时间-压力点胶技术浅析

杨军安

（新疆众和股份有限公司 乌鲁木齐 830013）

时间-压力点胶技术以其操作柔性高、所使用的流体（环氧树脂）粘度范围大、且成本低及易于维护的特点，在电子器材行业、实验应用很广泛，在所有点胶系统中占70%以上，其性能一直能很好的满足要求[2]。时间-压力点胶技术通过高通过压缩空气作动力，气体在传送过程以及针筒内气体作用胶体的过程受到很多因素的影响，这些将影响到点胶的流速和胶点的大小。时间-压力型点胶设备通常采用控制点胶压力以及施压持续时间来控制出胶量。本文从时间-压力点胶技术的最基础胶液特性、流体特性理论入手，应用数学理论及其数学模型思维，将时间-压力点胶技术进行了系统的分析，为时间-压力点胶技术实践应用做出了必要的理论支持和指导。

1 时间-压力点胶技术理论基础

1.1 胶液产生粘接力的基本理论

胶液通过润湿作用、扩散作用，以及与被粘表面的相互作用等三个基本过程，产生牢固的粘接力。为了粘接的本质通过研究提出了一些理论模型[4]。

（1）机械理论

任何物体光滑的表面实质上是凹凸不平的。胶液渗透到这些不平的沟痕或空隙中，不排除其界面上吸附的空气，固化后在界面区产生了啮合力。

（2）吸附理论

粘接是由两材料间分子接触和界面力产生所引起的。粘接力的主要来源是分子间作用力包括氢键力和范德华力。胶液与被粘物连续接触的过程叫湿润，要使胶液润湿固体表面，胶黏剂的表面张力应小于固体的临界表面张力，胶液侵入固体表面的凹陷与空隙就形成了良好润湿。如果胶液在表面的凹处被架空，便减少了胶液与被粘物的实际接触面积，从而降低了接头的粘接强度。

通过润湿使胶液与被粘物紧密接触，主要是靠分子间作用力产生永久的粘接。在粘附力和内聚力中所包含的化学键有三种类型，即离子键、共价键、金属键，还存在分子间作用即范德华力。

（3）扩散理论

粘接是通过胶液与被粘物界面上分子扩散产生的。分子或链段的热运动产生了胶液和被粘物分子之间的互相扩散，从而使一个物体的分子跑到另一个物体的表层里，另一物体的分子也跑到这个物体的表面力，两者的界面逐渐消失，相互“交织”而牢固结合。

1.1.1 环氧树脂胶液的特性

电子材料行业多是粘接盆架、振膜、线材等材料，其质量轻、体积小，一般采用热固性胶液如环氧树脂、聚丙烯及氰基丙烯酸酯等胶液。最常用的为环氧树脂胶液，以下重点介绍环氧树脂胶液的特性。

环氧树脂是指高分子链结构中含有两个或两个以上环氧基团的高分子化合物的总称，属于热固性树脂。环氧树脂胶液具有如下特点：

（1）粘接度高，环氧树脂胶液含有羟基和醚基等极性基团与被粘界发生反应而生成化学键，从而产生较强的粘接强度。

（2）固化收缩率小，在有机胶液中环氧树脂胶接剂的固化收缩率最小，为1%～3%。

（3）化学介质稳定性好，在固化体系中不易受酸碱侵蚀。

环氧树脂的缺点为操作粘度大，给施工带来不便；固化物性脆，伸长率小；剥离强度低；耐机械冲击和热冲击差。

1.1.2 点胶流体的基本特性

研究物质必须研究其本质特性，电子制造中所用的点胶胶液，其流动特性极为复杂，属于非牛顿流体，为了更好地应用时间-压力点胶技术，需通过流体力学相关知识对胶液进行研究。

牛顿提出了关于粘性流体作直线层状运动时，两流体层间速度梯度成正比，见图1。即：

图1 流体的直线层状运动

式中，μ为动力粘性系数，取决于流体的物理性质。

称式（1）为牛顿内摩擦定律，根据式（1），有：

斯托克斯把牛顿内摩擦定律推广到粘性流体的任意流动中，根据胡克定律，提出了以下三个假设[6]：

（1）流体是连续的，应力与应变率之间成线性关系。

（2）流体是各向同性的，也就是它们的性质与方向无关。因此无论选取什么样的坐标系，它们的应力与应变率之间的关系是相同的。

（3）当流体静止时，应变率为零，流体中的应力只有正应力—静压，切应力为零。

或写成：

通常λ称为膨胀粘性系数，而式(2)和式(3)称为广义牛顿定律。

在直角坐标系中，应力张量各分量的表达式为：

对于不可压缩流体▽·V=0，则：

广义牛顿定律建立了一般情况下应力张量和应变率张量之间的关系，它是粘性流体力学的一个理论基础。

凡是满足上述斯托克斯假设的流体称为牛顿流体，如水和空气。反之称为非牛顿流体。

1.2 粘性流体的基本特征

粘性流体流动主要有以下几点[7-8]；

（1）流动的有旋性，粘性流体必定是有旋流动。

（2）有旋性就是在流动中有涡的存在，涡一旦产生就会分裂、扩散，从大至小，以至消灭，这就是涡的扩散性。

（3）伴随着涡的扩散是能量的消耗，这是一个能量从有规律的运动变成无规律的分子运动-热能的不可逆过程。

①粘性流动的有旋性。无粘性流动可能是无旋的，也可能是有旋的，它的有旋流动是从运动学的角度提出的。粘性流动必定是有旋的，这是粘性流体的动力学特征，可以利用反证法加以证明。

不可压粘性流体的连续方程和动量方程：

粘性流动在固壁表面的边界条件为无滑移条件，流动的速度Vf等于固壁的速度Vω，即Vf=Vω，写成壁面的法向n和切向s的分量：

对于式（7）二阶偏微分方程，此处有两个边界条件，故问题是可解的。

如果粘性流动中，涡量为零，即Ω=0，那么动量方程就会变成无粘性的欧拉方程：

式（8）为一阶偏微分方程，两个边界条件式（7），必定有一个是多余的了。所以满足无粘性流动的欧拉方程和满足粘性的无滑移边界条件的流动是不存在的。这就证明了粘性流动不可能是无旋的。

②粘性流动中，环量和涡通量的变化率可能为零，也就是说环量和涡通量可能永远保持下去。凯尔文定律正是描述了这种情况：在质量力有势、流体为正压流体条件下，无粘性流动沿封闭曲线的速度环量将永远不变。而在粘性流动中，环量和涡通量总是变化的。

2 时间-压力点胶应用及特点

实践中通过装夹有针管的Z轴向下运动，直到针头与工件表面距离达到设定值，使针尖上被挤出的胶体与工件表面接触，然后Z轴向上运动，胶体和针尖自然断开或拉断，完成一个点胶周期。在这种方式中，除材料本身特性会影响点胶一致性外，针尖与基板距离以及针头直径也是影响一致性的重要因素。对于高粘度的胶体，胶体易在针尖上残留，导致明显的拖尾效应，严重影响点胶一致性，尤其在微量高速点胶场合，拖尾效应的影响更为显著。在接触式点胶中，针对不同应用场合选择合适的点胶设备是提高效率的关键。

（1）时间-压力点胶

该技术适用于中等粘度的胶液，如图1所示，点胶量取决于所用气体压力大小和作用时间。这种方式经济、操作简单、维护方便、便以清洁，适用性好。但点胶量对胶体粘度敏感，气体反复压缩、释放过程中易使胶体温度升高，改变胶液的黏度和和胶液的体积，影响胶量的大小。这种技术点胶速度难以提高。

（2）活塞式点胶

如图2所示，该方法是一种正向位移的点胶方式，通过活塞挤压针管内胶体使其流出，特别适合中、高粘度的胶体。点胶量主要由活塞位移大小决定，对胶体粘度、温度、和压力不敏感，在高速时有很好的一致性，重复性高，特别适合小体积连续点胶。但这种方式清洗过程复杂，对针管容腔内气体敏感，对密封性要求很高，点胶频率难以提高。点较量大小不好调节，须配专用点胶头才能正常工作，维护性较差。

图2 时间-压力点胶示意图

图3 活塞式点胶示意图

3 时间-压力点胶系统数学建模

对于确定的流体，温度固定（即粘度确定）时，其流态决定于临界速度。因此引用了下列无量纲的组合数作为判别流态的准则，对于管流：

式中，Re为雷诺数；V为管内平均流速；d为管径；ν为运动粘性系数。

上述实验上临界雷诺数和下临界雷诺数分别表示为：

可以看出，当 Recr＞时为湍流，Recr＜时为层流，＞Re＞Recr时，可以是湍流也可以是层流，工程上多按湍流处理。圆管中的临界雷诺数为：Recr=2300 和=8000～12000 。

液体在等径直管中流动时因内外摩擦而产生的压力损失，称为沿程压力损失。它主要取决于液体的流速、粘性和胶管的长度以及胶管的内径等。对于不同状态的液流，流经胶管时的压力损失是不相同的。胶液的流速、流量以及沿程压力损失等方面对点胶有一定的影响。

(1)胶液在胶管中流速

图1所示，胶液在内直径为d的胶管中运动，流态为层流。在液流中取一微小圆柱体，其内半径为r，长度为l，圆柱体左端的液压力为P1，右端的液压力为P2。由于胶液有黏性，在不同半径处液体的速度是不同的，其速度的分布如图4中所示。液层间的摩擦力则可按式（牛顿定律公式计算）。

图4 流速的分布规律

由图4可知，微小液柱上所受的作用力的平衡方程式为：

整理得：

式中负号表示流速u随r的增大而减少。

对上式进行积分得：

上式表明：胶液在胶筒中做层流运动时，速度对称于胶管中心线并按抛物线规律分布。当r=0时，流速为最大，其值为：

(2)通过胶管的流量

在胶管中取微小圆环过流断面，通过此断面的微小流量为dq=μdA=2rπμdr，所以通过胶管的流量：

(3)胶管内的平均流速:

(4)胶管形状对点胶影响:

由上式整理后得沿程压力损失为：

可见当胶管中液流为层流时，其压力损失与管长、流速和液体黏度成正比，而与管径的平方成反比。上式适当变换后，沿程压力损失公式可改写成如下形式：

式中,v为液流的平均流速；ρ为液体的密度；λ为沿程阻力系数。

它可适用于层流和湍流。对于胶管层流，理论值λ=64Re，考虑到实际胶管截面可能有变形以及靠近管壁处的液层可能冷却，阻力略有加大，胶管取λ=80Re。湍流时，当 2.3×103＜Re＜105时，可取λ≈0.3164Re-0.25。由此得出，在条件允许情况下，胶管管径直径越大，胶管尽可能越短，沿程压力损失越小，也就是在出胶量相同的情况下，所使用气压压力最小，从而提高气压利用效率。沿程压力损失越小，胶液的自身对胶量的控制影响越小。胶管管径直径的大小对胶液通流能力的影响很大，胶管管径直径大，意味着液流和管壁的接触周长短，管壁对液流的阻力小，通流能力大。

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