衛(wèi) 民， 劉慧芳， 修博文

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110870）

引言

近年來，微電子產(chǎn)業(yè)迅速崛起，零部件精密性提高、尺寸越來越小，微封裝涂覆方法已然成為微制造領(lǐng)域不可缺少的技術(shù)[1-2]。精密點(diǎn)膠技術(shù)利用裝置對(duì)膠液進(jìn)行提取再根據(jù)需求進(jìn)行從新分配，是微封裝領(lǐng)域重要技術(shù)之一，因其具有良好的精確性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于集成電路制造、電子器件連接、蛋白質(zhì)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)等方向。

按照點(diǎn)膠頭相對(duì)于點(diǎn)膠面是否存在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)來劃分，點(diǎn)膠技術(shù)可分成接觸式與非接觸式兩種[3-4]。目前點(diǎn)膠技術(shù)還存在不能滿足微封裝過程對(duì)皮升及飛升級(jí)膠液轉(zhuǎn)移量的精確控制，還沒有對(duì)各種點(diǎn)膠方法等影響因素進(jìn)行分析等問題。本文將對(duì)結(jié)合轉(zhuǎn)印式微量點(diǎn)膠原理進(jìn)行模型分析，并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)單因素實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了潤(rùn)濕性對(duì)點(diǎn)膠性能的影響規(guī)律。

1 轉(zhuǎn)印式點(diǎn)膠過程分析

基于液滴表面張力的轉(zhuǎn)印式點(diǎn)膠方法原理如圖1 所示，點(diǎn)膠過程可分為以下三個(gè)階段：出膠階段、接觸轉(zhuǎn)印階段、恢復(fù)階段[5]。首先施給移液針一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，使其向下穿過儲(chǔ)存膠液的毛細(xì)微管，部分膠液受其與移液針之間附著力作用附著在針尖表面（圖1b）；移液針繼續(xù)向下直至與點(diǎn)膠面接觸，膠液會(huì)在其與點(diǎn)膠面界面張力作用下鋪展在點(diǎn)膠基面上（圖1c）；然后移液針向上離開，膠液會(huì)在移液針尖端和點(diǎn)膠面形成液橋，液橋隨著移液針上移最終會(huì)斷裂，斷裂后部分膠液會(huì)遺留在點(diǎn)膠面上，形成微小膠滴實(shí)現(xiàn)微量點(diǎn)膠（圖1d），剩余的膠液附著在移液針尖端返回毛細(xì)微管。

圖1 點(diǎn)膠原理圖[6]

點(diǎn)膠量是微量點(diǎn)膠性能的主要指標(biāo)之一，點(diǎn)膠量的表征有膠斑體積和膠斑直徑。點(diǎn)膠過程中移液針下移到膠液接觸到點(diǎn)膠面時(shí)，在移液針慣性力作用下膠液將在點(diǎn)膠面上鋪展，該過程將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為膠斑的表面能。移液針從點(diǎn)膠面移開后，膠液受到自身重力和表面張力作用，由于膠斑體積較小，表面張力相對(duì)于重力占主導(dǎo)作用，最終將受力平衡，呈現(xiàn)出球冠狀膠斑。

膠斑平衡后可以用下頁(yè)圖2 表示。圖2 中θ 為膠斑平衡后與點(diǎn)膠面形成的接觸角，L 為膠斑直徑，H為膠斑平衡后具有的高度，R 為球冠膠斑整圓的半徑。分析以上各個(gè)參數(shù)之間的幾何關(guān)系可得到以下等式：

圖2 成型膠斑示意圖[7]

則膠斑的體積可由式（3）確定：

計(jì)算后最終得到膠斑體積V 與其幾何參數(shù)之間的關(guān)系為：

根據(jù)上述膠斑體積表達(dá)式不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠液達(dá)到平衡狀態(tài)后，膠斑體積受膠液與點(diǎn)膠面之間接觸角影響，而點(diǎn)膠面的潤(rùn)濕性、膠液的表面張力等都直接決定膠斑接觸角大小，即影響著膠斑體積。點(diǎn)膠面潤(rùn)濕性越差，膠液表面張力越大，膠斑形成的接觸角越大，根據(jù)式（4）可得，膠斑體積越小。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3 所示，包含點(diǎn)膠模塊、觀測(cè)模塊、PLC 控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先調(diào)節(jié)超景深顯微鏡到合適的倍率，通過PLC 控制面板驅(qū)動(dòng)平臺(tái)KOHZN ZA10 將移液針從裝有膠液玻璃微管中穿過，使移液針出現(xiàn)在超景深顯微鏡顯示器中央，再調(diào)節(jié)微調(diào)平臺(tái)使點(diǎn)膠基面上移，直至移液針與點(diǎn)膠面的距離為1 mm 左右。然后利用PLC 控制面板上的點(diǎn)動(dòng)按鍵，將移液針每次下移1 μm，直至移液針與點(diǎn)膠面接觸。然后將此位置設(shè)置為點(diǎn)膠初始位置，設(shè)置移液針上移運(yùn)動(dòng)行程為15 mm，再設(shè)置好點(diǎn)膠實(shí)驗(yàn)需要在初始位置的停留時(shí)間，點(diǎn)擊程序開始即可實(shí)現(xiàn)重復(fù)點(diǎn)膠，可從顯微鏡顯示器記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以通過改變移液針與點(diǎn)膠面接觸距離，實(shí)現(xiàn)接觸式和非接觸式兩種點(diǎn)膠方式。

圖3 轉(zhuǎn)印式點(diǎn)膠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 點(diǎn)膠面潤(rùn)濕性能的影響

實(shí)驗(yàn)中采用常見黏結(jié)劑環(huán)氧樹脂膠，黏度1000 mPa·s，儲(chǔ)膠管的內(nèi)徑為0.9 mm，移液針與點(diǎn)膠面完全接觸（距離為0），移液針末端直徑為100 μm，垂直運(yùn)動(dòng)速度為3 mm/s，移液針在點(diǎn)膠面的停留時(shí)間為1 s。由于潤(rùn)濕性大多用接觸角的大小來表示，實(shí)驗(yàn)選用四種品質(zhì)相同但濃度不同疏水涂層處理過的載玻片，環(huán)氧樹脂在四種載玻片上自由鋪展的接觸角分別為41.2°、59.6°、79.1°、96.4°。在進(jìn)行多次點(diǎn)膠實(shí)驗(yàn)后，采集測(cè)量樣本信息。圖4 為超景深顯微鏡觀測(cè)到的膠斑（均在鏡頭放大500 倍下觀察），每種潤(rùn)濕性條件下膠斑形狀基本一致，但膠斑直徑隨著環(huán)氧樹脂自由鋪展接觸角的增大（即點(diǎn)膠面越來越疏水）而變小。

圖4 不同潤(rùn)濕性載玻片所得到膠斑的微觀圖像

使用顯微鏡立體掃描功能將每種潤(rùn)濕性載玻片上形成的膠斑選取10 個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，得到該放大倍數(shù)下的膠斑高度數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)值積分方法進(jìn)行體積計(jì)算。圖5-1 為各組膠斑體積情況，每組體積的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為 1.50、1.57、2.05、1.38，由此可以看出同一潤(rùn)濕性表面下膠液轉(zhuǎn)移率都接近平穩(wěn)，但仍有微量差異。下頁(yè)圖5-2 為膠斑體積與膠液在點(diǎn)膠面自由鋪展時(shí)接觸角的關(guān)系曲線，可以看出在其他參數(shù)不變、只改變點(diǎn)膠面潤(rùn)濕性的情況下，膠斑體積會(huì)隨著接觸角的增大而逐漸減小。

圖5 膠液體積數(shù)據(jù)圖

3.2 膠液表面張力的影響

由于需要選用表面張力不同材料，通過查閱資料，最終確定使用硅油（表面張力21 mN/m）、環(huán)氧樹脂（表面張力41 mN/m）和甘油（表面張力61mN/m）三種黏度均在1 000 mPa·s 左右的膠液型號(hào)[8]，而移液針直徑、速度，儲(chǔ)膠管內(nèi)徑，接觸距離，點(diǎn)膠面等均在同一條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。三種膠液點(diǎn)膠形貌微觀圖如圖6 所示（均在鏡頭放大500 倍下觀察），可以看出三種膠液形成膠斑整體情況較為圓潤(rùn)，但甘油膠斑圓潤(rùn)度較差一些。

圖6 不同表面張力膠液形成膠斑微觀圖

使用顯微鏡立體掃描功能將每種潤(rùn)濕性載玻片上形成的膠斑選取10 個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，得到該放大倍數(shù)下的膠斑高度數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)值積分方法進(jìn)行體積計(jì)算。圖7-1 為各組膠斑體積情況，每組體積的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.41、2.69、1.30，可以看出同一表面張力下膠液轉(zhuǎn)移率都接近平穩(wěn)，但仍有微量差異。圖7-2為膠斑體積隨膠液表面張力關(guān)系曲線，可以看出在其他參數(shù)不變的情況下，膠斑體積隨著膠液表面張力的增大而逐漸減小。

圖7 膠液體積數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)語(yǔ)

分析了轉(zhuǎn)印式點(diǎn)膠的實(shí)現(xiàn)原理，通過對(duì)成型后的穩(wěn)定膠斑建模分析，得到了潤(rùn)濕性對(duì)點(diǎn)膠結(jié)果的影響，搭建了轉(zhuǎn)印式點(diǎn)膠實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性，最終得到了點(diǎn)膠基面及膠液表面張力對(duì)膠斑體積影響規(guī)律。點(diǎn)膠面潤(rùn)濕性變差，膠液的體積隨之變小，而且減小的速率加快，但膠斑形貌沒有改變；膠斑體積還隨著膠液表面張力的增大而減小，膠斑形貌幾乎沒有改變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)印式微量點(diǎn)膠工作參數(shù)的優(yōu)化配置提供了指導(dǎo)和依據(jù)。