用于微胶接的pL级点胶方法

为了获得与微米级零件尺寸相匹配的pL级胶滴,分析了注射式、喷射式和转移式3种常用的微小液滴生成机制。基于注射式原理设计了一种时间压力型pL级点胶方案,通过视觉在线检测胶斑直径,控制点胶针尖内径、作用压力和时间,得到pL级胶斑。实验研究了针尖内径、压力、时间对胶斑直径的影响,并将此方法应用于激光惯性约束核聚变实验中冷冻靶装配时靶丸零件与充气管零件之间的微胶接。实验结果表明:胶斑直径与点胶针尖内径、压力和时间三者成正比例关系,当使用端部1.2μm内径的点胶针,设置压力为0psi(1psi≈6.895kPa),时间为8～10s时,可以满足胶斑体积小于3pL,直径小于40μm的指标要求。该方法可实现微米级零件微胶接时的pL级点胶,而且工艺简单,易于实现。     

压电驱动微点胶器的控制与实验

针对微型器件封装对非接触式微胶量的需求,研制了压电驱动微点胶器,利用压电陶瓷管挤压毛细管产生的瞬时变形实现了微胶滴的分配。分析了毛细管内的流体行为及液滴形成条件;基于多物理场耦合的方法,建立了压电微喷的三设备(压电陶瓷、毛细管、胶体)耦合模型。然后,讨论了驱动电压、喷嘴直径、胶体黏度对控制胶滴形成的影响。在构建的实验平台上,开展了控制胶滴形成的实验研究。分析了多控制参数(喷嘴直径、胶体黏度、电压幅值、脉冲宽度)的复合作用,通过匹配相应的参数实现了pL级微胶滴的非接触式分配。实验结果显示:使用黏度为30mPa·s胶体,直径为10μm的喷嘴,在驱动电压幅值为50V,脉冲宽度为37μs等参数配置下,可获得最小胶滴的体积为8.31pL。实验结果验证了所提出方法和研制工具的有效性。     

pL级超微量点胶笔的开发及其在封孔中的应用

狭小空间内pL级超微量点胶是胶接技术的难点,针对这个问题,开发了pL级超微量自动点胶笔。基于转印式点胶分液原理,通过移液针穿过装有胶液的玻璃微管,获取胶滴,利用胶滴在点胶面上的转移分离,实现超微量点胶。开发的点胶笔全长仅为65 mm,最小分辨率0.24μm/step,最大行程7 mm,点胶笔通过USB接口连接到上位机上,可以实现对点胶过程的控制。通过大量实验,研究了点胶笔的性能,并将其应用到直径170 mm,长度350 mm小空间密封腔内,直径5~20μm的微孔胶封上。实验结果表明开发的点胶笔,装夹方便,重复精度高,即适用于覆盖式封孔,也适用于插入式封孔。通过调整点胶笔移液针的种类、尺寸、移动速度和封胶方式,可以在密闭小空间内,压力环境变化的工况下,实现微孔的pL级密封,最小封胶量为4.4 pL,满足工程需要,为小空间内的封胶提供了有效技术途径。     

超微量点胶方法与实验

针对微装配/密封工程对用胶量超微化(≤1 pL)的需求,提出了一种既适用于接触式点胶,也适用于非接触式点胶的超微量点胶方法.采用移液针穿过装有胶液的玻璃微管,在移液针先端吸附微小胶滴,当移液针先端靠近点胶面时,其先端吸附的微小胶滴与点胶面接触,移液针离开点胶面后,微小胶滴的一部分将残留在点胶面上,实现超微量点胶.通过匹配点胶的参数,实现点胶量的控制.该方法可以适用于任何黏度(1～3.5×105 cP)的胶液、任意空间方向的超精密点胶.实验讨论了移液针直径和点胶距离(移液针先端与点胶面的距离)对点胶性能(胶斑直径)的影响;在此基础上,匹配移液针直径、点胶距离、玻璃微管内径和点胶速度等参数,实现了胶液黏度为971 cP,点胶量为40 fL、170 fL、180 fL在3种亲水性不同的点胶面上的微量点胶;以及胶液黏度为3×104 cP,胶斑直径为243.9 μm时的超微量点胶.实验结果验证了提出方法的可行性.     

SU-8胶紫外光刻的尺寸精度研究

研究了衍射效应对SU-8胶紫外光刻尺寸精度的影响。根据菲涅耳衍射理论建立了紫外曝光改进模型,预测微结构的尺寸,分析了光刻参数变化对尺寸的影响。为了更好地与数值模拟结果进行比较,以硅为基底,进行了SU-8胶紫外光刻的实验研究。实验分四组,实验中掩模的特征宽度分别取50 μm、100 μm、200 μm和400 μm,SU-8胶表面的曝光剂量取400 mJ/cm²。用扫描电镜测量了微结构的顶部线宽、底部线宽和SU-8胶的厚度,用MATLAB软件对紫外曝光过程中SU-8胶层内曝光剂量的分布情况进行了数值模拟,数值模拟结果与实验结果基本吻合。数值模拟结果为进一步的实验研究提供了光刻参数的参考值。     

跨尺度微管微球三维半自动装配点胶系统

设计和搭建了一个3D半自动装配点胶系统,用于完成跨尺度零件微管与微球的三维装配点胶任务。系统主要由体视显微镜、变焦金相显微镜、发光二极管(LED)背光源、pL级点胶机、微操作手和零件夹持器组成。采用显微镜高低倍转换的方式实现了零件跨尺度特征的检测。基于提出的半自动装配点胶策略,并配合人工引导和显微视觉伺服技术,快速完成了跨尺度零件的半自动高精度对准和插入点胶。在搭建完成的系统上开展微管与微球的装配点胶实验,对提出的方法和装配精度进行了实验验证。结果表明,系统的位置对准误差优于1μm,角度对准误差优于0.5°,可以实现末端直径10μm的微管与孔径12μm的微球之间的装配和胶接,基本满足对该组件的装配精度和成功率要求。     

一种实用的时间-压力点胶过程建模与控制方法

针对注射器内胶体余量对时间-压力点胶量一致性的影响,建立了包括胶体余量的时间-压力点胶过程模型及余量估计模型,并设计PI控制器基于模型进行补偿控制。仿真与实验表明该方法明显地改善了时间-压力点胶的一致性。     

MEMS热电堆芯片固晶工艺参数的优化

MEMS热电堆传感器能够实现对温度的精确测量，固晶工艺是其中关键一环，但目前尚缺乏有效方法精确优化MEMS热电堆固晶工艺参数。本文介绍了热电堆传感器的工作原理，提出了对固晶工艺参数（固晶厚度和爬胶高度）的要求。以固晶工艺要求为导向，初步探究了压力参数对固晶工艺的影响并进行了压力参数的优化。在优化的压力参数下，实验探究了点胶高度和贴片高度对固晶工艺的影响，并缩小了两参数的选择范围。在此基础上，通过有限元ANSYS软件，分析在相同温度下，不同固晶厚度的银浆与芯片接触处的热应力分布，找出最佳的固晶厚度参数，并精确优化了点胶高度和贴片高度。最后，通过实验验证的方式，对此参数下的MEMS热电堆固晶强度给出了检测结果。结果表明：压力参数为0.3 MPa、点胶高度为140 μm、贴片高度为460 μm时，固晶推力均值为43.14 N。其固晶质量最好，能够满足固晶强度要求，有助于提高MEMS热电堆芯片封装的可靠性与成品率。     

SU-8胶光刻工艺研究

SU-8胶是一种基于环氧SU-8树脂的环氧型的、近紫外光、负光刻胶.其专门用于在非常厚的底层上需要高深宽比的应用.但是SU-8胶对工艺参数的改变非常敏感.本文对影响光刻后图形质量的主要工艺参数前烘温度和时间、中烘温度和时间、曝光时间及显影时间进行了研究,发现前烘时间和显影时间是影响图形分辨率及高深宽比的最主要的参数.随后给出了200μm厚SU-8光刻胶的建议工艺条件:200μm/s甩胶,1h的95°C前烘,近紫外光(400nm)接触式曝光,95°C的中烘 30min,PGMEA中显影20min.另外对实验中实现的主要问题基片弯曲和光刻胶的难以去除作了一定的探讨,给出了合理化建议:对于基片弯曲可采用以下四种措施来降低,降低中烘的温度同时增加中烘的时间、用厚硅片来代替薄硅片、对于薄硅片在前烘后可用金刚刀切成4～8小片、适当的设计掩模板;对于光刻胶的去除用热丙酮泡、超声清洗、反应离子刻蚀和高温灰化法相结合,能达到较好的效果.     

时变点胶系统的建模与控制

时间/压力型流体点胶技术利用胶体实现电子器件与基板的电气互联或机械互联,广泛应用于集成电路封装、MEMS封装、电子元器件与印刷电路板的表面贴装。点胶量精度和点胶量一致性是影响封装质量和表面粘贴质量的关键因素。论文研究了时间/压力型点胶系统动态模型,分析了时变参数对点胶量的影响,提出了一种时变参数补偿方法,提高了点胶量精度和点胶量的一致性。     

多功能真空键合设备的研制

基于圆片键合技术，设计了一种在真空条件下进行圆片键合的工艺设备。在该设备的基础上，进行了阳极键合与金硅键合2种典型的键合试验，键合出来的样品结合强度高而且没有缺陷，验证了该设备的实用性。     

层状金属复合板带铸轧复合技术研究进展

介绍了层状金属复合板带铸轧复合技术的发展背景和意义，概述了近年来固-液铸轧复合工艺和液-液铸轧复合工艺开发现状及研究成果，对比分析了传统的固-固相、固-液相金属界面结合机理和铸轧复合机理的区别，并结合研究现状，从产品极限规格、产品种类、复合界面性能调控、全生命周期理论等方面对层状金属复合材料铸轧复合工艺发展进行了展望。     

压力约束模式下热超声倒装键合的试验

在采用压力约束模式夹持倒装芯片的条件下，实现了热超声倒装键合。通过观测键合过程中的输入超声功率、工具末端和芯片的振幅变化情况，研究了压力约束模式下不同键合参数对键合过程和键合强度的影响规律。试验结果表明：在这种约束模式下，键合力和功率对键合强度具有重要的影响；键合力对金凸点的变形是决定性的；键合强度与输入的超声能量总量有关，过小和过大的超声能量都不能形成好的键合强度，高强度的键合并不需要大的超声功率输入，键合过程中能量主要耗散于工具／芯片间相对运动导致的摩擦做功，并造成了芯片和工具的磨损。     

一种基于Au-In共晶的低温键合技术

介绍了Au-In键合在MEMS芯片封装中的应用.根据现有的工艺设备和实验条件对制备铟凸点阵列进行了工艺设计,对铟凸点制备技术进行了研究,最终在硅圆片上制备了6 μm高的铟凸点阵列.在150～300 ℃下成功地进行了Au-In倒装键合实验.在300 ℃,0.3 MPa压力下键合的剪切强度达到了5 MPa.     

芯片封装中铜线焊接性能分析

通过对纯铜的机械性能和电、热和化学氧化性能进行分析和比较,铜线在芯片引线键合具有良好的机械、电、热性能,它替代金线和铝线可缩小焊接间距,提高芯片频率和可靠性。但是,铜由于表面氧化使其可焊性较差,可采用焊接工艺来改善其可焊性,并给出了具体方案。     

超声功率对引线键合强度的影响

采集键合试验的PZT驱动功率及对应键合点的剪切测试力数据,作为超声功率和引线键合强度的表征.试验中的键合力、温度和时间分别设置为4.7 N、室温和100 ms.在这种典型的工业工艺键合参数下,通过改变超声功率比(设定超声功率与最大可调功率之比)来改变超声功率,研究了超声功率对引线键合强度的影响规律.试验中超声功率比在15%～100%之间做了20种设置,共进行了20组1 000次键合试验.结果表明:超声功率小于3.5 W时,键合强度受超声功率的影响规律明显,即当超声功率小于1.0 W时,增加超声功率将增加键合强度,并减少剪切测试力为0的情况;大于1.6 W后则反之;而在1.0～1.6 W之间则可获得稳定可靠的键合强度,也就是在上述试验条件下的键合窗口;超声功率超过3.5 W后,规律不明显.此外,超声功率除受超声功率比这一可控因素影响外,还受基板质量不均匀、劈刀与铝丝间约束不确定等随机因素影响,超声引线键合是一个敏感的过程.     

碳纤维管与铝合金的胶接强度试验研究

根据赛车轻量化设计的需要,对碳纤维管与铝合金接头的胶接工艺进行了试验研究。分析了胶接强度的影响因素,设计了因素水平;通过正交试验和分析,确定了胶层厚度、铝合金表面粗糙度和表面化学处理方式。试验结果为胶接工艺的实施提供了试验依据。     

EFFECT OF ULTRASONIC POWER ON THE HEAVY ALUMINUM WEDGE BONDING STRENGTH＊

Eleven groups of wire bonding experiments are carried out on an experiment platform (restructured with a U3000 heavy aluminum wedge wire bonder).Pure silicon aluminum wire (300 μ in diameter,2.94-3.92 N in average pull force) and nickel coated aluminum substrates are used in the experiments.During the experiment process,only ultrasonic power rate parameter is changed and the other bonding parameters are kept as constant.The bonding force and time are 4.90 N and 100 ms respectively.After the bonding experiments,shear strength tests are carried out on the bonds as the bonding strength criterion.From those experiments and test results,some conclusions are obtained: In the small ultrasonic power rate conditions (about 20％-30％),with the power increasing,the bonding strength enhances accordingly; However,in the large ultrasonic power rate conditions (about 45％-70％),the bonding strength decreases accordingly and over bonding happens.Only when the ultrasonic power rate is in a moderate condition (about 35％-40％) can good and stabilized bonding strength be acquired.     

玻璃浆料键合中的孔洞抑制和微复合调控

提出了包含三步式排泡过程的预烧结工艺以及双凹凼-凸台的微复合键合结构方案,以便有效控制玻璃浆料层中的孔洞生成并精确控制键合间隙。预烧结工艺涉及的三步式排泡包含玻璃液形成、真空排泡与孔洞流平3个过程,该过程有效地排除了气泡,从而抑制了键合中间层中的孔洞形成,其工艺的重复性和鲁棒性很强。微复合键合结构中的内外凹凼用于有效控制多余的熔融的玻璃浆料的流动路径,避免其对封装结构的污染;微阻挡凸台则可以精确地将玻璃浆料层的厚度即键合间隙控制到凸台高度。对键合性能的测试表明,该方案简单有效,键合强度和气密性良好,键合间隙为10.1μm,键合强度为19.07 MPa,键合漏率小于5×10-9 Pa·m3/s。     

键合力对超声键合换能系统振动影响的时频分析

在超声引线键合过程中，键舍力是影响键舍强度的重要因素之一。通过实验研究了键舍强度与键舍力之间的关系。在不同键舍力情况下，通过小波分解的方式对速度信号进行分析，得出在键合力不同的情况下键舍机超声速度信号的时频特性。分析发现，只有在键合力适中的情况下，键舍强度才能达到最大，速度信号中的不稳定成分主要来自于劈刀与基板的接触表面，随着键合力的升高，速度信号逐渐稳定，阶跃信号即不稳定成分逐渐减小，有效地提高了信号能量的传递比率。