當(dāng)下社會(huì),電子信息技術(shù)迅猛地發(fā)展和人們對(duì)消費(fèi)電子類產(chǎn)品需求的日益增高,使得手機(jī)、平板、電腦等智能電子產(chǎn)品日新月異,并向多樣化、新穎化、微型化和智能化的方向快速發(fā)展。同時(shí),這些智能電子產(chǎn)品內(nèi)部的元器件也愈發(fā)微小,其生產(chǎn)組裝工藝也更加精細(xì),特別是大屏幕窄邊框等手機(jī)組裝工藝的出現(xiàn),對(duì)粘接膠線的精細(xì)度提出了更高的要求,但同時(shí)也需要更高粘度、更佳粘接性能的膠水與之配合。熔融狀態(tài)的熱熔膠屬于高粘度膠水,其粘接性能優(yōu)異,目前在電子封裝領(lǐng)域使用的最為廣泛。若要完成高粘度熱熔膠微滴的噴射成型,點(diǎn)膠領(lǐng)域現(xiàn)有的各類壓電噴射閥均必須在高電壓的作用下,驅(qū)動(dòng)撞針高速大力地沖擊噴嘴,但是高電壓往往會(huì)產(chǎn)生較大的撞針運(yùn)動(dòng)位移,而大位移便會(huì)造成噴射的膠點(diǎn)尺寸過大,從而無法滿足精密電子元器件粘接與封裝的工藝要求。目前,行業(yè)內(nèi)可獲得的高粘度熱熔膠的最小噴射點(diǎn)徑在270μm左右,而250μm是現(xiàn)階段點(diǎn)膠領(lǐng)域內(nèi)的專家學(xué)者在集中攻克的一個(gè)目標(biāo)。因此本文提出雙撞針式壓電驅(qū)動(dòng)熱熔膠噴射閥,使用雙撞針二次撞擊的驅(qū)動(dòng)形式進(jìn)行點(diǎn)膠,使撞針能以更高的速度、更小的位移沖擊噴嘴,從而形成更小尺寸的熱熔膠微滴的噴射成型,以更加完美地匹配當(dāng)今時(shí)代3C行業(yè)電子封裝工藝的要求。本文結(jié)合了流體力學(xué)、材料力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)和彈性力學(xué)等知識(shí)對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行分析,并應(yīng)用Fluent、Matlab、Ansys和Ls-dyna等軟件對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行仿真分析,最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證。本文具體的研究工作及研究結(jié)果如下:(1)噴射點(diǎn)膠過程的流體力學(xué)分析首先確定本文所研究的介質(zhì)即熔融狀態(tài)熱熔膠的流型及其本構(gòu)方程;接著,對(duì)粘性液滴噴射成型的必要條件進(jìn)行分析,得到粘性液滴的噴射速度必須大于一定值,才能形成完整的噴射成型,且液滴的噴射速度越大,系統(tǒng)的噴射能力相應(yīng)地也越強(qiáng);然后對(duì)液滴噴射速度的影響因素進(jìn)行理論計(jì)算并得到相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,后又對(duì)液滴噴射的體積進(jìn)行理論計(jì)算并得到相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)兩個(gè)數(shù)學(xué)模型分別定性分析了撞針運(yùn)動(dòng)速度對(duì)液滴噴射速度的影響,撞針運(yùn)動(dòng)位移對(duì)液滴噴射體積的影響;最后,應(yīng)用Fluent軟件對(duì)液滴噴射過程中,撞針與噴嘴包封區(qū)域瞬時(shí)壓力的變化情況進(jìn)行仿真分析,并通過仿真研究了撞針運(yùn)動(dòng)速度對(duì)于液滴噴射速度的影響,撞針運(yùn)動(dòng)位移對(duì)于液滴噴射重量的影響,并與前文的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比分析,得到的結(jié)論一致。這為本文的雙撞針二次撞擊結(jié)構(gòu)中撞針高沖擊速度、小運(yùn)動(dòng)位移的設(shè)計(jì)思路提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。(2)雙撞針二次撞擊結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析首先詳細(xì)介紹了雙撞針式壓電驅(qū)動(dòng)熱熔膠噴射閥的結(jié)構(gòu)及工作原理,并闡明該結(jié)構(gòu)所具有的優(yōu)勢(shì);接著,通過模塊化設(shè)計(jì)將系統(tǒng)分為驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)和執(zhí)行子系統(tǒng),并分別建立振動(dòng)力學(xué)模型,求解兩個(gè)子系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及固有頻率,并通過Matlab對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行仿真以指導(dǎo)壓電疊堆、下撞針、上下撞針回復(fù)彈簧的設(shè)計(jì)和選型;然后,建立雙撞針與噴嘴的二次撞擊力學(xué)模型,運(yùn)用特征線法和能量守恒定律求解終端(下撞針)的撞擊力和撞擊速度、輸入端(上撞針)的撞擊力和撞擊速度,并通過定性分析得出,若要終端(下撞針)的撞擊速度比輸入(上撞針)速度大,即實(shí)現(xiàn)速度放大,我們?cè)谠O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)需適當(dāng)減小下撞針的質(zhì)量或者減小下撞針回復(fù)彈簧的剛度,再或者適當(dāng)減小下撞針的運(yùn)動(dòng)位移;之后,應(yīng)用Ls-dyna軟件對(duì)雙撞針和噴嘴的二次撞擊模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,并與前文的理論分析進(jìn)行比較。在本文選定的參數(shù)條件下,仿真得到,當(dāng)上撞針以0.8m/s的速度沖擊下撞針時(shí),撞擊瞬間下撞針的速度提升為0.88m/s,因受到膠液阻力和彈簧回復(fù)力的作用,最后下撞針撞擊噴嘴的速度為0.85m/s,但是實(shí)現(xiàn)了速度的放大;上撞針沖擊下撞針的撞擊力為213N,而下撞針沖擊噴嘴的撞擊力提升為560N,也實(shí)現(xiàn)了撞擊力的放大。最后,設(shè)計(jì)了本裝置的溫度控制系統(tǒng),并且應(yīng)用Ansys軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)仿真,得到當(dāng)加熱塊溫度設(shè)置為110℃時(shí),加熱筒溫度設(shè)置為100℃時(shí),主管道內(nèi)膠水流經(jīng)區(qū)域以及噴嘴口膠液待噴射區(qū)域的溫度均分布在100℃-110℃之間,滿足熱熔膠保持熔融狀態(tài)且符合最佳使用性能的溫度要求。(3)雙撞針式壓電驅(qū)動(dòng)熱熔膠噴射閥的實(shí)驗(yàn)研究首先搭建速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái),測(cè)得當(dāng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電壓在40V-100V之間時(shí),下撞針的運(yùn)動(dòng)速度大于上撞針的運(yùn)動(dòng)速度,且二者的速度之差逐漸增大,證明在一定的電壓區(qū)間內(nèi),雙撞針結(jié)構(gòu)具有速度放大的作用;然后通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得,下撞針的運(yùn)動(dòng)速度越大,系統(tǒng)對(duì)于膠液的噴射能力越強(qiáng),當(dāng)下撞針的運(yùn)動(dòng)速度小于0.32m/s時(shí),膠滴附著在噴嘴口導(dǎo)致“掛膠”,當(dāng)下撞針的運(yùn)動(dòng)速度大于0.32m/s時(shí),液滴才開始噴射成型,但是下撞針的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)于噴射膠量的影響甚微;除此之外,系統(tǒng)噴射膠液的重量隨下撞針位移的增加而增加,但撞針位移過大或者過小均會(huì)出現(xiàn)“掛膠”現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)測(cè)得,在40V驅(qū)動(dòng)電壓的作用下,選擇球頭半徑為0.75mm的下撞針,選擇孔徑和內(nèi)錐角分別為0.1mm和90°的噴嘴,設(shè)定下撞針位移為0.1mm時(shí),系統(tǒng)噴射膠液的重量和體積最小,膠重均值為0.01mg,平均直徑為234μm,突破了250μm這一點(diǎn)徑目標(biāo),且噴射的精度在±2.5%以內(nèi);除此之外,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了由上述最小的熱熔膠微滴連成的膠線滿足模擬手機(jī)邊框的粘接力要求;最后,搭建系統(tǒng)的撞擊力測(cè)試平臺(tái),實(shí)驗(yàn)測(cè)得,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為100V,在該電壓下的上撞針以0.68m/s的速度撞擊下撞針,受到?jīng)_擊后的下撞針以0.8m/s的速度撞擊噴嘴,此時(shí)瞬時(shí)撞擊力約為593N,這與前文的仿真結(jié)果接近。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TN05
【部分圖文】：

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文4圖1.1熱熔膠涂布機(jī)根據(jù)不同的粘接與涂布工藝，熱熔膠涂布機(jī)又需配備不同的涂布機(jī)構(gòu)，如刮涂機(jī)構(gòu)、網(wǎng)紋涂布機(jī)構(gòu)、壓延涂布機(jī)構(gòu)。1）刮涂機(jī)構(gòu)圖1.2為刮涂機(jī)構(gòu)及通過該機(jī)構(gòu)涂成的膠的樣式，常規(guī)的熱熔膠涂布機(jī)在涂布過程中往往會(huì)涂膠不均勻，這就需要額外配備刮膠機(jī)構(gòu)，將基材上的熱熔膠刮涂均勻。刮涂機(jī)構(gòu)的主體是鋼絲刮刀、不銹鋼片刮刀、氣流刮刀、刮棒等[26-27]。圖1.2刮涂機(jī)構(gòu)2）網(wǎng)紋涂布機(jī)構(gòu)圖1.3為網(wǎng)紋涂布機(jī)構(gòu)及通過該機(jī)構(gòu)涂成的膠的樣式，網(wǎng)紋涂布機(jī)構(gòu)主要利用網(wǎng)紋涂布輥來實(shí)施涂布上膠，其涂布量相對(duì)準(zhǔn)確且涂布均勻。但如果熱熔膠的種類和涂布網(wǎng)紋輥確定之后，就很難調(diào)整其涂布的膠量，這也是上述網(wǎng)紋涂布輥的應(yīng)用受到限制的最主要原因。采用網(wǎng)紋輥進(jìn)行涂膠時(shí)，涂布的膠量主要與膠水粘度和網(wǎng)紋輥的凹眼深度有關(guān)。凹眼越深，膠水從網(wǎng)紋輥的凹眼轉(zhuǎn)移到基材上的量也越多；反之，凹眼越淺，轉(zhuǎn)移到基材上的量也相應(yīng)地減校除此之外，膠水粘度過小和過大都不利于膠

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文4圖1.1熱熔膠涂布機(jī)根據(jù)不同的粘接與涂布工藝，熱熔膠涂布機(jī)又需配備不同的涂布機(jī)構(gòu)，如刮涂機(jī)構(gòu)、網(wǎng)紋涂布機(jī)構(gòu)、壓延涂布機(jī)構(gòu)。1）刮涂機(jī)構(gòu)圖1.2為刮涂機(jī)構(gòu)及通過該機(jī)構(gòu)涂成的膠的樣式，常規(guī)的熱熔膠涂布機(jī)在涂布過程中往往會(huì)涂膠不均勻，這就需要額外配備刮膠機(jī)構(gòu)，將基材上的熱熔膠刮涂均勻。刮涂機(jī)構(gòu)的主體是鋼絲刮刀、不銹鋼片刮刀、氣流刮刀、刮棒等[26-27]。圖1.2刮涂機(jī)構(gòu)2）網(wǎng)紋涂布機(jī)構(gòu)圖1.3為網(wǎng)紋涂布機(jī)構(gòu)及通過該機(jī)構(gòu)涂成的膠的樣式，網(wǎng)紋涂布機(jī)構(gòu)主要利用網(wǎng)紋涂布輥來實(shí)施涂布上膠，其涂布量相對(duì)準(zhǔn)確且涂布均勻。但如果熱熔膠的種類和涂布網(wǎng)紋輥確定之后，就很難調(diào)整其涂布的膠量，這也是上述網(wǎng)紋涂布輥的應(yīng)用受到限制的最主要原因。采用網(wǎng)紋輥進(jìn)行涂膠時(shí)，涂布的膠量主要與膠水粘度和網(wǎng)紋輥的凹眼深度有關(guān)。凹眼越深，膠水從網(wǎng)紋輥的凹眼轉(zhuǎn)移到基材上的量也越多；反之，凹眼越淺，轉(zhuǎn)移到基材上的量也相應(yīng)地減校除此之外，膠水粘度過小和過大都不利于膠

吉林大學(xué)博士學(xué)位論文4圖1.1熱熔膠涂布機(jī)根據(jù)不同的粘接與涂布工藝，熱熔膠涂布機(jī)又需配備不同的涂布機(jī)構(gòu)，如刮涂機(jī)構(gòu)、網(wǎng)紋涂布機(jī)構(gòu)、壓延涂布機(jī)構(gòu)。1）刮涂機(jī)構(gòu)圖1.2為刮涂機(jī)構(gòu)及通過該機(jī)構(gòu)涂成的膠的樣式，常規(guī)的熱熔膠涂布機(jī)在涂布過程中往往會(huì)涂膠不均勻，這就需要額外配備刮膠機(jī)構(gòu)，將基材上的熱熔膠刮涂均勻。刮涂機(jī)構(gòu)的主體是鋼絲刮刀、不銹鋼片刮刀、氣流刮刀、刮棒等[26-27]。圖1.2刮涂機(jī)構(gòu)2）網(wǎng)紋涂布機(jī)構(gòu)圖1.3為網(wǎng)紋涂布機(jī)構(gòu)及通過該機(jī)構(gòu)涂成的膠的樣式，網(wǎng)紋涂布機(jī)構(gòu)主要利用網(wǎng)紋涂布輥來實(shí)施涂布上膠，其涂布量相對(duì)準(zhǔn)確且涂布均勻。但如果熱熔膠的種類和涂布網(wǎng)紋輥確定之后，就很難調(diào)整其涂布的膠量，這也是上述網(wǎng)紋涂布輥的應(yīng)用受到限制的最主要原因。采用網(wǎng)紋輥進(jìn)行涂膠時(shí)，涂布的膠量主要與膠水粘度和網(wǎng)紋輥的凹眼深度有關(guān)。凹眼越深，膠水從網(wǎng)紋輥的凹眼轉(zhuǎn)移到基材上的量也越多；反之，凹眼越淺，轉(zhuǎn)移到基材上的量也相應(yīng)地減校除此之外，膠水粘度過小和過大都不利于膠
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