量點(diǎn)膠筆，體積小，重量輕，適用黏度范圍廣，裝夾方便，便于清洗，滿(mǎn)足小空間內(nèi)微裝配的需求。

2 pL級(jí)自動(dòng)點(diǎn)膠筆的結(jié)構(gòu)

點(diǎn)膠筆采用轉(zhuǎn)印式分液原理，通過(guò)移液針穿過(guò)裝有膠液的玻璃微管，獲取膠滴，利用膠滴在點(diǎn)膠面上的轉(zhuǎn)移分離，實(shí)現(xiàn)超微量點(diǎn)膠[11]。通過(guò)改變移液針先端的尺寸、調(diào)整移液針吸附的微小液滴與點(diǎn)膠面的接觸量，可以容易地控制膠斑的大小[12]。自動(dòng)點(diǎn)膠筆的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，由針芯

圖1 pL級(jí)超微量點(diǎn)膠筆Fig.1 pL-magnitude ultra-micro dispenser

組件、針筒組件、運(yùn)動(dòng)控制組件和儲(chǔ)液微管組成。針芯組件實(shí)現(xiàn)移液針的裝夾固定，按動(dòng)移液針調(diào)整拴，可以調(diào)整針頭的長(zhǎng)短，也可以方便地更換移液針，適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，同時(shí)方便移液針的清洗維護(hù)。移液針的材料可以是鎢絲棒也可以是碳纖維，鎢絲棒采用電化學(xué)方法加工成需要的尺寸，再通過(guò)電火花研磨尖端制成。針筒組件為針芯組件提供移動(dòng)的軌道，其外側(cè)形狀可以根據(jù)點(diǎn)膠筆的固定需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)控制組件驅(qū)動(dòng)針芯組件上下運(yùn)動(dòng)，采用微型電機(jī)作為動(dòng)力源，重量3.8 g，最小分辨率為0.24 μm/step，最大行程為7 mm。儲(chǔ)液微管材料為玻璃，利用毛細(xì)原理儲(chǔ)存膠液，儲(chǔ)液微管與針筒組件采用磨口連接，便于儲(chǔ)液微管的更換。開(kāi)發(fā)的pL級(jí)自動(dòng)點(diǎn)膠筆的實(shí)物如圖1(b)所示。點(diǎn)膠筆的全長(zhǎng)僅為65 mm，滿(mǎn)足小空間內(nèi)點(diǎn)膠要求。實(shí)際使用時(shí)，點(diǎn)膠筆的控制電機(jī)連接驅(qū)動(dòng)器,通過(guò)USB接口連接到上位機(jī)上，通過(guò)軟件控制點(diǎn)膠筆的點(diǎn)膠速度、點(diǎn)膠行程和點(diǎn)膠次數(shù)，連接示意如圖2所示。點(diǎn)膠筆可以單獨(dú)使用，也可以根據(jù)要求搭載在微動(dòng)平臺(tái)上使用。

圖2 點(diǎn)膠筆控制連接示意圖Fig.2 Dispenser control connection diagram

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

超微量封膠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。點(diǎn)膠筆裝夾固定在三自由度的電動(dòng)微操縱平臺(tái)上(美國(guó)Sutter的MP-285，分辨率0.2 μm/step)，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)膠位置的精確定位。操作對(duì)象固定在多自由度微動(dòng)平臺(tái)上(KOHZU)，實(shí)現(xiàn)微零件的位置和姿態(tài)調(diào)整。在相互垂直平面內(nèi)(xoz,yoz)，分別設(shè)置水平和45°方向兩路顯微視覺(jué)(NAVITAR鏡頭，Baumer CCD)。水平面內(nèi)x,y方向布置的兩路顯微視覺(jué)，放大倍數(shù)較低，可獲取目標(biāo)對(duì)象的整體輪廓信息；45°方向的視覺(jué)具有較高放大倍數(shù)，可以觀測(cè)封膠局部的信息。通過(guò)顯微視覺(jué)反饋，實(shí)現(xiàn)封膠過(guò)程的多維實(shí)時(shí)觀察與精確定位。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中圖像信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，便于觀察與記錄。

圖3 超微量點(diǎn)膠平臺(tái)示意圖Fig.3 Ultra-micro dispenser platform diagram

3.2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所使用的移液針是經(jīng)過(guò)電解研磨加工而成，將移液針安裝到點(diǎn)膠筆的筆芯組件中，并調(diào)整其長(zhǎng)度，使其長(zhǎng)于微管先端2 mm。將點(diǎn)膠筆安裝并固定到電動(dòng)微動(dòng)平臺(tái)上。點(diǎn)膠筆的控制電機(jī)連接驅(qū)動(dòng)器后，通過(guò)USB接口連接到上位機(jī)上，使用軟件控制點(diǎn)膠筆的點(diǎn)膠速度、點(diǎn)膠行程和點(diǎn)膠次數(shù)。為了便于測(cè)量，點(diǎn)膠面使用玻璃載玻片，實(shí)驗(yàn)前放在超聲波洗凈器中用酒精洗凈、搽干，并安裝在微動(dòng)平臺(tái)上粘結(jié)固定，根據(jù)點(diǎn)樣速度節(jié)拍控制微動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)多次點(diǎn)樣。點(diǎn)樣后載玻片上的微小膠滴分配量通過(guò)顯微鏡( Nikon MM-400)進(jìn)行觀察和測(cè)量，根據(jù)測(cè)得的膠斑直徑、高度和接觸角，可以計(jì)算膠斑的體積。

依次選用不同直徑的移液針進(jìn)行重復(fù)性點(diǎn)膠實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證點(diǎn)膠筆性能。移液針先端直徑分別為25 μm，35 μm，50 μm，考慮玻璃載玻片的長(zhǎng)度和視野，設(shè)定每組實(shí)驗(yàn)點(diǎn)樣7次，實(shí)驗(yàn)所用膠液為低溫膠。待點(diǎn)膠12 h后，膠斑完全固化，對(duì)各膠斑x，y兩個(gè)方向的直徑進(jìn)行測(cè)量，取其平均值作為測(cè)量結(jié)果。重復(fù)點(diǎn)膠過(guò)程和膠斑情況如圖4所示。圖5是尖端直徑不同，其他條件相同的點(diǎn)膠重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，3組實(shí)驗(yàn)(直徑25 μm,35 μm,50 μm)的膠斑直徑的均方差分別是0.97，1.25，1.11。3組實(shí)驗(yàn)均有很好的重復(fù)一致性，此點(diǎn)膠方法可靠。

圖4 重復(fù)點(diǎn)膠過(guò)程與膠斑Fig.4 Repeatability experiment and glue spot

圖5 重復(fù)點(diǎn)膠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Repeatability experiment results

3.3 封孔實(shí)驗(yàn)

3.3.1 封孔要求與封膠效果

某工程上要求在直徑為700 μm，壁厚為20 μm的微球上，用膠封其上直徑為5～20 μm的微孔，且要求封膠過(guò)程在內(nèi)徑170 mm，長(zhǎng)度350 mm的密閉柱形空間內(nèi)進(jìn)行。在微米級(jí)尺度效應(yīng)下，微米級(jí)微孔的封裝是微裝配的難點(diǎn)，特別是在小空間內(nèi)微孔封裝，目前的點(diǎn)膠方法和工藝還很難實(shí)現(xiàn)。微米級(jí)微孔的密封有覆蓋式封孔和插入式封孔兩種方法，采用開(kāi)發(fā)的pL級(jí)自動(dòng)點(diǎn)膠筆，嘗試了不同工況下的封孔實(shí)驗(yàn)。由于目前檢測(cè)設(shè)備的局限性，使用CT掃描也無(wú)法較好地觀測(cè)到1 μm像素點(diǎn)的介質(zhì)厚度，所以對(duì)于微孔封膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果的密封性評(píng)價(jià)主要通過(guò)顯微鏡(Nikon MM-400)觀測(cè)膠接部位的膠斑位置、形貌，包括膠斑直徑，膠斑高度信息，再利用膠液的透明性和固化后其膠斑表面對(duì)反射光敏感的特點(diǎn)進(jìn)行判斷。顯微鏡觀測(cè)時(shí)，通過(guò)LED頂光光源照射膠斑，根據(jù)其表面是否呈現(xiàn)亮度狀態(tài)來(lái)進(jìn)一步判斷微孔的密封狀況，如果膠斑表面呈現(xiàn)一塊亮白光圈則說(shuō)明微孔已經(jīng)完全密封。實(shí)驗(yàn)中的封膠體積是根據(jù)測(cè)得的微孔上下膠斑大小、高度和接觸角計(jì)算得到。以下封孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為經(jīng)過(guò)檢測(cè)，成功膠封的結(jié)果。

3.3.2 覆蓋式封孔實(shí)驗(yàn)

密封腔內(nèi)壓力為常壓下的封孔實(shí)驗(yàn)。當(dāng)微孔直徑d≤10 μm時(shí)，采用覆蓋式封孔方法，選擇移液針直徑D/d≥4，可以實(shí)現(xiàn)有效密封。

首先篩選微孔直徑為5 μm的實(shí)驗(yàn)微球，依次對(duì)其進(jìn)行編號(hào)、分組，每組實(shí)驗(yàn)使用不同直徑的移液針。點(diǎn)膠筆安裝在密封腔內(nèi)的微動(dòng)平臺(tái)上，其控制線通過(guò)密封接頭轉(zhuǎn)接線插到腔外的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上，并與電腦相連。實(shí)驗(yàn)中選用的膠液黏度為15 p的低溫膠，每組實(shí)驗(yàn)，多自由度微動(dòng)平臺(tái)上放置7個(gè)微球，在相同條件下進(jìn)行封孔實(shí)驗(yàn)。移液針先端直徑為25 μm時(shí)，封膠過(guò)程如圖6所示。膠斑的測(cè)量如圖7所示，封膠后的各微孔上形成的膠斑直徑平均為24 μm，高度為10 μm，體積約為4.4 pL。

圖8為移液針直徑不同(25 μm，35 μm，50 μm)情況下，5 μm微孔封裝實(shí)驗(yàn)結(jié)果,重復(fù)性精度分別是93.9%，95.8%，94.7%。隨著移液針直徑增大，對(duì)應(yīng)的膠斑直徑增加，封膠量增加，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)膠斑要求，選擇合適的移液針直徑。

圖6 常壓下覆蓋式封膠實(shí)驗(yàn)Fig.6 Hole-sealing on covering method under normal pressure

圖7 膠斑的測(cè)量Fig.7 Measuring result of glue spot

根據(jù)特殊工藝要求，有時(shí)需要通過(guò)加壓的方式，從微孔向微球內(nèi)充入需要的氣體，然后再對(duì)微孔進(jìn)行密封。將點(diǎn)膠筆安裝在腔體內(nèi)密封，首先需要對(duì)密封腔抽真空，然后再充入某種氣體，壓力達(dá)到0.5 MPa，持續(xù)此壓力保證微球內(nèi)充滿(mǎn)氣體后，進(jìn)行封孔密封操作。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在密封腔內(nèi)壓力變化時(shí)，點(diǎn)膠筆儲(chǔ)液微管內(nèi)膠液會(huì)出現(xiàn)氣泡和滴出現(xiàn)象，影響了點(diǎn)膠筆的使用，如圖9所示。

圖8 移液針直徑對(duì)封膠量的影響Fig.8 Glue volume under effect of needle′s diameter

圖9 儲(chǔ)液微管中膠液的氣泡和滴出現(xiàn)象Fig.9 Gas saturation bubbling phenomenon in microtube

這主要是由于膠液的溶液度受壓力變化造成，只要實(shí)驗(yàn)前預(yù)先通過(guò)高速離心機(jī)預(yù)處理混合后的膠液，就可以避免上述現(xiàn)象發(fā)生，在微球表面得到質(zhì)量均勻的膠斑。

圖10 0.5 MPa壓力下封孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Hole-sealing result under 0.5 Mpa pressure

圖10為移液針直徑為35 μm，預(yù)處理膠液，黏度為8 p，5個(gè)微球上微孔直徑為10 μm的封膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果，形成表面膠斑平均直徑為34.6 μm，膠斑平均厚度為10.8 μm，重復(fù)精度分別為81.5%和79.6%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在狹小的壓力變化密封空間內(nèi)，開(kāi)發(fā)的點(diǎn)膠筆仍然可以獲得pL級(jí)膠斑，實(shí)現(xiàn)微孔的密封。

3.3.3 插入式微孔封膠實(shí)驗(yàn)

當(dāng)微孔直徑d較大時(shí)(十幾微米到幾十微米)，如果采用覆蓋式封膠，要求點(diǎn)膠針的直徑D較大，才能攜帶足夠的膠量(一般要求D/d≥4)，滿(mǎn)足密封要求。這樣會(huì)造成封孔后微球上膠斑直徑過(guò)大，無(wú)法滿(mǎn)足工藝要求。這種情況下可以采用插入式封膠：移液針選用碳纖維材料，利用碳纖維移液針通過(guò)儲(chǔ)液微管中膠液后黏附在其側(cè)面的微小膠球，進(jìn)行微孔的密封。微孔直徑為15 μm時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇碳纖維直徑為10 μm，封膠過(guò)程如圖11所示。

圖11 插入式封孔實(shí)驗(yàn)過(guò)程Fig.11 Hole-sealing on inserting method

碳纖維絲從微管中穿出時(shí)，由于碳纖維材料的特性，其側(cè)面攜帶不連續(xù)的膠滴，膠滴直徑大小與移動(dòng)速度有關(guān)，將碳纖維絲插入微孔，其側(cè)面的膠滴接觸微孔的側(cè)壁面，由于毛細(xì)作用，膠液轉(zhuǎn)移到孔中，完成封孔。微球表面上形成的膠斑平均直徑為40 μm，高度為16 μm，體積約為9 pL。碳纖維移液針從微孔內(nèi)離開(kāi)的速度大小，影響膠滴轉(zhuǎn)移到微孔表面的膠量，圖12為移液針?lè)祷厮俣葘?duì)封膠量影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)控制移液針?biāo)俣?，可以調(diào)整膠斑的大小。預(yù)先對(duì)膠液進(jìn)行預(yù)處理，插入式微孔封膠也同樣適用于壓力變化的環(huán)境。

圖12 返回速度的影響Fig.12 Glue volume under effect of returning speed

4 結(jié) 論

本文基于轉(zhuǎn)印式點(diǎn)膠原理開(kāi)發(fā)了pL級(jí)自動(dòng)點(diǎn)膠筆，適用的黏度范圍廣，體積小，裝夾方便，便于清洗；通過(guò)USB接口連接到上位機(jī)上，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)膠過(guò)程的控制，適用于小空間內(nèi)pL級(jí)點(diǎn)膠。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，研究了點(diǎn)膠筆的性能及其在密閉小空間內(nèi)微孔的pL級(jí)封膠方法。實(shí)現(xiàn)了內(nèi)徑170 mm，長(zhǎng)350 mm密閉空間內(nèi)，5～20 μm微孔的pL級(jí)膠封。研究和試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)調(diào)整點(diǎn)膠筆移液針的種類(lèi)、尺寸、移動(dòng)速度，可以控制點(diǎn)膠量；根據(jù)微孔大小，選擇點(diǎn)膠方式，可以在狹小的密閉空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)微孔的pL級(jí)密封，最小封膠量為4.4 pL，滿(mǎn)足了工程的需要。本文以微孔的密封為例，說(shuō)明點(diǎn)膠筆的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)的點(diǎn)膠筆同樣可以應(yīng)用在高黏度、小空間內(nèi)的微部件膠結(jié)，窄縫內(nèi)點(diǎn)膠等領(lǐng)域。