CN101524674A

CN101524674A - 气泡注入式微点、雾双喷装置

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Publication number: CN101524674A
Application number: CN200910048328A
Authority: CN
Inventors: 王志亮
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: CN101524674B

Abstract

本发明涉及一种气泡注入式微点、雾双喷装置。它包括液体输入装置、气体输送装置、导液管、喷嘴及输气导管，其特征在于所述导液管由进口收敛段连接等截面管段构成，并在其进口收缩段上连接所述输气导管或者中心直接注入；所述喷嘴由一个内置喷嘴外部套着一个外置喷嘴构成，所述内置喷嘴套在所述导液管等截面管段的端部。本发明可以应用于粉末冶金、喷墨、喷涂、喷胶、焊接等液体射流喷射工艺；点喷方式、雾喷方式之间切换仅需更换内置喷嘴的材质或喷嘴内径或同时改变材质和喷嘴内径，并调节液体和气体输入压力或输入流量或输入流速即可，又由于微管道内微流动的稳定性质，气泡的快速脱落的周期性和可控性使得高频率、高精度和可控的点喷、雾喷效果得到保障。

Description

气泡注入式微点、雾双喷装置

技术领域：

本发明涉及一种气泡注入式微点、雾双喷装置。它能够产生高频率、高精度和可控的液点喷射和雾化喷射效果。可以广泛应用于粉末冶金、喷墨、喷涂、喷胶、焊接等多种液体射流喷射工艺。

背景技术：

本发明源于对喷射雾化冶金技术及半导体封装行业中胶液分配技术的研究。

喷射雾化冶金技术是近二三十年来新兴的冶金工艺，发展非常快，已成为机电制造加工工业的重要支柱和非常有前途的产业。粉末冶金材料因节能、节材、规模化生产成本低、无需机械加工等优势，备受金属产品制造工业青睐，由其派生出来的金属注射成形(metalinjection molding，MIM)、热喷涂(thermal spraying，TS)、金属快速成形(metal rapidprototyping，MRP)、表面贴装(surface mount technology，SMT)等技术更是得到蓬勃的发展。而喷射成形技术是近二、三十年发展起来的一项先进的半固态金属加工技术，它既能克服传统冶铸工艺带来的缺陷，又可以免除粉末冶金的制粉、压制、烧结等多道工序。采用该技术制备的材料有晶格细密规则、裂纹少、寿命长等一系列优点。喷射雾化过程形成的粉末、液滴或液固混合颗粒粒径、分布和形状决定产品的特性和性能。随着国际产业现代化的加快、以及在汽车工业、航空航天、电子信息、能源电力、冶金机械等重要工业领域应用的拓展，对材料的品种、质量以及成本等方面要求的提高，生产微米级(1～30μm)、亚微米级(0.1～1μm)和纳米级(1～100nm)超细粒度的产品有着相当的迫切性。目前我国制造业所需的高档次金属粉末需要大量进口，而通常国际市场上金属粉末(50～75μm)的价格是相应金属的数倍乃至十数倍，细颗粒价格更昂贵得多，因此生产小粒度产品据有可观的经济价值。目前，就我国在该方面的技术和生产能力而言，与国际上还有相当大的差距。对金属粉末设备的改进和创造性的技术革新非常必要。

与传统喷射雾化生产大规模不同尺寸分布的金属液滴和颗粒不同，半导体封装胶液分配技术更多强调的是对生成液滴和颗粒的尺度、频率、精度的可控和可操作性。

半导体封装胶液分配技术伴随微电子技术崛起经过了几十年的发展，先后出现了各类技术，包括大量式布胶(mass dispensing)、接触式点胶(contact dispensing)、非接触式点胶或称喷胶(non-contact dispensing/dispensing jet)等。目前，接触式点胶是最为常用的胶液分配技术，而非接触式点胶(喷胶)具有精度高、速度快等特点，被认为是半导体封装行业未来的胶液分配技术。

国际上，美国Asymtek公司(现归属Nordson公司)在非接触式胶液分配技术(US2006/0157517)研究和应用方面走在了前列，并占领绝大部分市场。至今已经推出了DJ-2100、DJ-2200、DJ-9000以及DJ-9500系列喷射点胶头。其中DJ9500是2008年最新产品，喷嘴直径在0.05mm至1mm之间，最小喷射区间最小可至175μm；最小喷射线宽为250μm；最小喷射点直径为200μm；喷射精度为1 nanoliter；喷射流线宽可达50μm。国内非接触式胶液分配系统还处于比较低的起步阶段，差距较大。

目前，非接触式胶液分配技术无论是气动、电磁或压电驱动的针阀式和隔膜泵式点喷设备或是雾喷设备，其液滴生成频率均为主动的外部驱动频率，喷射效果受到外部频率(目前最高270Hz/秒左右)、液体性质等多重限制，同时设备复杂，维护困难，而喷射材料也受到诸如粘性、表面张力等流体特性限制，设备适用范围窄；而喷射雾化技术的最大问题是液滴生成的尺寸分布和尺度特征是远非精确可控的，在这方面倒是可以借鉴非接触式胶液分配技术高精度、高可控的一些设计，并克服其液滴或颗粒产量少的缺点。

在以上的技术中，对流体特性的把握始终是个难点，特别是在对流动现象不够理解的情况下技术的实现都会存在各种的缺陷和限制。如何将对材料的性质和流动的特点加以利用，实现预定功效是一个非常有前途的着眼点。

本发明从流动界面问题在微观上的表象出发，考虑流体、气体和导管、喷嘴材料之间三相作用的接触问题、气体在流体中的运动特性以及气体的可压缩效应等流动现象的特点，并充分利用这些特点来简化传统喷射技术的复杂性，消除其应用限制。

发明内容：

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种气泡注入式微点、雾双喷装置，可以获得高频率、高精度和可控的点喷、雾喷效果。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明的气泡注入式微点、雾双喷装置，具有液体输入装置。

液体输入装置提供了稳定的液体来源，保障工作介质的存在，液体输入装置的流速可调控，为下游的流动提供压、动力。

本发明的气泡注入式微点、雾双喷装置，具有气体输送装置。

气体输送装置提供了稳定的气体来源，通过导管向液体中注入气体，气体的压力可调控，用以调节气体液体的流量比重。

本发明的气泡注入式微点、雾双喷方法及装置，具有导液管。

导液管将由液体输入装置提供的液体和气体输送装置提供的气体向下游输送。导液管分为收缩段和等截面管段，由近疏液体材料制成。由液体输入装置提供的液体从导液管收缩段开口处输入，由气体输送装置提供的气体从导液管收缩段接近等截面管段处输入或者中心输入。液体和气体在收缩段和等截面管段衔接处附近相遇，液体挤压气体，当气体体积足够大时产生被液体隔离的气泡，并在液体挤压下进入导液管等截面管段，液体在隔离气泡的同时也将等截面管段管内的液滴封闭起来。这种过程随液体和气体的不断输入而不断重复，从而在导液管等截面管段内形成气泡、液滴相间隔的现象。通过调节气体、液体的流速和流量比可以控制气泡、液滴的各自的尺寸大小和比例从而实现喷射频率和喷射点大小。

本发明的气泡注入式微点、雾双喷装置，具有内置喷嘴。

内置喷嘴内径向下游收缩后等直径伸展，并按材料不同分为两种类型，一种是由近疏液体材料制成的微点喷喷嘴，另一种是由近亲液体材料制成的微雾喷喷嘴，喷嘴内径为微纳量级，内置喷嘴与导液管在导液管末端连接。

微点喷喷嘴采用近疏液体材料制成内置喷嘴，管内压力梯度较小，喷出液点为整体液滴，液滴体积近似为导液管等截面管段管内封闭独立液滴体积，控制气泡脱落频率和液体流量可以控制液滴的大小；微雾喷喷嘴采用近亲疏液体材料制成内置喷嘴，管内压力梯度大，压力梯度可以通过调节喷口直径决定，管内气泡被压缩，并在喷嘴出口处快速膨胀，对喷出液体产生冲击和剪切破坏，形成破碎产生小液滴，以达到雾化效果。而调节液体输入装置和气体输送装置压力输入，可以使被压缩气体喷出时在出口处达到并超过声速，达到超声速雾化优良效果。

本发明的气泡注入式微点、雾双喷装置，具有外置喷嘴。

外置喷嘴由近疏液体材料制成(对容易产生凝固液体可选)或者近亲液体材料(不存在凝固问题液体可选)或者中性材料制成，喷口向外扩张呈一定角度。对存在凝固问题的液体，采用近疏液体材料制成外置喷嘴可以维持设备在未工作状态时对管内液滴的支持，使管内液滴不会自然下落，而且避免液体在喷嘴表面的附着。外置喷嘴喷口的扩张也可以为压缩气体的运动提供达到超声速的条件。

根据上述发明构思，本发明采用下述方案：

一种气泡注入式微点、雾双喷装置，包括液体输入装置、气体输送装置、导液管、喷嘴、及输气导管，其特征在于所述导液管由进口收缩段连接等截面管段构成，并在其进口收缩段上连接所述输气导管；所述喷嘴由一个内置喷嘴外部套着一个外置喷嘴构成，所述内置喷嘴套在所述导液管等截面管段的端部。所述液体输入装置和气体输送装置分别提供稳定的粘性液体和气体供应，液体直接进入导液管，气体经由输气导管进入导液管；所述导液管在下游与内置喷嘴相联连接；导液管内的被气泡分隔的液滴经由内置喷嘴和外置喷嘴后喷向目标基底，实现喷射过程。

上述导液管材料为近疏液体材料，其收缩段收缩角度不大于45度，等截面管段直径在毫米、微米、纳米量级。

上述内置喷嘴内径向下游收缩后等直径伸展，其材料为近疏液体材料构成微点喷喷嘴，或者为近亲液体材料构成微雾喷喷嘴；其喷嘴内径为微米、纳米量级。

上述外置喷嘴材料为近疏液体材料，其喷口向外扩张呈有效角度。

上述气泡注入式微点、雾双喷方法及装置可以通过调节入口气体和液体流量来控制气体的脱落频率及气泡和液滴在导液管平行段中间隔分布的长度和比例，从而实现出液的液点大小和出液频率的精确控制。

上述气泡注入式微点、雾双喷方法及装置通过更换内置喷嘴的材质或者喷嘴内径或者两者同时更换，包括近亲液体和近疏液体材料，来实现点喷方式、雾喷方式之间切换。雾喷方式通过调节液体输入装置和气体输送装置压力输入，可以使被压缩气体喷出时在出口处达到并超过声速，达到超声速雾化优良效果。

上述液体输入装置是具有可调控液体流速、为下游的流动提供压力和动力的稳定液源装置，其输出口连通所述导液管的进口；所述气体输送装置具有可调控气体压力的、从而达到调节接入所述输气导管的气体与所述导液管中的液体之间流量比的稳定气源装置。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

采用本发明的装置从流动界面问题在微观上的表象出发，利用流体、气体和导管、喷嘴材料之间三相作用的接触问题、气体在流体中的运动特性以及气体的可压缩效应等流动现象的特点，大大简化了点喷、雾喷实现的途径。

采用本发明的装置实现点喷、雾喷的切换非常简单，只需改变内置喷嘴的材质及改变喷嘴口径，极大的简化了设备的研制、制造和维护成本。

采用本发明通过流动的固有性质来实现对流动的控制，具有稳定可靠的特点。流动的稳定性使液滴脱落的可控和周期性得以保障。

采用本发明可以较少受到喷射液体材料的限制，它适用于各种用途，如粉末冶金、喷墨、喷涂、喷胶、焊接等。

由此，采用本发明可获得高频率、高精度和可控的点喷、雾喷效果，应用范围非常广泛，具有重要市场价值。

附图说明：

图1气泡注入式微点、雾双喷方法及装置结构示意图：(a)侧向注入式；(b)中心注入式。

图2液滴在流道内运动界面位置示意图：(a)点喷效果图，内置喷嘴4采用近疏液体材料；(b)雾喷效果图，内置喷嘴4采用近亲液体材料。

图3侧向气体注入实验图。

图4中心气体注入式管道模拟图。

具体实施方式

本发明的一个实施例结合附图说明如下：参见图1，一种气泡注入式微点、雾双喷装置由液体输入装置、气体输送装置、导液管1、外置喷嘴2、内置喷嘴4及输气导管5组成。液体输入装置和气体输送装置分别提供稳定的粘性液体和气体供应，液体直接进入导液管1，气体经由输气导管5进入导液管1；导液管1在下游与内置喷嘴4相联连接；内置喷嘴4外部套有外置喷嘴2，导液管1内的被气泡分隔的液滴经由内置喷嘴4和外置喷嘴2后喷向目标基底3，实现喷射过程。

参见图2，上述内置喷嘴4采用近疏液体材料制成，以实现图2(a)所示点喷效果或采用近亲液体材料制成，以实现图2(b)所示雾喷效果。

参见图1和图3，导液管为近亲液材料制成。气体注入导液管1收缩段管与等截面管段衔接处附近液体中。气体和液体被间隔封闭在等截面管段内，其中L_气体为封闭气泡的长度，其中L_液体为封闭液滴的长度。实验表明，L_气体和L_液体是呈均匀间隔分布，具有准确的周期特性，而且非常稳定。

参见图4，中心气体注入式管道模拟图，尺寸如标注所述。介质为空气和水，而空气注入水流。其它参数为空气注入速度5m/s，水流入口速度1m/s，表面张力为73.5dyn/cm，管道接触角90度。计算获得的气泡脱落时间为0.5e-4s，即脱落频率为20,000Hz，而管中封闭液段长度约0.23mm，体积约为1.63e-4mm³，即0.163nanoliter(纳升)。就喷胶技术而言，这个气体注入式喷射技术的模拟结果指标远远超越目前能够达到的技术指标和能力水平，对比喷胶技术点胶最高频率的270点/秒量级，气体注入式喷射技术高出数个量级(本例为1～2)，而胶点体积的控制最高水平为1纳升也轻易被突破。因而本发明提供了一种革命性的方法和技术，非常具有工业价值和经济效益。因为本模拟所选用的参数不具有非常特殊性，因而技术水准在实践中存在很大的提升空间。

Claims

1.一种气泡注入式微点、雾双喷装置，包括液体输入装置、气体输送装置、导液管(1)、喷嘴及输气导管(5)，其特征在于所述导液管(1)由进口收敛段连接等截面管段构成，并在其进口收缩段上连接或接入所述输气导管(5)；所述喷嘴由一个内置喷嘴(4)外部套着一个外置喷嘴(2)构成，所述内置喷嘴(4)套在所述导液管(1)等截面管段的端部。

2.根据权利要求1所述的气泡注入式微点、雾双喷装置，其特征在于所述导液管(1)材料为近疏液体材料(对容易产生凝固液体可选)或者近亲液体材料(不存在凝固问题液体可选)或者中性材料制成，其收缩段收缩角度不大于45度，等截面管段直径在毫米、微米、纳米量级。

3.根据权利要求1所述的气泡注入式微点、雾双喷装置，其特征在于所述内置喷嘴(4)内径向下游收缩后等直径伸展，其材料为近疏亲液体材料构成微点喷喷嘴，或者为近亲疏液体材料构成微雾喷喷嘴；其喷嘴内径为微米、纳米量级。

4.根据权利要求1所述的气泡注入式微点、雾双喷装置，其特征在于所述外置喷嘴(2)材料为近疏液体材料(对容易产生凝固液体可选)或者近亲液体材料(不存在凝固问题液体可选)或者中性材料制成，其喷口向外扩张呈有效角度。

5.根据权利要求1所述的气泡注入式微点、雾双喷装置，其特征在于所述输气导管(5)与导液管(1)收缩段呈有效角度连接或者输气导管(5)在导液管(1)中心注入。

6.根据权利要求1或3所述的气泡注入式微点、雾双喷装置，其特征在于通过更换内置喷嘴4的材质或者喷嘴内径或者喷嘴4的材质和喷嘴内径同时改变，来实现点喷方式、雾喷方式之间切换。

7.根据权利要求1所述的气泡注入式微点、雾双喷装置，其特征在于通过调节入口气体和液体流量来控制气体的脱落频率及气泡和液滴在导液管(1)平行段中间隔分布的长度和比例，实现出液的液点大小和出液频率的精确控制。

8.根据权利要求1所述的气泡注入式微点、雾双喷装置，其特征在于所述液体输入装置是具有可调控液体流速、为下游的流动提供压力和动力的稳定液源装置，其输出口连通所述导液管(1)的进口；所述气体输送装置具有可调控气体压力的、从而达到调节接入所述输气导管(5)的气体与所述导液管(1)中的液体之间流量比的稳定气源装置。