CN102962170A - 压电驱动膜片式高温热熔微喷点胶装置 - Google Patents

Abstract

压电驱动膜片式高温热熔微喷点胶装置，属于机械工程、微电子封装和微电子元器件制作技术领域。以压电陶瓷为驱动部件，推动驱动膜片变形挤压喷嘴腔内的微喷材料，使流体压力急剧变化而规律性喷出，形成微滴点胶。通过计算机信号驱动压电陶瓷，能够精确控制微滴点胶的产生。通过加热装置和温控系统调节微喷材料的温度以改变其粘度。将喷射机构和驱动机构独立设计分别安装在机架上，并在驱动机构和加热区之间隔热，减小压电陶瓷温度特性对装置加热温度的限制，使微喷材料能加热到较高温度。本发明装置推力大，产生微滴点胶尺寸小且精密可控，适用于高温度下低、高粘度微喷材料，在微电子封装、微型光学元器件制作领域具有极大的应用和发展前景。

Description

压电驱动膜片式高温热熔微喷点胶装置

技术领域

本发明涉及一种微喷点胶装置，特别是一种压电驱动膜片式高温热熔微喷点胶装置。属于机械工程、微电子封装和微电子元器件制作技术领域。

背景技术

人们对电子产品精密化、小型化要求的逐渐提高，推动着半导体芯片制造技术和微电子封装工艺不断发展。在微电子封装中，焊球阵列制作和封装用流体材料的微量精确分配是在追求电子产品体积小、重量轻的前提下又能保证芯片良好的散热和抗振性的关键。这些流体主要包括表面贴装胶、焊膏、助焊剂、UV胶、银浆、润滑剂、环氧树脂，其粘度值范围很大。

在光纤，发光二极管、显示阵列、光开关、和液晶平板显示器的生产工艺过程中，最关键的技术就是制作与这些光学器件相适应的微米级透镜阵列，这对光学系统的微型化和集成化起着决定性的作用。传统的基于刻蚀的微加工属于减法加工，对材料有很大程度的浪费，其工艺流程复杂，成本高而且工艺对掩模的依赖程度非常高。基于微喷的点胶技术可通过产生微米级的微滴点胶实现微量流体的精确分配，这为制作微米级透镜阵列提供很好的方法。其属于非接触式直写工艺，工艺简单、材料利用率高。与先进数控技术结合，可通过计算机技术控制制作复杂的三维微结构。

目前的微喷点胶装置中，多采用热气泡式、气压驱动式、电磁式和机械振动式。其中，热气泡式微喷点胶装置一般用于喷射加热易产生气泡的材料，如喷墨式打印机，不适合在材料本身需加热或高粘度流体中应用。电磁式不适合非导电的微喷材料，而且研制成的点胶装置结构复杂，成本高。已有技术中，专利公开号为CN 101623678A，名称为“一种气动膜片式微滴喷射方法及装置”的发明专利是采用气压驱动，虽然很好地避免了压电陶瓷对加热温度的限制，但是气压脉冲工作频率不高、驱动力小，而且驱动腔体积随着流体的喷射而变化，难以精确控制微滴成形。专利公开号为CN 1562398A，名称为“一种优化的压电驱动微喷点胶装置及其加工方法”的发明专利是将压电片直接粘结在弹性膜腔表面形成压电换能器进行微滴喷射。在该装置中，压电陶瓷与工作腔之间没有隔热措施，工作腔的温度可直接传导到压电陶瓷上，由于压电陶瓷温度特性的限制，该装置只能用于常温低粘度材料的微滴喷射。

发明内容

本发明针对现有技术中存在上述的不足，提出了一种压电驱动膜片式高温热熔微喷点胶装置，该微装置利用叠层式压电陶瓷作为驱动部件，通过推杆推动驱动膜片变形挤压喷嘴腔内的微喷材料，使微喷材料的流体压力急剧变化从而规律性喷出，形成微滴点胶。通过加热装置和温度自动控制系统可以调节微喷材料的温度以改变其粘度。将喷射机构和驱动机构独立设计分别安装在机架上，并在驱动机构和加热区之间使用高温隔热板进行隔热，可以减小压电陶瓷温度特性对装置加热温度的限制，使微喷材料能够加热到较高温度。而压电陶瓷工作时能提供很大的推力，所以微喷点胶装置对低粘度和高粘度的材料都适用。

本发明包括储料机构、喷射机构、驱动机构和机架。其中储料机构包括气接头、储料腔端盖、密封圈、储料腔、加热圈、隔热套。气接头与储料腔端盖上端螺纹连接，通过气接头可对储料腔提供气压，作为供料背压。储料腔端盖下端通过螺纹与储料腔上端连接，微喷材料置于储料腔内，储料腔底部加工成锥状，有利于微喷材料的汇聚和供给。储料腔端盖内加工有密封沟槽，密封圈安装在密封沟槽内，以保证储料腔在高温环境下达到良好的密封效果。加热圈套装在储料腔的外壁，可对储料腔里的微喷材料进行熔融和初步加热。隔热套封装在加热圈外围以减少加热圈的热损失，同时也起到安全保护作用。

喷射机构包括两根加热棒、热电偶、基座、驱动膜片、膜片紧压件。基座是用不锈钢材质制成的方形体结构，储料腔下端通过螺纹连接安装到基座内。从基座左端面向内加工供料流道，供料流道沿轴方向有倾角，这样有利于微喷材料的供给。在基座与储料腔的安装端面上加工与储料腔底端内孔大小一致的流道，使储料腔与供料流道连通。供料流道左端通过螺纹安装热电偶，热电偶的测温探针插到供料流道内直接与微喷材料接触以测量微喷材料的温度。在基座右端内加工有喷嘴腔，喷嘴腔上端直径大，下端直径小呈锥状，其底部加工有微喷孔。微喷材料在喷嘴腔内通过微喷孔进行微喷点胶。基座内在供料流道前后两侧分别加工有安装加热棒的深孔，加热棒安装在深孔内。加热棒为供料流道内的微喷材料加热，配合热电偶的温度反馈对供料流道和喷嘴腔内微喷材料进行温度自动控制。由于喷嘴腔呈锥状，不仅使驱动膜片有足够大的自由振动半径，而且有利于微喷材料的流体压力和动量在微喷孔处汇聚。喷嘴腔内壁光滑，以减小驱动压力损失。喷嘴腔左侧加工有节流深孔，节流深孔将供料流道与喷嘴腔连通。节流深孔具有很大的深径比，以降低驱动膜片产生的微喷材料的流体压力损失。驱动膜片和膜片紧压件安装在喷嘴腔的上端面，膜片紧压件为阶梯环状，其轴肩上加工有螺钉孔，使用螺钉将膜片紧压件固定在基座内，膜片紧压件下端面紧压在驱动膜片上，保证驱动膜片在工作时的定位和压紧。驱动膜片与喷嘴腔的接触面使用液态密封垫密封。驱动膜片为不锈钢材质，不锈钢良好的机械性能和高延伸性可满足驱动膜片在温度较高的环境下高频率往复振动的工作要求。喷嘴腔右侧上端面加工有排气孔，通过排气孔可将喷嘴腔的空气完全排除，避免残余气体对微喷点胶效果的影响。

驱动机构包括推杆、压电陶瓷定位件、压电陶瓷、紧固螺钉、压电陶瓷安装座、复位弹簧、锁紧螺钉、压电陶瓷连接件、微调器安装件、微调器。压电陶瓷为采用机械封装的叠层式压电陶瓷，下端是振动自由端，通过螺纹与推杆连接。压电陶瓷是微喷点胶装置的驱动部件，其通过推杆推动驱动膜片，驱动膜片变形挤压喷嘴腔使微喷材料的流体压力增大，当流体压力增大到足以克服粘性阻力和表面张力时，微滴点胶喷射成形。压电陶瓷上端通过螺纹与压电陶瓷连接件28连接，压电陶瓷连接件安装到压电陶瓷安装座内。压电陶瓷安装座内加工有柱状腔体，与压电陶瓷连接件间隙配合，压电陶瓷连接件沿柱状腔体上下滑动。压电陶瓷连接件为阶梯轴状，其下端伸入复位弹簧内。通过微调器、复位弹簧可以精确地调节压电陶瓷在竖直方向上的初始位置，即调节推杆对驱动膜片的预压，微调器通过微调器安装件安装在压电陶瓷安装座的顶部。压电陶瓷定位件套装在压电陶瓷的下端与压电陶瓷间隙配合。当压电陶瓷竖直方向上调节到合适的初始位置后，通过紧固螺钉拧紧将压电陶瓷夹持定位。

基座、压电陶瓷定位件和压电陶瓷安装座均固装在机架上。微喷点胶装置中，储料机构、喷射机构为加热区，驱动机构为非加热区。第一隔热板粘结安装在基座上端面，第二隔热板粘结安装在基座与机架之间进行隔热。机架上加工有螺纹孔，可将微喷点胶装置安装到三轴控制平台上进行微喷点胶工作。

本发明装置的微喷点胶工作原理为：使用计算机产生压电陶瓷的控制信号，信号通过压电陶瓷驱动电源进行数/模转换和功率放大形成能够驱动压电陶瓷的电压控制信号。压电陶瓷在信号的控制下进行高频振动，通过推杆推动驱动膜片，驱动膜片变形挤压喷嘴腔使微喷材料的流体压力增大，当驱动膜片变形复位时，喷嘴腔内流体压力减小至负压，这样压电陶瓷的高频率往复振动使喷嘴腔内流体压力急剧变化从而使微喷材料规律性喷射形成点胶。

微喷点胶装置一个微滴点胶产生的过程分成四个阶段：

第一阶段：控制信号电压处于零位，压电陶瓷无正向位移；此时微喷孔处流体受力平衡，处于静态稳定状态，由于表面张力作用微喷孔处液面向内凹陷；

第二阶段：信号电压增大，压电陶瓷产生正向位移；此时驱动膜片变形挤压喷嘴腔使微喷材料的流体压力增大而打破受力平衡状态，液面向外凸出变形。

第三阶段：电压继续增大达到峰值，喷嘴腔内微喷材料的流体压力达到最大，微喷材料压出微喷孔，微滴基本成形。

第四阶段：电压逐渐减小至0伏，压电陶瓷和驱动膜片变形复位；喷嘴腔内瞬间产生负压，微喷孔处液面回拉，微滴在颈部的上下两部分受到反向作用力，下端部分分裂并喷射出去形成微滴点胶。上端液面重新回到平衡状态准备下一个微喷点胶过程。

本发明的有益效果：

本发明采用压电陶瓷作为驱动部件，压电陶瓷通过推杆推动驱动膜片变形挤压喷嘴腔，使微喷材料的流体压力急剧变化从而使微喷材料规律性喷射形成点胶。压电陶瓷由计算机信号精确控制，而微滴点胶的产生完全由压电陶瓷驱动，所以使用计算机能够精确控制微滴点胶的产生。通过加热装置和温度自控系统调节微喷材料的温度以改变其粘度。将喷射机构和驱动机构独立设计分别安装在机架上，并在驱动机构和加热区之间隔热，减小压电陶瓷温度特性对装置加热温度的限制，使微喷材料能够加热到较高温度；本发明装置推力大，产生微滴点胶尺寸小，频率高且精密可控，适用于高温度下低、高粘度微喷材料，在微电子封装、微型光学元器件制作领域具有极大的应用和发展前景。

附图说明

图1为本发明微喷点胶装置内部结构示意图；

图2为本发明微喷点胶装置外形结构示意图；

图3为本发明微喷点胶装置工作过程示意图。

图中1气接头、2储料腔端盖、3密封圈、4储料腔、5加热圈、6微喷材料、7隔热套、8第一隔热板、9加热棒、10热电偶、11第二隔热板、12基座、13供料流道、14节流深孔、15微喷孔、16喷嘴腔、17排气孔、18驱动膜片、19膜片紧压件、20推杆、21压电陶瓷定位件、22压电陶瓷、23机架、24紧固螺钉、25压电陶瓷安装座、26复位弹簧、27锁紧螺钉、28压电陶瓷连接件、29微调器安装件、30微调器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施做进一步描述：

如图1、图2、图3所示，本发明包括储料机构、喷射机构、驱动机构和机架。其中储料机构包括气接头1、储料腔端盖2、密封圈3、储料腔4、加热圈5、隔热套7。气接头1与储料腔端盖2上端螺纹连接，通过气接头1可对储料腔4提供气压，作为供料背压。储料腔端盖2下端通过螺纹与储料腔4上端连接，微喷材料6置于储料腔4内，储料腔4底部加工成锥状，有利于微喷材料6的汇聚和供给。储料腔端盖2内加工有密封沟槽，密封圈3安装在密封沟槽内，以保证储料腔4在高温环境下达到良好的密封效果，密封圈3采用氟橡胶材质。加热圈5套装在储料腔4的外壁，可对储料腔4里的微喷材料6进行熔融和初步加热。隔热套7封装在加热圈5外围以减少加热圈5的热损失，同时也起到安全保护作用。

喷射机构包括两根加热棒9、热电偶10、基座12、驱动膜片18、膜片紧压件19。基座12是用不锈钢材质制成的方形体结构，储料腔4下端通过螺纹连接安装到基座12内。从基座12左端面向内加工供料流道13，供料流道13沿轴方向有4~5度的倾角，这样有利于微喷材料6的供给。在基座12与储料腔4的安装端面上加工与储料腔4底端内孔大小一致的流道，使储料腔4与供料流道13连通。供料流道13左端通过螺纹安装热电偶10，热电偶10的测温探针插到供料流道13内直接与微喷材料6接触以测量微喷材料6的温度。在基座12右端内加工有喷嘴腔16，喷嘴腔16上端直径大，下端直径小呈锥状，其底部加工有微喷孔15，微喷孔15直径为100微米到150微米，微喷材料6在喷嘴腔16内通过微喷孔15进行微喷点胶。基座12内在供料流道13前后两侧分别加工有安装加热棒9的深孔，加热棒9安装在深孔内。加热棒9为供料流道13内的微喷材料6加热，配合热电偶10的温度反馈对供料流道13和喷嘴腔16内微喷材料6进行温度自动控制。由于喷嘴腔16呈锥状，不仅使驱动膜片18有足够大的自由振动半径，而且有利于微喷材料6的流体压力和动量在微喷孔15处汇聚。喷嘴腔16内壁光滑，以减小驱动压力损失。喷嘴腔16左侧加工有直径为100微米到300微米的节流深孔14，节流深孔14将供料流道13与喷嘴腔16连通。节流深孔14具有很大的深径比，以降低驱动膜片18产生的微喷材料6的流体压力损失。驱动膜片18和膜片紧压件19安装在喷嘴腔16的上端面，膜片紧压件19为阶梯环状，其轴肩上加工有螺钉孔，使用螺钉将膜片紧压件19固定在基座12内，膜片紧压件19下端面紧压在驱动膜片18上，保证驱动膜片18在工作时的定位和压紧。驱动膜片18与喷嘴腔16的接触面使用液态密封垫密封。驱动膜片18为不锈钢材质，不锈钢良好的机械性能和高延伸性可满足驱动膜片18在温度较高的环境下高频率往复振动的工作要求。喷嘴腔16右侧上端面加工有排气孔17，通过排气孔17可将喷嘴腔16的空气完全排除，避免残余气体对微喷点胶效果的影响。

驱动机构包括推杆20、压电陶瓷定位件21、压电陶瓷22、紧固螺钉24、压电陶瓷安装座25、复位弹簧26、锁紧螺钉27、压电陶瓷连接件28、微调器安装件29、微调器30。压电陶瓷22为采用机械封装的叠层式压电陶瓷，下端是振动自由端，通过螺纹与推杆20连接。压电陶瓷22是微喷点胶装置的驱动部件，其通过推杆20推动驱动膜片18，驱动膜片18变形挤压喷嘴腔16使微喷材料6的流体压力增大，当流体压力增大到足以克服粘性阻力和表面张力时，微滴点胶喷射成形。压电陶瓷22上端通过螺纹与压电陶瓷连接件28连接，压电陶瓷连接件28安装到压电陶瓷安装座25内。压电陶瓷安装座25内加工有柱状腔体，与压电陶瓷连接件28间隙配合，压电陶瓷连接件28沿柱状腔体上下滑动。压电陶瓷连接件28为阶梯轴状，其下端伸入复位弹簧26内。通过微调器30、复位弹簧26可以精确地调节压电陶瓷22在竖直方向上的初始位置，即调节推杆20对驱动膜片18的预压，微调器30通过微调器安装件29安装在压电陶瓷安装座25的顶部。压电陶瓷定位件21套装在压电陶瓷22的下端与压电陶瓷22间隙配合。当压电陶瓷22竖直方向上调节到合适的初始位置后，通过紧固螺钉24拧紧将压电陶瓷22夹持定位。

基座12、压电陶瓷定位件21和压电陶瓷安装座25均固装在机架23上。微喷点胶装置中，储料机构、喷射机构为加热区，驱动机构为非加热区。第一隔热板8粘结安装在基座12上端面，第二隔热板11粘结安装在基座12与机架23之间进行隔热，第一隔热板8与第二隔热板11均采用导热率为0.08W/m·k的玻璃纤维材质，其导热率是不锈钢的1/200，可以起到很好的隔热效果。机架23上加工有螺纹孔，可将微喷点胶装置安装到三轴控制平台上进行微喷点胶工作。

本发明装置的微喷点胶工作原理为：使用计算机产生压电陶瓷22的控制信号，信号通过压电陶瓷驱动电源进行数/模转换和功率放大形成能够驱动压电陶瓷22的电压信号。压电陶瓷22在电压信号的控制下进行高频振动，通过推杆20推动驱动膜片18，驱动膜片18变形挤压喷嘴腔16使微喷材料6的流体压力增大，当驱动膜片18变形复位时，喷嘴腔16内流体压力减小至负压，这样压电陶瓷22的高频率往复振动使喷嘴腔16内流体压力急剧变化从而使微喷材料6规律性喷射形成点胶。

微喷点胶装置一个微滴点胶产生的过程分成四个阶段：

第一阶段：控制信号电压处于零位，压电陶瓷22无正向位移；此时微喷孔15处流体受力平衡，处于静态稳定状态，由于表面张力作用微喷孔15处液面向内凹陷；

第二阶段：信号电压增大，压电陶瓷22产生正向位移；此时驱动膜片18变形挤压喷嘴腔16使微喷材料6的流体压力增大而打破受力平衡状态，液面向外凸出变形。

第三阶段：电压继续增大达到峰值，喷嘴腔16内微喷材料6的流体压力达到最大，微喷材料6压出微喷孔15，微滴基本成形。

第四阶段：电压逐渐减小至0伏，压电陶瓷22和驱动膜片18变形复位；喷嘴腔16内瞬间产生负压，微喷孔15处液面回拉，微滴在颈部的上下两部分受到反向作用力，下端部分分裂并喷射出去形成微滴点胶。上端液面重新回到平衡状态准备下一个微喷点胶过程。

Claims (4)

1.一种压电驱动膜片式高温热熔微喷点胶装置，包括储料机构、喷射机构、驱动机构和机架，其特征在于：储料机构包括气接头（1）、储料腔端盖（2）、密封圈（3）、储料腔（4）、加热圈（5）、隔热套（7），气接头（1）与储料腔端盖（2）上端螺纹连接，储料腔端盖（2）下端通过螺纹与储料腔（4）上端连接，微喷材料（6）置于储料腔（4）内，储料腔（4）底部加工成锥状，储料腔端盖（2）内加工有密封沟槽，密封圈（3）安装在密封沟槽内，加热圈（5）套装在储料腔（4）的外壁，隔热套（7）封装在加热圈（5）外围；喷射机构包括两根加热棒（9）、热电偶（10）、基座（12）、驱动膜片（18）、膜片紧压件（19），基座（12）是用不锈钢材质制成的方形体结构，储料腔（4）下端通过螺纹连接安装到基座（12）内，从基座（12）左端面向内加工供料流道（13），供料流道（13）沿轴方向倾斜，在基座（12）与储料腔（4）的安装端面上加工与储料腔（4）底端内孔大小一致的流道，储料腔（4）与供料流道（13）连通，供料流道（13）左端通过螺纹安装热电偶（10），热电偶（10）的测温探针插到供料流道（13）内，在基座（12）右端内加工有喷嘴腔（16），喷嘴腔（16）上端直径大，下端直径小呈锥状，其底部加工有微喷孔（15），基座（12）内在供料流道（13）前后两侧分别加工有深孔，加热棒（9）安装在深孔内，喷嘴腔(16)左侧加工有节流深孔(14)，供料流道(13)通过节流深孔(14)与喷嘴腔(16)连通，驱动膜片(18)和膜片紧压件(19)安装在喷嘴腔(16)的上端面，膜片紧压件(19)为阶梯环状，其轴肩上加工有螺钉孔，使用螺钉将膜片紧压件(19)固定在基座(12)内，膜片紧压件(19)下端面紧压在驱动膜片(18)上，喷嘴腔(16)右侧上端面加工有排气孔(17)；驱动机构包括推杆(20)、压电陶瓷定位件(21)、压电陶瓷(22)、紧固螺钉（24）、压电陶瓷安装座(25)、复位弹簧(26)、锁紧螺钉(27)、压电陶瓷连接件(28)、微调器安装件(29)、微调器(30)，压电陶瓷(22)下端是振动自由端，通过螺纹与推杆(20)连接，压电陶瓷(22)上端通过螺纹与压电陶瓷连接件(28)连接，压电陶瓷连接件(28)安装在压电陶瓷安装座(25)内，压电陶瓷安装座(25)内加工有柱状腔体，与压电陶瓷连接件(28)间隙配合，压电陶瓷连接件(28)沿柱状腔体上下滑动，压电陶瓷连接件（28）为阶梯轴状，其下端伸入复位弹簧（26）内，微调器（30）通过微调器安装件（29）安装在压电陶瓷安装座（25）的顶部，压电陶瓷定位件（21）套装在压电陶瓷（22）的下端与压电陶瓷（22）间隙配合；基座（12）、压电陶瓷定位件（21）和压电陶瓷安装座（25）均固装在机架（23）上，第一隔热板（8）粘结安装在基座（12）上端面，第二隔热板（11）粘结安装在基座（12）与机架（23）之间。

2.根据权利要求1所述的压电驱动膜片式高温热熔微喷点胶装置，其特征是所述的压电陶瓷（22）是采用机械封装的叠层式压电陶瓷，驱动膜片（18）与喷嘴腔（16）的接触面采用液态密封垫密封。

3.根据权利要求1所述的压电驱动膜片式高温热熔微喷点胶装置，其特征是所述的密封圈（3）采用氟橡胶材质，驱动膜片（18）采用不锈钢材质，第一隔热板（8）与第二隔热板（11）均采用导热率为0.08W/m·k的玻璃纤维材质。

4.根据权利要求1所述的压电驱动膜片式高温热熔微喷点胶装置，其特征是所述的供料流道（13）沿轴方向的倾斜角为4~5度，微喷孔（15）直径为100微米到150微米，节流深孔（14）的直径为100微米到300微米。

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