專利名稱：一種氣動膜片式微滴噴射方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子封裝領(lǐng)域，特別是涉及一種氣動膜片式微滴噴射方法及設(shè)備。
技術(shù)背景半導(dǎo)體芯片制造與微電子器件封裝是微電子工程中的兩個重要組成部分，二者相互依存 ，相互促進。傳統(tǒng)的微電子制造主要運用以光刻圖形化和刻蝕加工等為主的減材制造方法， 具有材料利用率低、加工過程中環(huán)境污染嚴(yán)重的缺點。而從傳統(tǒng)噴墨打印技術(shù)發(fā)展起來的微 滴噴射技術(shù)則是一種增材制造方法，具有非接觸，數(shù)據(jù)驅(qū)動，材料利用率高、環(huán)境污染少的 優(yōu)點，是一種具有發(fā)展前途的精密直寫式新加法制造技術(shù)。圖形化是微電子制造中的核心，微滴噴射技術(shù)實現(xiàn)圖形化則是使用微滴噴射設(shè)備，用于 在基板上形成布線圖案。微滴噴射設(shè)備通常將包含有功能性材料(例如納米銀顆粒)的液體 以按需分配的方式分配到指定位置，從而將功能性材料固定在基板上形成所需要的布線圖。 同時也可以直接將高溫熔化的材料(如焊料、銅)以按需分配的方式分配到指定位置，形成 電氣互連。甚至可以聯(lián)合不同材料的微滴噴射技術(shù)實現(xiàn)多芯片封裝、三維封裝等新型微電子 封裝工藝。當(dāng)前常用的微滴噴射技術(shù)主要有壓電式微滴噴射、超聲振動微滴噴射、熱氣泡式微滴噴 射等。熱氣泡式微滴噴射主要用于容易產(chǎn)生氣泡的水基溶液的微滴噴射；而壓電式和超聲振 動式微滴噴射所使用的驅(qū)動器均為壓電晶體，而壓電晶體在工作過程中由于其溫度特性(工 作溫度必須小于居里溫度的一半，壓電晶體的居里溫度一般為35(TC)，不能適用于高溫工 作狀態(tài)。如果需要實現(xiàn)對高溫狀態(tài)下液體的微滴噴射，則必須分離驅(qū)動器和高溫液體工作區(qū) ，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。在克服高溫下流體微滴噴射的嘗試中，加拿大多倫多大學(xué)(專利號US6446878 Bl)提出 了一種以氣體壓力直接驅(qū)動高溫流體形成按需微滴噴射的方法。該方法中氣體工作腔體積隨 著噴射材料的減少而增大，從而導(dǎo)致噴射液滴尺寸波動較大。迄今為止，還沒有一種既能克服高溫流體噴射給壓電晶體帶來的系統(tǒng)復(fù)雜性和成本的增 加，同時也能用簡單的方法實現(xiàn)高溫流體的精確分配。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種氣動膜片式微滴噴射方法，實現(xiàn)對不同流體的精確噴射。 本發(fā)明的另一目的是提供一種實現(xiàn)上述噴射方法的設(shè)備，實現(xiàn)對不同流體的精確噴射。 一種氣動膜片式微滴噴射方法，緊靠流體工作腔設(shè)置膜片，向膜片施加氣壓，膜片產(chǎn)生變形，擠壓流體工作腔內(nèi)的流體，在噴嘴處形成射流；釋放氣壓，膜片復(fù)位，射流前后段分離，形成液滴。一種實現(xiàn)上述噴射方法的噴射裝置，包括主腔體l、儲料腔ll、節(jié)流機構(gòu)2、驅(qū)動膜片3 、噴嘴機構(gòu)4和氣壓驅(qū)動機構(gòu)5;主腔體1內(nèi)加工有相鄰的液體工作腔13和氣體工作腔14，液 體工作腔13與氣體工作腔14之間通過驅(qū)動膜片3相隔離；液體工作腔13分別連接噴嘴機構(gòu)4和 節(jié)流機構(gòu)2，節(jié)流機構(gòu)2連接儲料腔11的下端；氣體工作腔14連接氣壓驅(qū)動機構(gòu)5。作為改進，噴射裝置還包括設(shè)置在主腔體1上的流體溫度控制機構(gòu)6，并在主腔體l內(nèi)加 工有與噴嘴機構(gòu)4出口連通的惰性氣體通道28。本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在本發(fā)明采用膜片作為直接驅(qū)動部件，氣體壓力作為驅(qū)動源， 膜片在氣體壓力下變形，導(dǎo)致液體工作腔內(nèi)的流體壓力變大，驅(qū)使流體流向噴嘴形成液滴。 微滴噴射過程中，以節(jié)流機構(gòu)為流體流動控制部件，調(diào)節(jié)因膜片變形產(chǎn)生的液體工作腔體積 變化導(dǎo)致分別通往噴嘴和節(jié)流機構(gòu)中的流體流動比例，從而實現(xiàn)對液滴尺寸的精確控制。在 常溫噴射裝置基礎(chǔ)上，簡單地增設(shè)流體溫度控制機構(gòu)和惰性氣體通道，便可實現(xiàn)對高溫流體 的噴射。


圖l為本發(fā)明具體實施方式
一的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明工作過程示意圖；圖3為本發(fā)明具體實施方式
二的結(jié)構(gòu)示意圖;圖4為本發(fā)明具體實施方式
三的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明整體式噴嘴結(jié)構(gòu)6為本發(fā)明整體式噴嘴安裝局部放大圖； 圖7為本發(fā)明分離式噴嘴安裝局部放大圖； 圖8為部分金屬焊球噴射實驗結(jié)果示意圖；圖9為焊球噴射一致性分析結(jié)果示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。本發(fā)明的具體實施方式
可根據(jù)不同材料對象和具體結(jié)構(gòu)分為立式常溫微滴噴射裝置、立 式高溫微滴噴射裝置和臥式常溫微滴噴射裝置，具體實施方式
如下所述。 實施方式一 立式常溫微滴噴射裝置如圖l，立式常溫微滴噴射裝置由主腔體l、儲料腔ll、節(jié)流機構(gòu)2、驅(qū)動膜片3、噴嘴機 構(gòu)4和氣壓驅(qū)動機構(gòu)5五部分組成。主腔體l內(nèi)設(shè)有用于存放流體的儲料腔ll，儲料腔11上端與外界氣壓背壓裝置12連接， 下端連接節(jié)流機構(gòu)2。主腔體1內(nèi)加工有左右相鄰的液體工作腔13和氣體工作腔14，液體工作 腔13與氣體工作腔14之間通過驅(qū)動膜片3相隔離。液體工作腔13的上端與節(jié)流機構(gòu)2相連通， 下端連接噴嘴機構(gòu)4。氣體工作腔14的側(cè)面與氣壓驅(qū)動機構(gòu)5相連接。氣壓驅(qū)動機構(gòu)5包括一 個由三個相連通的通道組成的三通管15，其中第一通道16與氣體工作腔14的側(cè)面連通，第二 通道17連接兩位三通的電磁閥18，第三通道19作為放氣通道，在其端面開有放氣孔20。通過 調(diào)節(jié)放氣孔20大小以及放氣通道19的長度可以調(diào)節(jié)排氣速度。為了固定驅(qū)動膜片，在主腔體1氣體工作腔14的側(cè)面上安裝有膜片壓蓋21，膜片壓蓋21 與驅(qū)動膜片3之間氣體工作腔14的外周設(shè)置有密封支撐環(huán)22，密封支撐環(huán)22同時起到對驅(qū)動 膜片3的定位支撐、液體工作腔13與氣體工作腔14之間的密封作用。噴嘴機構(gòu)4與主腔體1的 接觸面處安放有密封圈23。節(jié)流機構(gòu)2為一內(nèi)設(shè)有細長孔道的帶止口的圓柱體，該機構(gòu)安裝在儲料腔ll與流體工作 腔13之間。其作用是提供工作過程中流體工作腔13內(nèi)流體的補充，同時，在工作過程中還提 供從流體工作腔13到儲料腔11的流體通道，根據(jù)節(jié)流機構(gòu)2和噴嘴4內(nèi)小孔各自流阻的不同， 實現(xiàn)工作過程中因膜片3變形引起的總體積變形的分配。通過改變節(jié)流機構(gòu)2內(nèi)孔道的長度和 孔徑，可以改變節(jié)流機構(gòu)的流阻。氣壓驅(qū)動機構(gòu)5中的放氣通道19和放氣孔20，在工作過程中加速氣體工作腔14內(nèi)高壓氣 體的快速釋放，從而形成脈寬較短的驅(qū)動壓力脈沖。通過調(diào)節(jié)放氣通道19的長度和放氣孔20 的孔徑，可以實現(xiàn)不同脈寬的驅(qū)動壓力脈沖，甚至在工作過程中提供負的驅(qū)動壓力，從而加 速微滴噴射的分離過程。流體從儲料腔ll經(jīng)過節(jié)流機構(gòu)2進入流體工作腔13，再經(jīng)過流體工作腔13進入噴嘴機構(gòu) 4，形成完整的流體通路。儲料腔ll上施加的背壓在工作過程中提供靜態(tài)驅(qū)動壓力，保持噴 嘴機構(gòu)4出口處流體液面的平衡狀態(tài)，以實現(xiàn)最小驅(qū)動壓力完成噴射過程。本發(fā)明工作過程如圖2所示首先，在穩(wěn)定狀態(tài)下發(fā)出脈沖信號，電磁閥18開啟，壓縮氣體經(jīng)過電磁閥18、 三通管15進入氣體工作腔14，氣體工作腔14內(nèi)壓力上升，打破驅(qū)動膜片3兩面的壓力平衡， 驅(qū)動膜片3向右運動，導(dǎo)致流體工作腔13內(nèi)體積減小，對流體的壓力增加，使一部分流體通 過噴嘴機構(gòu)4形成射流，另一部份流體經(jīng)過節(jié)流機構(gòu)2進入儲料腔11;接著，電磁閥18關(guān)閉， 氣體工作腔14內(nèi)氣體壓力經(jīng)放氣通道19和放氣孔20被釋放而導(dǎo)致流體工作腔13內(nèi)壓力下降， 形成的射流在速度分布上發(fā)生變化，射流后部速度減小甚至在負壓作用下反向運動，射流在 速度變化最大處開始頸縮；最后，在表面張力、重力作用以及射流后部流體回拉力作用下， 射流前、后部分流體分離形成液滴，射流后部回到流體工作腔達到平衡狀態(tài)，準(zhǔn)備下一輪噴 射過程的進行。實施方式二 立式高溫微滴噴射裝置相對于立式常溫微滴噴射裝置，立式高溫微滴噴射裝置在常溫立式基礎(chǔ)上需要增加溫度 控制和局部低氧濃度控制，具體說明如下如圖3所示，本發(fā)明立式高溫微滴噴射裝置包括主腔體l、儲料腔ll、 節(jié)流機構(gòu)2，驅(qū) 動膜片3、噴嘴機構(gòu)4、氣壓驅(qū)動機構(gòu)5、溫度控制機構(gòu)6和局部低氧濃度控制機構(gòu)7七個部分溫度控制由加熱圈6和熱電偶26實現(xiàn)，加熱圈6安裝在主腔體1外圍，熱電偶26安裝在主 腔體1上，通過安裝螺紋孔實現(xiàn)。溫度控制機構(gòu)6用于在需要高溫的情況下提供溫度控制，特 別是在進行金屬及其他高熔點材料微滴噴射時，提供合適的工作溫度。局部低氧濃度氛圍控制是在噴嘴機構(gòu)4出口周圍以惰性保護氣體同軸流動，排出含氧濃 度較高的空氣，將氧濃度降到最低。在主腔體1上惰性氣體通道28，惰性氣體通過惰性氣體 通道28的氣體入口27進入氣體通道28，再進入到由噴嘴壓蓋25在噴嘴機構(gòu)4出口周圍形成的 惰性氣體均化腔，實現(xiàn)惰性氣體在噴嘴機構(gòu)4出口處的均勻分布。實施方式三 臥式常溫微滴噴射設(shè)備主腔體l內(nèi)加工有上下相鄰的氣體工作腔14和液體工作腔13，氣體工作腔14和液體工作 腔13之間采用驅(qū)動膜片3隔離。氣體工作腔14的上端面與壓力驅(qū)動機構(gòu)5相連，液體工作腔 13的下端面與噴嘴機構(gòu)4相連，液體工作腔13的一個側(cè)面連接排氣通道29，另一側(cè)面連接節(jié) 流機構(gòu)2的左端。節(jié)流機構(gòu)2的右端通過"^4 "型管道31連接儲料腔11的下端，儲料腔ll還 與外界的氣壓背壓裝置12相連接。6圖5為整體式結(jié)構(gòu)噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖，在該結(jié)構(gòu)中所使用的噴嘴為不繡鋼噴嘴，不銹鋼噴 嘴通常采用機加工的方式完成其本體加工，然后以微電火花加工的方法實現(xiàn)微噴嘴中的小孔 加工。在該噴嘴中，主要分為流體入口411，引導(dǎo)錐面412，噴嘴小孔413，噴嘴出口凸臺 414，噴嘴出口環(huán)槽415。引導(dǎo)錐面412在噴射工作過程中，將流體匯聚到噴嘴小孔413入口， 實現(xiàn)流體在噴嘴處壓力的增加。噴嘴出口凸臺414則為噴嘴小孔出口提供對稱約束濕潤的邊 界條件。圖6所示為圖5所示噴嘴安裝局部放大圖，在不銹鋼噴嘴上安裝有噴嘴固定件即噴嘴壓 蓋25，用于提供噴嘴在主腔體l上的安裝定位，噴嘴壓蓋25通過螺栓與主腔體1以及膜片壓蓋 21相接。工作在高溫狀態(tài)下時，主腔體上1的氣體通道28、噴嘴壓蓋25上的氣體通道32組成了環(huán) 境氛圍控制結(jié)構(gòu)，用于在微滴噴射裝置上提供惰性氣體同軸流動保護環(huán)境，降低噴嘴的出口 處局部低氧濃度。圖7所示為本發(fā)明分離式噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖。在該結(jié)構(gòu)中所使用的噴嘴為玻璃噴嘴，玻璃 噴嘴41安裝于噴嘴底座44內(nèi)，噴嘴底座44通過噴嘴固定件安放于主腔體1上。噴嘴固定件實 現(xiàn)方式為噴嘴底座44下面安裝有底座壓蓋42，在噴嘴41與噴嘴底座44以及底座壓蓋42之間 采用密封件43，用于提供噴嘴底座44與玻璃噴嘴41之間的密封。噴嘴底座44通過底座壓塊46 安裝于主腔體l的底部，底座壓塊46與主腔體1通過螺栓固定。在底座壓塊46上安裝有噴嘴頂 蓋壓塊45，用于噴嘴41軸向定位。工作在高溫流體環(huán)境下時，主腔體上1的氣體通道28、底 座壓塊46上的氣體通道33以及噴嘴頂蓋壓塊45上的氣體通道34組成了環(huán)境氛圍控制結(jié)構(gòu)，用 于在微滴噴射裝置上提供惰性氣體同軸流動保護環(huán)境，降低噴嘴的出口處局部低氧濃度。以 分離式噴嘴安裝方式，可以實現(xiàn)不同噴嘴的快速替換。圖7所示為噴嘴直徑100ym，驅(qū)動壓力為2. 5bar，驅(qū)動脈寬為1.8ms，頻率為5Hz，工作 溫度25(TC ，放氣管長度100mm孔徑為4mm的工作條件下所得到的金屬焊球如圖8所示，直徑分 另ij為156 y m, 163 y m, 156 y m, 155 y m, 165 y m, 168 y m, 165 y m, 161 y m, 160 ym， 166 ym， 159 ym， 164 y m，其平均值為162ym。焊球一致性分析如圖9所示(rl rl2為焊球的編號)。
權(quán)利要求
1.一種氣動膜片式微滴噴射方法，緊靠流體工作腔設(shè)置膜片，向膜片施加氣壓，膜片產(chǎn)生變形，擠壓流體工作腔內(nèi)的流體，在噴嘴處形成射流；釋放氣壓，膜片復(fù)位，射流前后段分離，形成液滴。
2.一種實現(xiàn)權(quán)利要求l所述噴射方法的噴射裝置，包括主腔體(1) 、儲料腔(11)、節(jié)流機構(gòu)(2)、驅(qū)動膜片(3)、噴嘴(4)和氣壓驅(qū)動機構(gòu)(5);主腔 體(1)內(nèi)加工有相鄰的液體工作腔(13)和氣體工作腔(14)，液體工作腔(13)與氣體 工作腔(14)之間通過驅(qū)動膜片(3)相隔離；液體工作腔(13)分別連接噴嘴(4)和節(jié)流 機構(gòu)(2)，節(jié)流機構(gòu)(2)連接儲料腔(11)的下端；氣體工作腔(14)連接氣壓驅(qū)動機構(gòu) (5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的噴射裝置，其特征在于，噴射裝置還包括設(shè) 置在主腔體(1)上的流體溫度控制機構(gòu)(6)，并在主腔體(1)內(nèi)加工有與噴嘴(4)出口 連通的惰性氣體通道(28)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的噴射裝置，其特征在于，所述噴嘴機構(gòu) (4)包括噴嘴底座(44)、位于其內(nèi)部的玻璃噴嘴(41)、以及將噴嘴底座(44)固定于 主腔體(1)上的噴嘴固定件。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的噴射裝置，其特征在于，所述噴嘴機構(gòu) (4)包括不銹鋼噴嘴和將不銹鋼噴嘴固定于主腔體(1)上的噴嘴固定件。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的噴射裝置，其特征在于，所述氣壓驅(qū)動 機構(gòu)(5)包括一個由三個相連通的通道組成的三通管(15)，其中第一通道(16)與氣體 工作腔(14)連通，第二通道(17)連接電磁閥(18)，第三通道(19)作為放氣通道，在 其端面開有放氣孔(20)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種氣動膜片式微滴噴射方法，該方法以緊靠流體工作腔設(shè)置的膜片為驅(qū)動部件，向膜片施加氣壓，膜片變形，擠壓流體工作腔內(nèi)的流體在噴嘴處形成射流；釋放氣壓，膜片復(fù)位，射流前后段分離形成液滴。實現(xiàn)上述方法的噴射裝置，其在主腔體內(nèi)加工有相鄰的液體和氣體工作腔，液體與氣體工作腔間通過驅(qū)動膜片相隔離；液體工作腔分別連接噴嘴和節(jié)流機構(gòu)，節(jié)流機構(gòu)接儲料腔的下端；氣體工作腔連接氣壓驅(qū)動機構(gòu)。本發(fā)明通過改變節(jié)流機構(gòu)流體流阻，調(diào)節(jié)液體工作腔因膜片變形產(chǎn)生的體積變化通往噴嘴和節(jié)流機構(gòu)中的流體比例，實現(xiàn)對液滴尺寸的精確控制。在上述噴射裝置基礎(chǔ)上，簡單增設(shè)流體溫度控制機構(gòu)和惰性氣體通道，便可實現(xiàn)對高溫流體的噴射。
文檔編號B05B1/30GK101623678SQ20091030551
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月11日
發(fā)明者張鴻海, 徐裕力, 澍 曹, 肖峻峰, 舒霞云, 丹 謝 申請人:華中科技大學(xué)