聚合物超声波封接过程中超声传播的数值模拟

孙屹博,栾 艳,杨鑫华

(1.大连交通大学动车运用与维护工程学院,辽宁 大连 116028;2.大连交通大学动车材料科学与工程学院,辽宁 大连 116028)



聚合物超声波封接过程中超声传播的数值模拟

孙屹博1,栾 艳2,杨鑫华2

(1.大连交通大学动车运用与维护工程学院,辽宁 大连 116028;2.大连交通大学动车材料科学与工程学院,辽宁 大连 116028)

在聚合物超声波封接中超声波的传播效率能够实时反映聚合物材料的力学状态变化,使其能够成为封接中的参考变量.针对该参量对超声波封接过程中的超声波传播进行了有限元仿真,依据超声波封接过程建立包含工具头、微器件和底座等有限元模型.根据聚合物材料的黏弹性本构关系,模拟了不同温度和振幅下的超声波封接.通过计算模型中每组接触面间的接触力,研究界面间接触力与温度、振幅的关系,从而分析超声波在聚合物内的传播规律.结果表明:聚合物微器件熔接区内与温度、能量相关的力学性能模量对超声波在聚合物内的传播具有重大影响,超声波的传播效率随着微器件温度的升高而衰减,随着超声波振幅的增大而增加.

超声波封接; 超声波传播; 有限元模拟; 界面间接触力

超声波焊接技术是一种快速、有效的塑料封装技术,具有生产效率高、接头强度高、局部产热形变小、无需引入辅助剂、经济、低能、无污染等优点.自2006年由德国Karlsruhe研究中心TRUCKENMUELLER等[1]将超声波封接技术引入微流控芯片的键合封接及微泵、微阀的组装,该技术就逐渐被应用于聚合物基微型器件领域.2009年,KIM等[2]实现了外、内径分别为1.8 mm和0.85 mm的醋酸纤维素微器件的密封连接.2009年NG等[3]采用超声波连接技术在频率为20 kHz的超声波作用下实现外、内径为 3mm和1 mm的PMMA(Polymethyl Methacrylate)微流控芯片与导管的连接,其接头处至少能够承受6×105Pa的压力.

目前,大部分应用于聚合物微器件封接领域的超声波封接技术,均以超声波的加载条件——时间、压力、功率、以及形变量为控制参数控制超声波封接流程,但无法满足聚合物基微器件形状精度上的要求.热塑性聚合物的超声波封接是界面熔接过程,在此过程中,待封接件在高频超声波(即机械振动)的作用下发生高频周期性相互运动,由于界面摩擦效应和黏弹性材料力学损耗效应在界面上产生热量[4],使界面附近温度升高,从而使界面附近材料的分子链活性增加,发生分子链的缠结与扩散,宏观上即是发生了玻璃化转变,在压力的作用下形成一定强度的熔接层[5],从而形成永久性连接.

热塑性聚合物是黏弹性材料,在超声波封接过程中随着温度的升高会发生力学状态的变化,由玻璃态转变为黏弹态以及黏流态,其力学性能会大幅衰减[6],材料内部力学损耗增大,导致超声波能量在封接过程中发生能量衰减,其传播效率降低,即超声波传播效率的变化可反映出聚合物待封接件力学状态的变化[7].故超声波封接过程中超声波传播效率可以成为微型聚合物精密封接的参考参量.采用压电传感器检测超声波能量的衰减率(即聚合物界面力学状态的转变)，以此作为超声波封接过程中的控制参数,以聚合物力学性能的突变作为参考时间点来控制超声波的通断,能有效提高超声波能量的精确控制,从而实现聚合物基微器件领域对形状精度及界面熔接质量的要求[8].

为了研究聚合物超声波封接过程中超声波的传播效率,建立与超声波封接相对应的有限元模型,通过计算模型内接触面间接触力,研究界面熔接过程中超声波的传播效率,分析超声波传播效率随试件温度、超声波振幅的变化规律,以及其影响因素.

1 有限元模型的建立

1.1 模型建立

在超声波封接过程中,超声波能量在聚合物界面间产生热量,导致界面温度升高,在压力作用下实现界面间的熔接.根据该熔接过程建立了如下图1所示的有限元模型.

图1 聚合物超声波封接有限元几何模型

如图1所示,本模型由铝合金工具头、PMMA微型连通管、黏弹性熔接层、PMMA基片与铝合金底座组成.PMMA连通管外径4 mm内径1 mm,黏弹性熔接层厚度为0.2 mm.由于PMMA是热的不良导体,在超声波封接过程中只有待封接面的熔接层随着温度的升高而发生力学状态的变化,产生力学损耗致使超声波能量发生衰减,故在模型设定中忽略了PMMA连通管、基片与温度的关系,只将熔接层设定为黏弹态且将熔接层建立为独立于连通管的实体部件.在相互作用中设定了3对接触面,分别是超声波工具头与连通管的面面接触、熔接层与基片的面面接触、基片与底座的面面接触.

封接过程中,熔接层处于黏弹性状态,具有典型的力学能量损耗特性,其高分子链段为了克服分子间的摩擦力进行热运动而损耗了超声波能量[8],使超声波的传播发生衰减,因此熔接层对超声波能量的传播具有重大影响.图2所示是PMMA在不同温度下的松弛曲线[7],根据随时间变化的PMMA弹性模量E,松弛曲线可知熔接层的力学性能,即可在ABAQUS中利用已有的黏弹性模型来描述各向同性率相关材料由黏弹性效应所引起力学耗散行为,从而建立熔接层的黏弹性.该模型采用小应变的剪切试验,通过突然给试样施加一个小应变并保持一段时间的松弛试验来阐述该种本构关系,该应变为固有应变，模型在很长时间内承受一个恒应变，在某种程度上来说,黏弹性材料模型是一种长期的弹性模型，在承受恒应变很长一段时间后，相应地会产生一个恒应力.图2中Tg为集合物材料玻璃化转变温度.

1.2 仿真过程

对应聚合物超声波封接过程,仿真建立了加载工作压力、加载超声波振动与释放3个分析步.在加压步中对器件施加10 N的封接工作压力,选择由当前应变来控制加载力,并传递至其余两个分析步.在超声加载步中,对工具头施加60 kHz的超声波,并根据仿真需要对超声波的振幅大小进行设定.最终在释放分析步中将工具头移开,释放所有压力与超声波载荷.

图2 PMMA(Tg≈112℃)在不同温度下的应力松弛模量曲线

在仿真模拟中熔接层的力学性能根据PMMA剪切松弛模量曲线设置为黏弹性模型,选择40℃，110℃，115℃，135℃进行超声波封接仿真,分别代表材料接近室温玻璃态、玻璃化转变以及高温接近黏流态的力学状态.并根据实际测量超声波封接过程中超声波振幅的变化,对每组温度分别设置加载5组不同振幅的超声波,分别是0.1，0.2，0.5，0.8，1μm.本实验平台空载时工具头输出振幅为1μm,但由于封接过程中超声波发生器从空载到负载输出电功率会发生变化,使得超声波换能器所输出的振幅及功率随之改变,所以实际工作振幅在0～1μm范围内变化.

图3 在115℃、0.1 μm下加载超声波振动的应力分布云图

在加载超声振动分析步中计算了随时间变化的3组接触力Fh-c，Ff-s,Fs-a,分别对应工具头与微型连通管间的接触力、熔接层与基片间的接触力、基片与底座间的接触力.通过分析历程输出中超声波的振动数据来研究超声波在封接过程中传播效率的变化规律.

2 仿真结果与分析

在聚合物超声波封接中,封接过程主要发生在熔接层内.首先研究仿真过程中熔接层的应力状态,聚合物材料玻璃化转变温度Tg附近的115℃下、超声波振幅为0.1μm时模型加载超声波后的米塞斯应力分布云图，如图4所示.由图4可知,该模型在仿真过程中其最大应力主要集中在熔接层内,大小为1.30 MPa左右.

图4 熔接层内最大应力的变化规律曲线

通过综合不同温度、不同振幅下模拟仿真后的应力分布,熔接层内最大应力随着温度和超声波振幅的变化曲线如图5所示,最大应力随着温度的升高而下降、随着超声波振幅的增大而增加,是显著不同的.由图可知,在40℃下聚合物熔接层内的最大应力随着振幅的增大从2.4 MPa左右增至约7.4 MPa; 在110℃下最大应力随着振幅的增大从1.7 MPa左右增至约6.3 MPa; 在115℃下最大应力从1.3 MPa左右增至约4.5 MPa; 在135℃下最大应力从0.4 MPa左右增至约4 MPa,这是由材料的黏弹性特征所决定的.

由于在实际封接过程中超声波是由工具头发出,经由聚合物待封接试件最终传至底座,所以仿真中基片与底座间随时间变化的接触力Fs-a是能充分代表实际封接中经封接件传至底座的超声波振动.根据模拟仿真的输出结果,在表1中列出了接触力Fs-a随温度和振幅而变化的均方根值、最大值、最小值和动态力幅值.如表所示,在每组温度下,随着超声波振幅的增加接触力Fs-a显著变大; 而在相同振幅下,随着温度的上升Fs-a显著变小.

表1 随温度和振幅而变化的接触力Fs-a

根据表1可知振幅与温度两方面均对超声波传播有着重大影响.首先研究超声波振幅对超声波传播效率的影响,在4组温度内,振幅小于等于0.2μm时,每组温度下的均值波动不大,在1 N范围内变化;当振幅大于等于0.5μm、小于1μm时,每组温度下Fs-a的均值急剧变大.这是由于封接过程中超声波声能强度[9]与频率f的平方、振幅A的平方成正比,当振幅A增大时,超声波能量变大.当超声波能量增大到足以克服材料内分子链上键长、键角和比链段更小的运动单元、以及链段单元发生热运动的位垒时,即运动单元进行热运动时所需的活化能,宏观上聚合物就会发生蠕变反应[6].在温度与频率一定的前提下,当振幅持续增加时,聚合物发生蠕变的反应会加快,其应变会呈非线性增大.所以在相同温度下,当振幅大于等于0.5μm小于等于1μm时接触力Fs-a呈非线性增大,说明聚合物内的超声波传播效率是受到熔接层内与分子热运动相关的力学行为的影响.

另外,温度也是超声波在封接过程中传播效率的重要影响因素.由表1中可知,振幅一定时,接触力Fs-a随着温度的上升显著降低,当振幅A=0.1μm时,40 ℃的接触力均值为10.2 N; 110 ℃下为9.83 N; 115 ℃下为7.62 N; 135 ℃下为0.48 N,说明聚合物内超声波传播是受到熔接层内与温度相关的力学性能的影响.因为通常PMMA材料的玻璃化转变温度Tg在105℃～115℃之间,当温度升至这个转化温度区间时,PMMA将发生玻璃化转化,材料内部黏度增加、力学损耗增加,且力学性能急剧下降(初始杨氏模量降低3至4个数量级),所以超声波能量的振动传播效率开始降低,接触力Fs-a开始急剧下降.因此代表作用于底座上的振动力Fs-a在135℃时其力学状态相比于玻璃化转变前的其他温度下的力学状态下降近乎95%,即其超声传播衰减率为95%左右.

根据表1,基片与底座间接触力Fs-a的均值以及超声波传播效率的衰减率与温度和振幅的关系如图6所示.首先根据图6中40 ℃,110 ℃,115 ℃,135 ℃下的Fs-a4条均值曲线,清晰地看出随着超声波振幅的增加,接触力Fs-a显著增大,超声波能量的传播效率随着振幅的增大而增大; 而当超声波振幅一定时,如图所示随着温度增加接触力Fs-a显著减小,超声波能量的传播效率随着温度的增大而减小.

图5 接触力Fs-a随温度、振幅的变化及超声波衰减率随振幅的变化规律

温度对封接中超声波传播效率产生影响的原因在于PMMA材料的黏弹性特性以及力学损耗特性.在温度小于Tg时,PMMA在交变载荷下是玻璃态,形变主要是由分子链的键长、键角的变化引起的,应变几乎完全跟得上应力的变化,内部能量损耗小,所以Fs-a在110℃以前基本不变; 而当温度升至Tg后,材料发生力学状态的改变,由玻璃态转为黏弹态,材料内部黏度增大,使得分子链段运动时受到的内摩擦阻力增大,在交变载荷下发生能量损耗增大,此时,材料由于软化将会发生大形变,所以Fs-a明显减小,超声波在聚合物超声波封接过程中的传播效率也显著下降.振幅对封接中超声波传播效率产生影响的原因在于超声波振幅增大导使超声波声能强度增大,进而导致材料发生蠕变行为产生非线性增长的应变.

其次根据图6中的衰减率曲线(Fs-a均值在135℃时的力学状态相比于40℃时力学状态的衰减比)可知,当振幅为0.1 μm时,衰减率为95.30%; 当振幅为0.2 μm时,衰减率为93.58%; 当振幅为0.5 μm时,衰减率为85.32%; 当振幅为0.8 μm时,衰减率为76.92%; 当振幅增至1 μm时,衰减率为76.40%.即振幅小于等于0.5 μm时,超声波的衰减率几乎保持稳定且很高,但当振幅大于0.5 μm后,超声波的衰减率明显大幅降低,说明振幅增大时,超声波的传播效率增大、传播衰减率降低.

3 结论

针对聚合物微器件超声波精密封接过程中，超声波的传播效率能实时反映聚合物力学状态变化这一情况,本文通过有限元方法,分析封接过程中超声波振动的传播规律.尤其是通过分析基片与底座间接触力Fs-a与温度、超声波振幅的关系,揭示超声波在聚合物内的传播与聚合物熔接层内的温度、分子热运动相关的力学性能(力学损耗与蠕变)有很大关系.

根据仿真计算接触力Fs-a的输出结果可知,随着温度的上升,熔接层内的最大内应力减小,超声波的传播效率下降; 但随着超声波振幅的增加,熔接层内的最大内应力增大,超声波的传播衰减率降低、传播效率增大.振幅为0.1 μm时,超声波衰减率为95.30%; 振幅为0.2 μm时,衰减率为93.58%; 振幅为0.5 μm时,衰减率为85.32%; 振幅为0.8 μm时,衰减率为76.92%; 振幅增至1 μm时,衰减率为76.40%.根据仿真数据可以清晰知道温度、超声波振幅对封接过程中超声波传播效率的理论影响,为超声波传播效率这一参量的控制以及进一步研究提出理论指导.

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Numerical simulation on ultrasound propagation during ultrasonic bonding process of polymer

SUN Yi-bo1,LUAN Yan2,YANG Xin-hua2

(1.School of EMU Application and Maintenance Engineering，Dalian JiaotongUniversity, Dalian 116028，China；2.School of Materials science and Engineering, Dalian JiaotongUniversity, Dalian 116028，China)

Owing that the ultrasound propagation can reflect the property variation of polymer during the ultrasonic bonding process, the ultrasound propagation, a critical parameter for ultrasonic bonding, is further studied via finite element method.By establishing the ultrasonic bonding model with horn, polymer components and anvil, the ultrasonic bonding simulation processes under different temperatures and amplitudes are conducted on the constitutive relationship between polymer viscoelasticities.Subsequently, the relationships among contact force and temperature, amplitude are obtained based on interfacial contact forces.Consequently, the regulation of ultrasound propagation in the polymer is analyzed.Therein, it is detected from results that the ultrasonic propagation in the polymer is significantly affected by the mechanical properties of fusion layer with regard to temperature and energy, whereas the ultrasound propagates and attenuates with rising temperature and increasing amplitude.

ultrasonic bonding; ultrasound propagation; finite element simulation; interfacial contact force

国家自然科学基金资助项目(51405056)

孙屹博(1983-),男,工学博士.Email:yibo_sun@126.com

TH 16

A

1672-5581(2016)03-0193-05