基于表面张力的微量点胶影响因素与规律分析

随着微电子产业的发展，微小零部件的加工尺寸越来越小，微型零件的连接和封装等方法构成了复杂多功能微型精密产品制造的技术基础。作为微器件装配过程的关键技术之一，精密点胶技术广泛应用于微电子器件连接、半导体封装、集成电路制造及装配等领域[1]。精密点胶是一种以受控方式对胶体进行精确分配的过程，胶滴的精确与否直接影响器件的机械性能、电性能和热性能。随着目前微电子产品更加微型化与多样化，胶体涂覆性能面临更加严苛的要求[2]，亟需与纳米级零件尺寸相匹配的微小胶滴的精准可靠分配分离技术，以实现精微装配与制造过程中的超微量胶体的高精确度、高一致性的分配涂覆[3-5]。

按照点胶头相对于点胶面是否存在竖直方向上的运动来划分，点胶技术可分成接触式与非接触式两种。关于接触式点胶，史亚莉等[6-7]提出了时间/压力型微量点胶方法，可实现的最小点胶量为2pL，但仅适用于黏度低于500cP(1 cP=1 mPa·s)的胶液；JEFFREY[8]提出一种螺旋泵式微量点胶方法，其胶斑最小尺寸可控制在254 μm，但点胶速度不快，且设备清洗困难；活塞泵式点胶方法的点胶一致性良好，但是点胶量难以调节。除以上三种常见方式外，还有一些为适应工作环境的特殊接触式点胶方法，例如基于电润湿[9]、介电泳[10]、热毛细力[11]等驱动方法的点胶方式。

非接触式点胶是20世纪90年代开始发展的技术[12]，主要有机械式、压电式两类。该点胶方法在点胶过程中只需要沿XY轴运动，无Z轴方向运动，点胶速度得到了大幅提高[13]。压电式相比于机械式具备更加高速与高效的特点，因此，目前大多数研究都围绕压电式来展开。罗文建[14]研究的含柔性放大臂双压电叠堆驱动喷射机构具有双压电叠堆结构，提高了整体的刚度，利于实现高速喷胶。吴凯亮[15]研究的喷射式精密点胶阀采用了桥型柔性铰链放大机构，进一步提高了放大系数。柳沁[16]研究的压电液压放大式非接触喷射点胶机具有较高的放大倍数，且更稳定，但是结构复杂成本较高。ADAMSON等[17]研制了一种基于微阀方式的点胶器，其最小可分配胶斑直径为300 μm。相对于接触式点胶，非接触式点胶方法得到微量胶斑的难度更大，且在高速喷射下更难精确控制出胶量，目前仅有少量商品化产品。

综合分析可知，目前点胶技术尚不能很好地满足精微零件装配与制造中对皮米或飞米量级胶量的要求，同时亦没有针对影响点胶性能的因素进行系统分析的实验方案。基于微器件精密制造领域对超微量精密点胶技术的需求，本文提出一种基于微量胶体表面张力实现微量点胶的接触式点胶方法；通过理论分析各影响因素对胶斑的影响趋势，结合实验系统地研究了点胶速度、移液针尖端直径、点胶距离和胶液黏度等主要因素对点胶性能的影响规律，并分析了点胶成功率及异形胶斑形成的原因。

1 接触式微量点胶方法的实现

1.1 接触式微量点胶方法的提出与实现原理

基于表面张力的微量点胶方法的实现原理如图1所示，移液针穿入储有胶液的毛细管，当移液针尖端穿出胶液面时，由于移液针与胶液间的附着力，尖端带出微量胶液，在胶液自身内聚力及其与空气间的表面张力共同作用下，尖端的微量胶液形成液滴。移液针靠近接触面使胶液与点胶面接触，通过胶液与点胶面的附着力而在点胶面上留下微量胶液。而后，移液针抬起并远离接触面，在胶液内聚力及胶液与空气间的表面张力的作用下形成了液桥。随着移液针不断升高，液桥断裂，由于黏附力及表面张力的作用，胶液在点胶面上留下微小的胶斑。胶滴的尺寸微小，与内聚力及表面张力等相比，其重力影响可忽略，所以胶体Bond数(黏度)很小，表面力起主要作用[18]，胶滴不会自然下落。

1.2 微量点胶系统的设计

本文设计的微量点胶系统包括胶液运动模块和观测模块两部分。与胶液有直接关系的元件包括移液针、毛细管，因此二者的结构与性能是设计微量点胶系统的关键。首先，通过比对多种金属材质，综合考虑亲水性、硬度、耐磨性、稳定性等因素，选取钨丝作为实验中移液针的原材料。钨丝硬度高，在保证直径精密微小的前提下，多次加工不易发生弯折，且具有优异的附着胶液能力，为微量点胶实验提供了基本保障。

胶液的存储容器选择医用毛细管。毛细管内径很小，便于实现对微量胶液的存储，避免了胶液过量对实验结果的影响。另外，医用毛细管的内壁光滑，克服了胶液大量附着于内壁的问题。并且，毛细管结构简单，便于更换，降低了实验难度。

点胶过程是通过移液针带动胶液相对于毛细管做精密移动，进而依靠胶液自身表面张力作用而实现的，因此移液针的运动控制精度是影响点胶结果的关键因素之一，运动速度亦影响点胶效率。选择运动精度高于20 μm的步进电机作为移液针的驱动源，带动移液针在Z向做微位移精准移动，毛细管固定安装在Z轴微动平台底座上，且保证其与移液针的同轴度，以使移液针顺畅地通过毛细管内部，进而保证点胶过程中二者不发生干涉。

由于文中涉及的点胶量很微小(体积为皮米或飞米级，胶斑直径为微米级)，因此需要观测模块对点胶工作过程进行监测，观测模块选择使用超景深多角度表面形貌显微镜。一方面，点胶进行前，使移液针在点胶面处精准对焦并记录微动平台初始位置，确保实验精度，并在显微镜辅助下，通过微量注射器向毛细管注胶。点胶过程中，移液针与点胶面之间的距离亦通过显微镜监测调整。另一方面，点胶结束后，通过显微镜的测量功能，对所形成的胶斑尺寸及质量进行系统分析。实验系统原理如图2所示。

2 点胶影响因素的初步分析

由上述对点胶原理分析可知，胶斑形成主要与胶液自身内聚力、胶液与各材料间的附着力，以及胶液表面张力有关。点胶过程如图3所示，首先，移液针、毛细管和点胶面与胶液直接发生接触，因此三者的材料、移液针运动速度与尖端直径等均会影响附着力。因表面张力的作用，点胶过程中所形成的液桥也会影响点胶结果。同样，胶液黏度会通过胶液内聚力作用对胶斑产生影响[19]。

在液桥断裂后，附着于点胶面的胶液体积可表示为

式中，r2b为液桥拉断瞬间形成的动态圆弧的半径；θb为胶液与点胶面的动态接触角；x、y为液桥轮廓线上任取一点的横纵坐标。

胶斑轮廓曲线方程为

式中，r3为胶斑的圆弧轮廓半径；θ2为胶液与点胶面的静态接触角；L为胶斑顶点高度；r为胶斑半径。

忽略胶斑的挥发，则

由式(1)～式(4)求得

式中，d为移液针尖端直径；θ1为胶液与移液针的静态接触角；G为点胶距离；ρ为胶液密度；μ为胶液黏度；γ为胶液表面张力系数；U为移液针上下移动速度；ε为移液针尖端侧面所黏附的胶液液膜厚度。

通过对胶斑体积的分析，进一步确定了胶滴体积及胶斑大小依赖于胶液黏度、密度及表面张力系数、点胶速度、移液针尖端直径、点胶距离，以及点胶接触角等因素。后文将通过实验重点对点胶速度、移液针尖端直径、点胶距离、胶液黏度这四种主要因素对胶斑尺寸及点胶质量的影响规律展开研究。

3 点胶综合实验系统的搭建及关键部件的加工

3.1 实验平台的搭建

根据1.2节所设计的微量点胶系统，完成点胶性能综合实验平台搭建。显微镜选择KEYENCE VHX-900F超景深显微镜，它配有VH-Z100R显微镜头，放大倍数为100～1 000。超景深显微镜能防止在胶斑观测过程中因胶斑具有高度差而造成观测不清的问题。驱动装置选择KOHZU ZA10A-X1T-2A微动平台，设置每脉冲移动距离为2 μm。为保证携带胶液的移液针具有足够的运动空间，移动最大距离设为100 mm。通过编程控制，自动实现系列点胶或者连续点胶。点胶面选用高透光率的载玻片。

所搭建的微量点胶试验平台如图4所示。通过控制Z轴微动平台驱动带有胶液的移液针移动，完成点胶，XY双轴微动平台移动控制Z轴微动平台的水平位置，实现多点/线/面点胶。胶斑通过超景深显微镜观察测量分析。本文实验过程中，选择利用胶斑直径来评判胶滴大小。

3.2 移液针加工及胶液的选取

移液针加工是实验的难点，加工标准是首先要保证移液针不能弯曲，其次要保证尖端平整及尖端周围光滑。

加工移液针的原材料选用长度为100 mm、直径为0.5 mm的细直钨丝棒，通过电解对钨丝尖端部分进行加工，最终获得实验所需的直径和形状。电解液选择氢氧化钾溶液，采用直流电源为电解过程供电，电解速度通过电源电压和电解液浓度控制。经过多次试验，确定本文电解实验的工作电压为20 V，电解液为氢氧化钾粉末与水以50∶1 000(质量比)配置的溶液，电解时间为连续4 h，再通过砂纸对钨丝电解表面及尖端进行打磨抛光，保证钨丝具有较好的光滑表面及平整的尖端，以便更好地附着胶液。加工后的钨丝尖端微观图像如图5所示。

本实验分别选用具有多种黏度系列的甲基硅油和环氧树脂胶液进行点胶实验，主要物化特性参数见表1。两种胶液在常温且不使用固化剂的条件下均不会固化，但是由于表面张力的影响，会在点胶面上形成胶滴且不扩散。环氧树脂胶韧性良好，胶斑形状更佳，易于观测分析；甲基硅油具有良好的黏温性能。实验过程中，除分析黏度因素外，皆选用环氧树脂进行实验；因不同黏度的甲基硅油更容易分辨胶斑差异，所以黏度实验中选用甲基硅油。

4 超微量点胶影响因素的实验分析

实验过程是在室温28 ℃、相对湿度为50%的环境条件下进行的。本实验采用控制变量法，在保证材质不变的前提下，分别通过改变移液针直径、点胶速度、胶液黏度以及点胶距离，研究各因素对点胶结果的影响。为了减少实验偶然误差，每组实验都进行多次点样。

4.1 速度对胶斑的影响

选择尖端直径为110 μm的钨丝，黏度2 000 cP的环氧树脂，点胶距离为0，移液针运动速度分为9组(1，2，…，9 mm/s)。首先通过显微镜对焦找到钨丝最清晰的位置，再粗调钨丝至接近载玻片的位置，然后微调钨丝直至与载玻片接触，找到实验的零点胶距离位置并将其记录，将此位置代入之后的实验中，保证每次实验的位置精准一致。

与接触面接触后，钨丝的回升位置要保证钨丝尖端完全缩回至毛细管中充分沾取胶液，防止因附着胶液不足造成对实验结果的影响。胶斑成像阵列微观图见图6，对胶斑的微观测量图见图7。

通过选取三个不同速度下得到的胶斑作为代表进行测量分析，可以看出胶斑外形均非常圆整，从光晕的形状可以判断胶斑表面非常光滑，由此可以判断出速度对胶斑的质量并无影响，不影响胶斑的圆润度。

胶斑直径与速度间的关系如图8和图9所示。从图中可以看出，相同点胶速度(即移液针运动速度)下得到的胶斑直径相差不大，得到的胶斑尺寸具有较好的一致性；通过对胶斑平均直径(图9)的分析可知，胶斑直径随着点胶速度的增大而稍有变大，例如1 mm/s速度下的平均胶斑直径为189.3 μm，9 mm/s速度下的平均胶斑直径为336 μm，胶斑直径相对增大了43.7%；但是相邻速度间，胶斑直径相差较小；图9中柱状图上方的百分比即为相邻速度下胶斑直径相对增大的百分比。例如2 mm/s速度下的胶斑直径相对1 mm/s速度下的胶斑直径增大了2.6%；4 mm/s速度下的胶斑直径相对于3 mm/s速度下的胶斑直径增大了1.3%。

4.2 移液针直径对胶斑的影响

实验胶液选择黏度为2 000 cP的环氧树脂，点胶距离为0，点胶速度为1 mm/s，改变钨丝的尖端直径，分别选择直径d为60 μm、80 μm和110 μm三种钨丝。对每组实验进行30次点样，实验得到的胶斑直径结果如图10所示。从图中可以看出，胶斑的大小随着钨丝尖端直径增大而显著增大。分析得到三种钨丝点胶的平均胶斑直径后，根据式(3)计算得到三者的体积约为37.1 pL(d=60 μm钨丝)、77.9 pL(d=80 μm钨丝)和181.8 pL(d=110 μm钨丝)。

选取几个具有代表性的胶斑，深入观测其微观形貌，如图11所示。观察发现通过各个不同直径的钨丝得到的胶斑均有圆整光润的形貌，因此可得出如下结论：钨丝尖端直径不会对胶斑形貌产生影响。

4.3 点胶距离对胶斑的影响

选择黏度为2 000 cP的环氧树脂，选用尖端直径为80 μm的钨丝，点胶速度为1 mm/s，分别选择点胶距离为2脉冲、3脉冲和4脉冲三种情况进行实验。实验准备与之前实验一致，区别在于确定点胶位置后，在保证钨丝尖端与接触面间有胶液相连的前提下抬起钨丝，分别抬起2个、3个和4个脉冲，此时对应的点胶距离G为4 μm、6 μm和8 μm,钨丝在点胶面上形成胶斑的微观点胶图见图12。

记录微动平台的位置，分别在此位置下进行多组实验，每组实验测量20次。实验测得胶斑直径数据结果如图13所示。通过折线图可以看出，随着点胶距离的增大，胶斑逐渐减小。分析计算三种点胶距离下的平均胶斑直径后，根据式(3)计算得到三种点胶距离下的胶斑体积分别为88.3 pL(点胶距离G=4 μm)、80.5 pL(点胶距离G=6 μm)和71.1 pL(点胶距离G=8 μm)。

选取具有代表性的胶斑进行详细形貌观测，如图14所示。点胶距离为4 μm时形成的胶斑形貌圆整光润，随着点胶距离的增大，胶斑的圆整光润程度下降，部分胶斑形状较差。因此，虽然通过增大点胶距离的方式可获得更微小的胶斑，但是同时亦会导致胶斑的形状及质量下降。

4.4 胶液黏度对胶斑的影响

在研究胶液黏度因素对胶斑影响的分析实验中，对环氧树脂和甲基硅油均进行了实验，实验发现影响趋势一致。但是，由于甲基硅油固化能力弱于环氧树脂，在不同黏度下形成的胶斑差异更加明显，因此本文采用甲基硅油进行黏度实验并展开讨论。

选择钨丝尖端直径为110 μm，点胶速度为1 mm/s，点胶距离为0，甲基硅油的黏度μ分别为1 000 cP、2 000 cP、3 500 cP、5 000 cP、7 000 cP。每组实验得到的胶斑尺寸结果如图15所示，从分布图中可以看出，随着胶液黏度的增大，胶斑会越来越小，无论是高黏度还是低黏度的胶液，点胶得到的胶斑直径均具有较好的一致性。

选取不同黏度的胶斑，观测其形貌，如图16所示，胶斑形貌均光滑圆润。可以看出，利用本文设计的点胶系统进行点胶的过程中，胶液黏度对胶斑质量未产生影响，本实验平台对不同黏度的胶液均可得到良好的点胶效果和胶斑质量。

4.5 异形胶斑产生的原因分析

本文在进行大量的点胶实验过程中，也出现了部分异形胶斑，甚至点胶失败的情况。对其产生的原因进行分析如下。在点胶速度、移液针尖端直径、胶液黏度对胶斑影响的实验过程中，共统计得到实验胶斑255个，对胶斑形状及质量进行分析，92.7%的胶斑均具有较好的形状及光润度，6.8%为异形胶斑，另外还有0.5%出现了点胶失败的现象，无法得到胶斑。此外，在点胶距离影响因素实验过程中，发现加大点胶距离值会使胶斑质量大幅下降，对点胶成功率影响较大，因此未将其包含在上述统计过程中。

图17所示为所形成的异形胶斑微观图，胶斑形状不圆润，边角有锯齿。其中，图17a是由于移液针尖端与点胶面过度接触，出现移液针挤压胶液从而造成胶斑形状发生变形的现象；图17b所示的胶斑畸形是由于在一个点胶过程结束后，移液针未能完全回到毛细管内沾取胶液，导致了移液针尖端附着胶液不均匀从而形成的异形胶斑。在实验中发现在胶液不足的情况下仍有可能点出圆润的胶斑，但是会造成胶斑明显缩小，每次直径的减小量在30 μm左右，如图18所示。

另外，在对高黏度胶液进行点胶实验时，会偶然出现胶液拉丝现象，导致在胶斑中心处出现透明胶料，如图19a所示。出现该现象的原因是：高黏度胶液具有过大的内聚力，在空气表面张力作用下形成了不易断裂的液桥(图19b)；当液桥持续拉长断裂后，由于成形胶滴自身表面张力的作用，拉丝胶液在胶滴表面形成了堆积，即透明胶料。另一方面，点胶速度过快也可能会导致这种状况的出现，甚至导致点胶过程失败。

5 结论

(1)分析了接触式点胶胶液各阶段的受力过程，明确了影响胶滴体积与胶斑半径的影响因素。设计开发了接触式微量点胶实验系统与胶斑微观测系统，着重针对点胶速度、移液针尖端直径、点胶距离和胶液黏度四个因素进行了系统实验，明确了工作参数对于胶斑大小及质量的影响规律。

(2)随着点胶速度的增大，胶斑直径也会随之增大，且其不会影响胶斑质量，但在速度过快的情况下可能会出现拉丝或者点胶失败的现象；随着移液针尖端直径的增大，胶斑直径也相应地增大，这一因素对胶斑质量无明显影响；点胶距离的增大会使胶斑直径显著变小，但是胶斑的一致性和胶斑质量会有所降低；在工作参数相同的情况下，随着胶液黏度的增大胶斑变小，且对于低黏度和高黏度的胶液而言，点胶质量和一致性均能得到保障。

(3)分析明确了异形胶斑产生的原因：移液针与点胶面接触不良或接触过度导致了胶斑出现异形，钨丝移液针在多次连续点胶时补胶不充分导致胶斑持续变小，因胶液黏度过高引起的胶液拉丝而形成了拉丝胶斑等。

(4)对于黏度为2000 cP的环氧树脂胶，本文实验所获得最小胶斑体积为37.1pL，统计分析表明，实验中的点胶成功率约为92.7%。

(5)研究结果为实现微量与超微量(pL甚至fL级)点胶提供了一种新途径，为实现微量与超微量点胶的工作参数的优化配置提供了指导和依据。

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