CN102527541A - 一种双流体喷射系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双流体喷射系统。它包括气动模块、液动模块、控制模块、双流体喷射阀，控制模块通过气动模块和液动模块分别连接控制双流体喷射阀的气管和液管。所述双流体喷射系统基于微通道气液两相流运动原理，即通过控制模块控制气动模块和液动模块中气液流速比或流量比使得微通道中出现段塞流的液体喷射。本发明适用于半导体薄膜制备、复合材料制备、电子封装、MEMS系统、喷涂、喷墨、粉末冶金、生物医药、食品加工、焊接、燃烧、化工等领域的流体喷射。

Description

一种双流体喷射系统

技术领域

    本发明涉及一种双流体喷射系统，尤其涉及一种高精度、高一致性、微量体积（纳升级）、快速响应、可控性好、适用性好（低粘度、高粘度液体）的非接触式双流体喷射系统。可以广泛应用于半导体薄膜制备、复合材料制备、电子封装、MEMS系统、喷墨、喷涂、粉末冶金、生物医药、食品加工、焊接、快速原型制造、燃烧、化工、发动机等领域中多流体的喷射工艺。

背景技术

本发明源于对电子封装领域胶液喷射技术的研究。

电子封装技术是当今半导体制造产业的一个重要组成部分，它随着半导体薄膜制造技术的微型化、集成化而不断发展，目前呈现出高密度、高效率、低成本的趋势。胶液分配技术是电子封装中关键技术之一，广泛应用于芯片贴装、芯片包覆、导热硅胶填充、荧光胶涂覆、芯片与基板互连等工艺中。胶液分配技术主要经历了以下几个发展阶段：大量式布胶（mass dispensing）、接触式点胶（contact dispensing）、非接触式点胶（non-contact dispensing）。其中大量式布胶中典型技术主要有丝网印刷和针转移式点胶，这两种点胶设备结构简单且成本低，由于胶点体积量得不到精确控制，其胶点一致性都不均匀。接触式点胶是点胶针头将胶液挤出形成胶点与基板的接触，停留一段时间使胶液浸润基板，然后点胶头向上运动，由于胶液与基板的润湿力大于胶液与针头的润湿力，胶液与点胶针头分离完成点胶过程；典型技术有时间/压力型、螺杆泵式、活塞式点胶。非接触式点胶（又称喷射点胶）中点胶头与基板不接触且留有较大距离，并在点胶动作中点胶针头无运动，从而极大的缩短了点胶周期，提高了点胶速度。主要依靠外部介质给胶液一个较大的动量使其从喷嘴中以较高速度喷射到基板上。典型技术有机械喷针式喷射点胶，喷针的驱动方式包括电磁铁驱动、高压气体和电磁阀组合驱动、压电陶瓷驱动以及隔膜泵驱动等。非接触式点胶逐渐成为电子封装行业主流的胶液分配技术，具有精度高、速度快、微量体积等特点。

目前，喷射点胶设备无论是采用高压气体驱动机械喷针，还是电磁铁、压电陶瓷、隔膜泵驱动喷针，都存在几个主要问题：一、点胶头内均有运动部件（如：喷针）存在，依靠运动部件与点胶头腔体的碰撞来实现胶液从点胶头喷射到基板这个过程，由于存在机械碰撞，增大了喷针和阀体的磨损，降低设备的点胶精度及使用寿命；二、喷针的往复运动会引起粘性流体材料对其摩擦导致磨损，降低喷针的运动精度、密封性和喷射胶点的尺寸一致性；三、喷射点胶设备的机械结构较为复杂、维护较为困难。 

发明内容

本发明的目的在于针对上述喷射点胶方法的不足，基于微通道气液两相流运动原理，提供一种双流体喷射系统，能够实现高精度、高一致性、微量体积（纳升级）、快速响应、可控性好、适用性好（低粘度、高粘度液体）的非接触式流体喷射。

为达到上述目的，本发明的构思是：本发明的双流体喷射系统包括：（a）气动模块，它至少具有一控制信号输入/输出口和一脉动气体输出口；其中控制信号输入/输出口与气动控制模块信号输入/输出口连通，脉动气体输出口与双流体喷射阀导气管连通。（b）液动模块，它至少具有一控制信号输入/输出口和一连续液体输出口；其中控制信号输入/输出口与液动控制模块信号输入/输出口连通，连续液体输出口和双流体喷射阀导液管相通。（c）控制模块，它具有气动和液动控制信号输入/输出口，分别与液动和气动模块控制信号输入/输出口连通，它将控制信号通过端口传送至执行部件实现其控制功能。（d）双流体喷射阀，其可将液体材料施加至基板的预定位置上，它至少具有一气体输入口、一液体输入口和一喷嘴出口。

1）气动模块

所述气动模块依次设有高压气体源、空气干燥机、气源三联体、气体压力控制单元、气体流量控制单元以及气体电磁阀。

    高压气体源的输出口与空气干燥机的输入口连通，为系统提供了气体来源，保障工作介质的存在，高压气体由空气压缩机提供，气流稳定性较差，脉动明显，且含有水分等杂质。

    空气干燥机的输出口与气源三联体的输入口连通，通过加热装置使输入的高压气体中的湿分（一般指水分或其他可挥发性液体成分）汽化溢出，为下游设备提供干燥的高压气体。

    气源三联体的输出口与精密减压阀的输入口连通，它由过滤器、油雾器和减压阀三部分，将经过的、干燥的压缩气体中未汽化的液体，再降低压缩气体的压力，去除气体中的油雾及其它固态杂质，为下游设备提供纯净的气体。

    气体压力控制单元的输出口与质量流量控制器的输入口连通，包括一组精密减压阀及控制电路，能够进一步减小气体的压力值，调整并输出的压力值为所设定的恒定值，同时反馈输出压力给计算机，实现输出气体的稳压。

    气体流量控制单元的输出口与高频电磁阀的气体输入口连通，包括质量流量控制器及控制电路，能够利用流动中的流体与热源（流体中的加热物体或测量管外的加热物体）之间热量交换关系来测量气体的流量，并通过精密调节阀调节气体的流量值，实现微流量的、恒定的气流输出。

    气体电磁阀具有一气体输入口和一气体输出口，其气体输入口与气体流量控制单元相连，气体输出口与双流体喷射阀的气体入口相连，它的作用是控制高压气体的方向，实现连续供气和脉动供气。

2）液动模块

所述液动模块依次设有供液桶、低脉动蠕动泵、液体微流量控制单元、液体电磁阀。

    供液桶的输出口与低脉动蠕动泵的输入口连通，提供了连续的、不间断的纯净液体供给。

    低脉动蠕动泵的输出口与液体为流量单元的输入口连通，它包括两个以上泵头，各个泵头的滚轮夹角呈等角度交错分布，此结构能大幅度降低输出液体的脉动。多路液体从供液桶的同时流入多个泵头，经蠕动泵后单路液体流出到液动模块。行星轮结构的滚轮对输液软管挤压，在输入端负压迫使液体由供胶桶吸进软管，在输出端正压迫使液体流动。滚轮每两次挤压会使得液体发生脉动的流动，多泵头供液时滚轮间夹角较小，输出液体的脉动得到有效控制，实现了液体的流速稳定及压力恒定。

液体微流量控制单元的输出口与液体电磁阀的输入口连通，它包括电控比例阀和数字流量开关，实现液体连续流的通断动作。其中电控比例阀精密调节液体的流量至设定值，数字流量开关实现计算机对液体连续流的开启、关闭控制。

    液体电磁阀具有一液体输入口和一液体输出口，其液体输入口与微量液体控制单元相连构成，液体输出口与双流体喷射阀的液体入口相连，它的作用是控制液体的流动方向，实现连续供液和脉动供液。

3）双流体喷射阀

所述双流体喷射阀依次设有导气管、气针、导液管、阀体、喷嘴。

导气管的进气端与高频电磁阀的出气口连通，它将外部气动模块提供的恒定压力、微流量的气体向气针中输送，其输入端与高频电磁阀连接，输出端与气针连接。

气针进气端与导气管连通，它是一根等截面管，从双流体喷射阀的顶部插入阀体直至靠近喷嘴处；恒压、恒流的脉动气体从导气管流经气针进入气相和液相的阀体。气针的内径与喷射流体的液滴体积、气体的压力及流量等参数密切相关；气针末端与阀体侧壁的距离取决于流体的粘度、流体的润湿性、侧壁的粗糙度、侧壁的几何结构等流体特性参数。

导液管其液体输入端与单向阀液体输出口连通，将液动模块提供恒定压力、微流量的液体向阀体输送，其输入端与液体电磁阀连接，输出端与阀体连接。导液管与阀体的侧壁成一定夹角，以保证液体的流向朝喷嘴处，提供喷射液滴及推动气泡的压力。

阀体是双流体喷射阀的主体，金属材料加工而成；在内壁涂覆疏液薄膜，以降低液体与阀体的润湿力、增加液体的流动特性。阀体有三个出口与外部相通：a）顶部出口，与导气管连接，输入外部恒压、横流的压缩空气；b）侧壁出口，与导液管连接，输入外部恒压、横流的液体；c）底部出口，与喷嘴连接，输出段塞流的气泡和液滴。气针由阀体上部装入、气密性连接，阀体上部装有微调装置，可调整气针在阀体内的深度；喷嘴由阀体下部装入、气密性连接，阀体下部装有定位环，可调整气针末端的中心轴与喷嘴的中心轴重合。

喷嘴是内壁涂覆疏液薄膜的金属部件，通过外部的螺纹与阀体实现气密连接。脉动控制的气体切割连续的液体在喷嘴的内部附近区域形成气液两相的段塞流，具有一定动能的气泡和液滴从喷嘴内喷射出来，气泡在空气中破碎、液滴喷射在基板上。段塞流流型与喷嘴的材料及加工精度、内壁几何结构及粗糙度、喷嘴孔的形状及尺寸、喷嘴外部的形状及润湿性、气针末端与喷嘴内壁的距离等流体特性参数密切相关。

4）控制模块

所述控制模块依次设有人机交互界面、控制与通讯单元、气动控制单元、液动控制单元。

人机交互界面是本发明的信息输入与输出窗口，能够进行程序化、可视化操作，控制双流体喷射系统按照预设指令的运行。通用操作系统平台上开发的专用软件，能够实时显示及同步存储双流体喷射系统的设置、运行和输出的各个参数及其变化。

控制与通讯单元与人机交互界面实现实时数据的采集与通讯处理、反馈控制信号的实时输出、各个功能单元之间的协同控制等，包括数据采集卡、控制电路、通讯接口及协议等。

气动控制单元的信号输入/输出口与启动单元的控制信号输入/输出口信息完成气动模块的驱动及反馈控制、数据通讯，包括驱动电路、通讯接口等。气动控制单元开启，脉动的气体进入气针并在末端流出，压缩气体在液体中形成气泡；气动控制单元关闭，气针中气体不运动，液体中的气泡在惯性及液体挤压的共同作用下往喷嘴运动。这种周而复始的连续液体和脉动气体的混合流动在喷嘴附近区域产生气泡、液滴间隔的段塞流现象。

液动控制单元完成液动模块的驱动及反馈控制、数据通讯，包括驱动电路、通讯接口等。精确控制微流量、恒定压力、无脉动的液体连续输入阀体与气体混合，满足形成持续的气液两相段塞流实现液体喷射过程的连续、可控。改变液体的流量和压力，以符合气体的脉动频率、流量和压力，可以控制两相段塞流中气泡、液滴的尺寸、得到纳升级的微量体积液滴。 

    一种双流体喷射系统的喷射原理：

    气液两相流各自以连续的流型进入细长管，根据不同的流速比两相流在细长管中呈现出不同的流型，如图1所示（气液两相流流型图）。从流型图中可知，当气相和液相的流速在一定的范围内，细长管中将会出现段塞流流型，即：液滴和气泡沿着细长管呈现出等间距的间隔分布，气泡中没有液滴、液滴中也没有气泡。因此，通过调节气相和液相的流速比或流量比，可以在细长管中形成气液段塞流流型；精确控制间隔液滴的气体体积和频率就能够改变细长管中气泡和液滴的长度（体积）及数量。

一种双流体喷射系统的喷射方法：

连接并调试好系统各个功能模块，准备双流体喷射。开机设置气动控制模块的电磁阀通断频率、气体压力及流量、液体流量等工艺参数；将所需喷射的液体进行适当的、必要的预处理（如：脱泡、分离等），放进储液桶中；开启低脉动蠕动泵，将液体输送至阀体直至其充满；开启高压气体阀门，导入压缩空气进入气针；气体从气针中喷出进入并切断液体的连续流动，在阀体前端形成段塞流；气泡以一定速率推动液滴从喷嘴中喷出。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种双流体喷射系统，包括气动模块、液动模块、控制模块、双流体喷射阀，其特征在于：所述控制模块通过气动模块连接控制双流体喷射阀的气管，并通过液动模块连接控制双流体喷射阀的液管。

    所述气动模块为系统提供了气体来源，保障工作介质的存在；所述气动模块的结构是：一个高压气体源依次连接一个空气干燥机、一个气源三联体、一个气体压力控制单元、一个气体流量控制单元和一个气体电磁阀，气动模块中的气体压力控制单元和气体流量控制单元具有控制信号输入/输出端口并与控制模块中的气动控制单元相连，气体电磁阀的气体输出端口与双流体喷射阀的进气口相连。

    所述液动模块为体统提供了液体来源，保障工作介质的存在；所述液动模块的结构是：一个供液桶依次连接一个低脉动蠕动泵、一个微流量控制单元和一个液体电磁阀，液动模块中的微流量控制单元和低脉动蠕动泵均具有控制信号输入/输出端口并与控制模块的液动控制单元相连，液体电磁阀液体输出端口与双流体喷射阀的进液口相连。

    所述控制模块向气动模块和液动模块发送控制信号，控制其气体和液体的流量和压力；所述控制模块的结构是：一个人机交互界面通过一个控制与通讯单元连接一个气动控制单元和一个液动控制单元，气动控制单元和液动控制单元均设有控制信号输入/输出端口，分别与气动模块和液动模块的控制信号输入/输出端口相连。

    所述双流体喷射阀包括气管、液管、阀体、混合腔、喷嘴；气管为等截面圆管，其外径小于液管内径，气管末端穿过液管直接插入混合腔；双流体喷射阀混合腔具有一楔形的收敛结构，其收敛角不大于35°；所述喷嘴是毫米或微米或纳米量级；所述双流体喷射阀将液体材料喷射至一基板上。

    所述控制模块分别与气动模块和液动模块相连，能精确控制液体和液体的压力和流量，通过调节气液流速比或流量比，实现液点大小和喷射平率的精确控制，同时也能实现雾喷。

   本发明与现有的技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：

1）采用双流体喷射的方法，根据两相流在一定的流速范围内细长管中将会出现气相和液相的段塞流流型，实现高一致性、微体积量的液滴喷射；没有利用现有的机械式喷射点胶结构，无机械喷针与阀体基座碰撞导致的机械磨损，极大的提高了喷射点胶设备的使用寿命，降低了设备的研制、制造和维护成本。

2）利用气体在连续流体中的运动特性以及气体可压缩的性质，通过调节液体和气体的流量和压力，得到气液两相流的段塞流流型，进而精确控制段塞流气泡、液滴各自的尺寸和喷射频率，极大简化了液体喷射的实现途径。

3）采用压力精密控制单元和微流量控制单元得到气体、液体的恒压、恒流，通过调整工艺参数实现液滴喷射的频率可控、体积可控，得到纳升级的微量体积液滴，解决喷射液体的微型化、高一致性、无卫星点、快速响应、可控性好等技术难题。

4）采用本发明的双流体喷射方法适用于低粘度或高粘度的流体，流体材料的选择多：气体-液体、液体-液体、气体-气体、气体-其它流体（如：粉体浆料）、液体-其它流体等不同组分的双流体喷射，在半导体薄膜制备、复合材料制备、电子封装、MEMS系统、喷墨、喷涂、粉末冶金、生物医药、食品加工、焊接、快速原型制造、燃烧、化工、发动机等领域的多流体喷射工艺中得到推广及应用。

附图说明：

图1一种双流体喷射系统框图。

图2双流体喷射系统气动模块系统框图。

图3 双流体喷射系统液动模块系统框图。

图4 双流体喷射系统控制模块系统框图。

图5一种双流体喷射系统原理图。

图6双流体喷射系统结构示意图。

图7 双流体喷射系统操作流程图。

图8微通道中气液两相流的流型图。

具体实施方式

本发明的优选实例结合附图说明如下：

    实施例一：参照图1，本双流体喷射系统包括气动模块（1）、液动模块（2）、控制模块（3）、双流体喷射阀（4）。气动模块（1）和液动模块（2）的控制信号输入/输出端口分别与控制模块（3）相连，其输出气体和液体的流量和压力均受控制模块（3）的控制，且气动模块（1）和液动模块（2）的工作介质输出口分别与双流体喷射阀（4）的气体、液体进口相连，该系统实现液体材料的喷射。

    实施例二：参照图1和图2，本实施例与实施例一基本相同，特别之处是所述气动模块（1）为双流体喷射系统的子系统，依次设有高压气体源（10）、空气干燥机（11）、气源三联体（12）、气体压力控制单元（13）、气体流量控制单元（14）、气体电磁阀（15），各元器件之间均有φ6—M5的快插接头和φ6的软管连接，该子系统实现工作介质——气体的供给。

实施例三：参照图1和图3，本实施例与实施例一基本相同，特别之处是所述液动模块（2）为双流体喷射系统的子系统，依次设有供液桶（24）、低脉动蠕动泵（23）、微流量控制单元（22）、液体电磁阀（21），各元器件之间均有φ6—M5的快插接头和φ6的软管连接，该子系统实现工作介质——液体的供给。

实施例四：参照图1和图4，本实施例与实施例一基本相同，特别之处是所述控制模块（3）为双流体喷射系统的子系统，依次设有人机交互界面（31）、控制与通讯单元（32）、气动控制单元（33）、液动控制单元（34），人机交互界面（31）与控制与通讯单元（32）相连，该子系统实现对气动模块（1）和液动模块（2）中气体和液体压力和流量的精确控制，从而实现对喷射液点直径的精确控制。

实施例五：参照图1和图5，本实施例与实施例一基本相同，特别之处是所述双流体喷射阀（4）为双流体喷射系统的子系统，包括气管（40）、液管（41）、阀体（42）、混合腔（43）、喷嘴（44），气管（40）为等截面圆管，其外径小于液管（41）内径，气管（40）末端穿过液管（41）直接插入混合腔（43）。双流体喷射阀（4）混合腔（43）具有一楔形的收敛结构，其收敛角不大于35°，所述喷嘴是毫米或微米或纳米量级，该子系统实现将液体材料喷射至一基板（5）上。

实施例六：参照图1、2、3、4和5，本实施例与实施例一基本相同，并综合实施例二、三、四、五的特点，将双流体喷射系统各子系统集成，系统原理图如图6所示，实现了系统的总体功能；按照图7的控制流程图实现系统的参数设定、完成胶液喷射的精确运动控制；通过调节气动模块（1）和液动模块（2）中气体和液体的流量和压力工艺参数，以实现点状喷射，喷射点一致性好，且无任何卫星点，体积大小达到纳升量级；通过调节气动模块（1）和液动模块（2）中气体和液体的流量和压力工艺参数，以实现雾状喷射，喷射点一致性好，特别适应于微电子封装中芯片包敷、围坝等大面积涂敷工艺；通过调节气动模块（1）和液动模块（2）中气体和液体的流量和压力工艺参数，可实现微通道中各种流态，以实现图8中不同流态：气泡流、段塞流、柱塞-环状流、环状流以及混流的参数控制。

Claims (6)

1.一种双流体喷射系统，包括气动模块（1）、液动模块（2）、控制模块（3）、双流体喷射阀（4），其特征在于：所述控制模块（3）通过气动模块（1）连接控制双流体喷射阀（4）的气管（40），并通过液动模块（2）连接控制双流体喷射阀（4）的液管（41）。

2.根据权利要求1所述的一种双流体喷射系统，其特征在于所述气动模块（1）为系统提供了气体来源，保障工作介质的存在；所述气动模块（1）的结构是：一个高压气体源（10）依次连接一个空气干燥机（11）、一个气源三联体（12）、一个气体压力控制单元（13）、一个气体流量控制单元（14）和一个气体电磁阀（15），气动模块（1）中的气体压力控制单元（13）和气体流量控制单元（14）具有控制信号输入/输出端口并与控制模块（3）中的气动控制单元（33）相连，气体电磁阀（15）的气体输出端口与双流体喷射阀（4）的进气口相连。

3.根据权利要求1所述的一种双流体喷射系统，其特征在于所述液动模块（2）为系统提供了液体来源，保障工作介质的存在；所述液动模块（2）的结构是：一个供液桶（24）依次连接一个低脉动蠕动泵（23）、一个微流量控制单元（22）和一个液体电磁阀（21），液动模块（2）中的微流量控制单元（22）和低脉动蠕动泵（23）均具有控制信号输入/输出端口并与控制模块（3）的液动控制单元（34）相连，液体电磁阀（21）液体输出端口与双流体喷射阀（4）的进液口相连。

4.根据权利要求1所述的一种双流体喷射系统，其特征在于所述控制模块（3）向气动模块（1）和液动模块（2）发送控制信号，控制其气体和液体的流量和压力；所述控制模块（3）的结构是：一个人机交互界面（31）通过一个控制与通讯单元（32）连接一个气动控制单元（33）和一个液动控制单元（34），气动控制单元（33）和液动控制单元（34）均设有控制信号输入/输出端口，分别与气动模块（1）和液动模块（2）的控制信号输入/输出端口相连。

5.根据权利要求1所述的一种双流体喷射系统，其特征在于所述双流体喷射阀（4）包括气管（40）、液管（41）、阀体（42）、混合腔（43）、喷嘴（44）；气管（40）为等截面圆管，其外径小于液管（41）内径，气管（40）末端穿过液管（41）直接插入混合腔（43）；双流体喷射阀（4）混合腔（43）具有一楔形的收敛结构，其收敛角不大于35°；所述喷嘴是毫米或微米或纳米量级；所述双流体喷射阀（4）将液体材料喷射至一基板（5）上。

6.根据权利要求1所述的一种双流体喷射系统，其特征在于所述控制模块（3）分别与气动模块（1）和液动模块（2）相连，能精确控制液体和液体的压力和流量，通过调节气液流速比或流量比，实现液点大小和喷射频率的精确控制，同时也能实现雾喷。

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