在电子制造业中，封装技术是决定产品性能关键因素，而流体点胶技术则在电子封装过程中起到重要作用，在一般的工业封装中，它被广泛应用在各个领域，如集成电路业，微电子封装业以及SMT/PCB装配业等。而在汽车电子业、数码电子业、LED产业、手工艺品以及通讯模块行业中，流体点胶技术同样起到了至关重要的作用。在上述应用中，转移率在决定产品质量和工作效率方面尤为重要。随着近些年微纳米制造，生命科学，微机电系统（MEMS）等工业领域的急速发展，对零部件微小化的需求越来越高，因此现在对在装配过程中封胶的性能有着更高的要求。

1、转移式微量点胶的基本原理

本课题组研制了一种基于移液针转印原理的微量点胶系统，该点胶系统所形成的胶斑直径可达到数十微米，胶滴体积可达飞升-皮升的范围。该系统的结构如图1所示。该系统由出胶单元、驱动单元和控制单元组成。其中，出胶单元为系统的核心，其主要包含微移液针和毛细储胶管两个关键元件，移液针通过在储胶管内的上下往复运动，实现胶液向基板的微量转移。驱动单元由X/Y/Z三个方向的驱动电机和微升降平台组成，用于驱动微移液针及点胶工件的运动。控制单元由PLC控制系统和LaBview开发的控制面板组成，实现对电机运动的自动控制。

转印式点胶过程分为三个阶段，分别为浸渍、挤压和拉伸，如图2所示。在浸渍阶段，移液针穿过装有胶液的毛细管，胶液会在附着力的作用下在移液针尖端留有少量残留；在挤压阶段，移液针向下移动一段距离后，尖端上的胶液接触并挤压点胶面，在移液针尖端和点胶面之间形成液桥。在此阶段中，部分胶液从移液针尖端转移到点胶面；在拉伸阶段，移液针向上抬升，液桥会随着移液针的抬升而被拉长，直至断裂。之后，残留的胶液会在自身表面张力的主导下，形成圆润的胶斑。

2、胶滴的转移率

在尖端留有胶液的移液针接触到点胶面之后以一定速度抬升，直至液桥断裂并形成胶斑。在点胶面形成的胶斑体积与在移液针尖端的胶液体积之比即为转移率。在大多数实际情况下，转移式微量点胶通常使用小体积（飞升-皮升）的黏性液体，这导致系统中的Re（与流体惯性力有关的无量纲数）值很小。因此，在研究胶液转移率时，选择忽略惯性力，并使用毛细管数Ca（与流体黏性力以及表面张力有关的无量纲数）来表示转移率。

无量纲数Ca与胶液的黏度，表面张力以及实验所设定的抬升速度有关，因此选用黏度分别为1 000 cps、5 000 cps、10 000 cps、50 000 cps的甲基硅油以及粘度为10 000 cps的环氧树脂作为实验用胶。抬升速度分别设置为0.1 mm/s、0.5 mm/s、1 mm/s、5 mm/s、10 mm/s。经过计算，毛细数Ca的范围为0.004 2～23.364 4。

在液桥断裂后，转移到点胶面上的胶液在自身表面张力的作用下形成圆润的胶斑，在理想状态下胶斑可视为球冠状，其体积可用球冠状公式求得。实验主要使用的胶液为甲基硅油，其表面张力只有21 mN/m，低于环氧树脂，在基板上由甲基硅油形成的胶斑在稳定状态下与环氧树脂的形状不同，因此不能将其视为球冠状，需要其他计算体积的方法。为了提高计算的准确性通过灰度处理、二值化等图像处理的方法提取胶斑的轮廓信息，之后通过提取到的坐标信息来拟合胶斑轮廓的函数，使用旋转积分的方法来计算胶斑的体积。之后为了验证计算的准确性，在其他物性条件相同时，将5 000 cps的甲基硅油、3 mm/s的移液针抬升速度的实验条件下胶斑的铺展过程作为研究对象。用显微镜录制在液桥断裂后胶斑的铺展情况，以0.016 s为间隔，截取20张胶斑的图片分别用公式和积分法进行胶斑体积的计算，结果如图3所示。

图3胶斑体积

计算结果表明，甲基硅油只在少数情况下的计算结果可以使用球冠状公式计算，其余时刻计算结果极不稳定。因此，在测量甲基硅油的体积时，应采用积分法进行计算。

对不同黏度以及拉伸速度下的胶液进行测量并计算转移率，如图4所示，在忽略惯性力的条件下，采用无量纲数Ca来表示转移率，对于表面张力相似且不同黏度的四种甲基硅油的转移率有着相似的收敛情况。为了进一步印证Ca对转换率的影响，引入与甲基硅油不同表面张力的环氧树脂进行对比实验，如图5所示，表面张力较大的环氧树脂的转换率会比甲基硅油小，但整体趋势相差不大，均会收敛到一定数值。之后，为了了解惯性力对转移率的影响，选择黏度较小的胶液进行实验，同时加大移液针直径使其脱离微量点胶的范围，以提高惯性力对胶液传递的影响，如图6所示，在通过增加胶液体积以提高惯性力影响的实验中，胶液转移率的变化与之前有极大差异。

综上，可以得出结论，在其他条件相同时，在超微量点胶过程中，胶液的转移率主要由毛细数Ca来决定，可以忽略惯性力的影响。在之后控制胶液体积的时候，应把重点放在胶液的黏性力与表面张力上。

3、胶滴的铺展直径

点胶结果最直观的显示就是形成胶斑达到稳定状态时胶斑的直径，因此对胶斑的直径进行研究。选取5种表面张力相似黏度不同的甲基硅油以及黏度为10 000 cps的环氧树脂作为实验用胶。移液针抬升速度分别设置为1 mm/s，3 mm/s，5 mm/s，7 mm/s，9 mm/s。使用的移液针直径为200μm。实验结果如图7所示。

图7不同胶液的最大铺展直径

实验结果表明，胶滴黏度过小或者过大时在低速下直径变化率较低，分析原因可能是在低速下，黏度较小的胶滴的毛细数Ca较小，低速下的胶液在转移过程中转移率较大，因此直径的变化不大。黏度较大的胶液在铺展过程中黏性耗散的量会更大，而黏性耗散的值与拉伸速度有直接关系，越高的拉伸速度在液桥断裂后就会有更高的黏性耗散，因此，黏性过高的胶斑直径变化量较少。

4结论

超微量点胶过程中，在其他物性条件相同时，对于表面张力相似且不同黏度的四种甲基硅油的转移率有着相似的收敛情况，转移率会逐渐收敛到0.5。胶液的转移率主要由毛细数Ca来决定，可以忽略惯性力的影响。在胶液的铺展阶段，胶斑的直径随着胶液黏度的增加而减小，随着抬升速度的增大而增大，而表面张力在铺展过程中起主导作用。