CN103316791A - 多点集成微点雾喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多点集成微点雾喷射装置。它包括双流体点雾喷射模块，控制模块和检测模块，双流体点雾喷射模块包括上部腔体、开口于上部腔体的注入导管阵列、中部腔体、下部基板、开孔于下部基板的输出导管阵列，以及开口于上部腔体的推液气体输入管、液体输入管和开口于中部腔体的注气气体输入管。控制模块包括气源、液源、控制中心、推液调压阀、注气调压阀和流控阀以及相关的连接管线和控制信号线。检测模块包括检测与反馈单元。本发明根据微管道内的微射流流动的失稳机制及微管内三相接触的特殊性，利用液滴形成的周期性和可控性等特点使得高频率、高精度的点喷、雾喷效果得以保障，同时采用多管集成的方式，获得大面积喷射效果，大大提高了生产的效率。本发明可以应用于粉末冶金、喷墨、喷涂、喷胶、焊接、快速成形等液体射流喷射工艺。

Description

多点集成微点雾喷射装置

技术领域

本发明涉及一种多点集成微点雾喷射装置。它能够产生高频率、高精度和可控的大面积液点、雾化喷射效果，可以广泛应用于粉末冶金、电子封装中的多芯片封装、大规模集成电路封装，以及发动机燃油喷嘴等领域。

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(metal injection molding，MIM)、热喷涂(thermal spraying，TS)、金属快速成形(metal rapid prototyping，MRP)、表面贴装(surface mount technology，SMT)等技术更是得到蓬勃的发展。

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。

随着半导体薄膜制造技术的微型化、集成化而不断发展，电子封装技术作为当今半导体制造产业的一个重要组成部分，目前已呈现出高密度、高效率、低成本的发展趋势。在电子封装领域中，胶液分配技术是关键技术之一，广泛应用于芯片贴装、芯片包敷、导热硅胶填充、芯片与基板互连等工艺中。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（US 2006/0157517）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。

针对以上的两个领域的问题，我们提出并实现了《气泡注入式微点、雾双喷装置》并于2011年获得了授权（专利号ZL 2009 1 0048328.Ⅹ）。我们的装置很容易实现雾喷效果，也获得了非常高速、高频、高精度的点喷效果，点喷的一致性、无拖尾、无卫星液点、无回缩流动、点内无气泡的诸多优点都很好的实现，远超出了预期设计的结果。

但是，对于单管的喷射，因为其管道为毫米及以下量级，导致出流流量很小，约为每秒毫升以下量级，因此其生产的效率非常低。就芯片水平来看，下一阶段的封装技术发展呈单芯片向多芯片发展的趋势，相对于单芯片封装而言，多芯片封装是直接把多个裸芯片安装在多层高密度互连衬底上，然后一起密封起来，封装外壳与电路板的连接与其它外壳相同。多芯片封装比起单芯片封装来允许芯片与芯片之间靠得更近，因此对于胶液分配技术来说，单次喷射的面积也要求更大，伴随着多芯片封装的发展趋势，大面积胶液涂敷将是下一阶段胶液分配技术的发展方向；而对粉末冶金而言，雾化粉末生成的效率也是至关重要的问题；特别在存在冷却问题的喷射过程中，不仅需要点、雾化液点高产出率，工件生产的时间同时也是生成材质，如晶格结构、薄膜致密度等性能的关键因素。为此，本发明就是从已有工作的基础上，重点考虑到效率等问题，采用多管阵列集成的方式，获得了本申请的《多点集成微点雾喷射装置》。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种多点集成微点雾喷射装置。根据微管道内的微射流流动的失稳机制，利用液滴形成的周期性和可控性的特点使得高频率、高精度的点喷、雾喷效果得以保障，采用多管集成的方式，获得大面积喷射效果，大大提高了生产的效率。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明的多点集成微点雾喷射装置，具有双流体点雾喷射模块。

双流体点雾喷射模块包括上部腔体、中部腔体、下部基板。

上部腔体为一容纳气体和液体的容器,在其壁面上开孔接入推液气体输入管和液体输入管。其底部开有多孔，向下连接注入导管阵列。

中部腔体为一腔体，在其壁面上开孔接入注气气体输入管。其底部开有多孔，向下连接输出导管阵列。

下部基板为一实体，上接中部腔体，其上开有多孔，形成输出导管阵列。下部基板与开孔于其上的输出导管阵列可以直接由中部腔体伸出的针管陈列替代。

注入导管阵列为针管陈列，入口连接于上部腔体，实体穿过中部腔体，其出口插入输出导管阵列的入口收缩段。其导管管径尺寸为毫及以下量级。 

输出导管阵列入口位于中部腔体底部，与注入导管阵列存在相同的空间布局和对应关系。其在入口存在收缩段，收缩段以下为直管。其导管管径尺寸为毫米及以下量级。

本发明的多点集成微点雾喷射装置，具有控制模块。

控制模块包括气源、液源、控制中心、推液调压阀、注气调压阀和流控阀以及相关控制线路和气、液输送管路。

气源和液源分别提供了装置所需稳定的气体和液体供应，其中气体为驱动介质，液体为工作介质。

控制中心是装置的反馈数据分析处理和决策机构，对气源和液源、推液调压阀、注气调压阀和流控阀输入到双流体点、雾喷射模块的气体压力和液体流量进行实时调控。

推液调压阀用以调节气源输入到推液气体输入管的气体压力或者流量。

注气调压阀用以调节气源输入到注气气体输入管的气体压力或者流量。

流控阀用以调节液源输入到液体输入管的液体流量。

本发明的多点集成微点雾喷射装置，具有检测模块。

检测模块包括检测与反馈单元。

本发明的多点集成微点雾喷射装置，各模块之间相互连接。

控制模块通过推液调压阀、流控阀和注气调压阀分别连接推液气体输入管、液体输入管和注气气体输入管来向双流体点雾喷射模块输送气体和液体。

检测模块通过检测与反馈单元在上游连接双流体点雾喷射模块，收集双流体点雾喷射模块产生的流量、流态、液点频率等各种检测信息，再向下游连接控制模块，将信息反馈至控制模块的控制中心。

 

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种多点集成微点雾喷射装置，包括双流体点雾喷射模块，控制模块和检测模块，其特征在于：a).上述双流体点雾喷射模块包括上部腔体、中部腔体、下部基板三层，上述上部腔体底部开孔并在下方连接注入导管阵列，在侧壁开孔接通推液气体输入管和液体输入管；上述中部腔体在侧壁开孔连接注气气体输入管；上述下部基板上的开孔形成输出导管阵列。上述注入导管阵列和输出导管阵列均为上粗下细的漏斗形状并一一对应，注入导管阵列的导管细端穿过中部腔体并插入输出导管阵列的粗端收缩段；b).上述控制模块包括液源、气源、控制中心、推液调压阀、注气调压阀和流控阀以及相关控制线路和气、液输送管路，上述液源连接流控阀；气源分别连接推液调压阀和注气调压阀；控制中心通过控制信号线分别连接液源、气源、推液调压阀、注气调压阀和流控阀；c).上述检测模块包括检测与反馈单元； d).上述控制模块通过推液调压阀、流控阀和注气调压阀分别连接推液气体输入管、液体输入管和注气气体输入管来向双流体点雾喷射模块输送气体和液体；e).上述检测模块通过检测与反馈单元在上游连接双流体点雾喷射模块，收集双流体点雾喷射模块产生的流量、流态和液点频率检测信息，再向下游连接控制模块，将信息反馈至控制模块的控制中心。

所述的多点集成微点雾喷射装置，上述的输出导管阵列和注入导管阵列导管的管径尺寸均为毫米及毫米以下量级。

所述的多点集成微点雾喷射装置，上述下部基板与开孔于其上的输出导管阵列可直接由中部腔体伸出的针管陈列替代。

所述的多点集成微点雾喷射装置，上述控制中心和检测与反馈单元的功能可通过人工干预来实现。

上述控制中心通过调控推液调压阀、注气调压阀和流控阀来分别调节输入推液气体输入管、注气气体输入管的气流的输入量和注入液体输入管中液流的输入量，并对检测与反馈单元所反馈的信息实时信息进行处理，动态调控气体、液体的输入量。

上述由液体输入管流入的液流进入上部腔体，在由推液气体输入管施加的气流I压力作用下，所输入的液体经由开孔于上部腔体底部的注入导管阵列向位于下部基板的输出导管阵列流动；由注气气体输入管输入的气流进入中部腔体之后，经下部基板上的输出导管阵列也同时向输出导管阵列出口方向流动，两股流动在输出导管阵列收缩段及其下游处相遇，形成两相流动。

上述由注入导管阵列注入的液体与由输出导管阵列入口输入的气体在控制中心的调控下，在输出导管阵列的管道中会形成不同的流型，包括环形流动、混合流动、柱塞流动、同轴流动等，这些流型在输出导管阵列的导管出口对应不同的雾喷和点喷形态，在多管集成阵列下产生大面积、高效、可控的微液点、雾点喷射。

 

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：

本发明和《气泡注入式微点、雾双喷装置》（专利号ZL 2009 1 0048328.Ⅹ）所采用的原理相近，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、液体在受限微管道中的流动稳定性以及流型产生的各因素及特点，采用区别于传统方式的新方法来产生液点，大大简化了点喷、雾喷实现的途径，也大大提高了产生液点、雾点的品质，同时采用多管集成的结构，也极大地提高了生产效率。

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。

本发明装置实现点喷、雾喷的切换非常简单，只需喷射的流动参数，极大的简化了设备的研制、制造和维护成本。

本发明具有封闭的信号回路，可以实现编程控制或者自动控制。

本发明是多点集成的设计，具有生产效率高的特点。

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，粉末冶金、喷墨、喷涂、喷膜、复合材料制备、生物医药、半导体薄膜制备、快速原型制造、喷胶、焊接和燃烧等等。

由此，采用本发明可获得高频率、高精度和高可控的点喷、雾喷效果，适用大面积、大流量的液体喷射过程，应用范围非常广泛，具有重要市场价值。   

附图说明

图 1液体注入式多点集成微点雾喷射装置结构示意图。

图 2气泡注入式多点集成微点雾喷射装置结构示意图。

实施案例

本发明的实施案例结合附图说明如下。

实施案例一:

参见图1，一种多点集成微点雾喷射装置，由双流体点雾喷射模块I，控制模块II和检测模块III三大部分组成。双流体点雾喷射模块I包括上部腔体12、中部腔体14、下部基板15。上部腔体12底部开孔并在下方连接注入导管阵列1，在侧壁开孔接入推液气体输入管10和液体输入管11；中部腔体14在侧壁开孔连接注气气体输入管6；下部基板15上的开孔形成输出导管阵列2。注入导管阵列1和输出导管阵列2均为上粗下细的漏斗形状并一一对应，注入导管阵列1的导管细端穿过中部腔体14并插入输出导管阵列2的粗端收缩段。控制模块II包括液源3、气源5、控制中心4、推液调压阀9、注气调压阀7和流控阀8以及相关控制线路和气、液输送管路。液源3连接流控阀8；分别连接推液调压阀9和注气调压阀7；控制中心4通过控制信号线分别连接液源3、气源5、推液调压阀9、注气调压阀7和流控阀8。检测模块III包括检测与反馈单元16。 

气源5和液源3提供的气体在由控制中心4调控的推液调压阀9、注气调压阀7和流控阀8控制下由注入推液气体输入管10、注气气体输入管6以及注入液体输入管11分别接入上部腔体12或中部腔体14；在推液气体输入管10施加的气体压力作用下，上部腔体12的液体经由开孔于上部腔体12底部的注入导管阵列1向位于下部基板15的输出导管阵列2流动；而由注气气体输入管6输入的气流进入中部腔体14之后，经下部基板15上的输出导管阵列2也同时向输出导管阵列2出口方向流动，两股流动在输出导管阵列2收缩段及其下游处相遇，并在输出导管阵列2形成微管中的两相流动，其流动信息由检测与反馈单元16检测并反馈给控制中心4，控制中心通过调节输入双流体点、雾喷射模块的流量和压力等参数，使得在输出导管阵列2出口处形成大面积的受控点喷射、雾喷射效果得以实现。

 

实施案例二:

参见图1和图2，一种多点集成微点雾喷射装置，同样由双流体点雾喷射模块I，控制模块II和检测模块III三大部分组成。对比图1和图2，图2的装置与案例一除了类似的部分外，还是存在较大差别的，主要表现在：工作介质和驱动介质的位置互换，即由液体输入管11将液体直接介入中部腔体14，而上部腔体12只接入气流；注入导管阵列1中的介质切换为气流，而进入输出导管阵列2的导管入口也被替换为液流，气流从管道中心位置注入输出导管，在输出导管阵列2的导管收缩段及其下游相遇，并在输出导管阵列2形成微管中的两相流动，其流动信息由检测与反馈单元16检测并反馈给控制中心4，控制中心通过调节输入双流体点、雾喷射模块的流量和压力等参数，使得在输出导管阵列2出口处形成大面积的受控点喷射、雾喷射效果得以实现。 

Claims (4)

1.一种多点集成微点雾喷射装置，包括双流体点雾喷射模块（I）、控制模块（II）和检测模块（III），其特征在于：a).所述双流体点雾喷射模块（I）包括上部腔体(12)、中部腔体(14)、下部基板(15)三层，所述上部腔体(12)底部开孔并在下方连接注入导管阵列(1)，在侧壁开孔接通推液气体输入管(10)和液体输入管(11)；所述中部腔体(14)在侧壁开孔连接注气气体输入管(6)；所述下部基板(15)上的开孔形成输出导管阵列(2)。所述注入导管阵列(1)和输出导管阵列(2)均为上粗下细的漏斗形状并一一对应，注入导管阵列(1)的导管细端穿过中部腔体(14)并插入输出导管阵列(2)的粗端收缩段；b).所述控制模块（II）包括液源(3)、气源(5)、控制中心(4)、推液调压阀(9)、注气调压阀(7)和流控阀(8)以及相关控制线路和气、液输送管路，所述液源(3)连接流控阀(8)；气源(5)分别连接推液调压阀(9)和注气调压阀(7)；控制中心(4)通过控制信号线分别连接液源(3)、气源(5)、推液调压阀(9)、注气调压阀(7)和流控阀(8)；c).所述检测模块（III）包括检测与反馈单元(16)； d).所述控制模块（II）通过推液调压阀(9)、流控阀(8)和注气调压阀(7)分别连接推液气体输入管(10)、液体输入管(11)和注气气体输入管(6)来向双流体点雾喷射模块（I）输送气体和液体；e).所述检测模块（III）通过检测与反馈单元(16)在上游连接双流体点雾喷射模块（I），收集双流体点雾喷射模块（I）产生的流量、流态和液点频率检测信息，再向下游连接控制模块（II），将信息反馈至控制模块（II）的控制中心(4)。

2.根据权利要求1所述的多点集成微点雾喷射装置，其特征在于所述的输出导管阵列(2)和注入导管阵列(1)导管的管径尺寸均为毫米及毫米以下量级。

3.根据权利要求1所述的多点集成微点雾喷射装置，其特征在于所述下部基板(15)与开孔于其上的输出导管阵列(2)可直接由中部腔体(14)伸出的针管陈列替代。

4.根据权利要求1所述的多点集成微点雾喷射装置，其特征在于所述控制中心(4)和检测与反馈单元(16)的功能可通过人工干预来实现。

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