电子组装喷射点胶过程流体特性CFD模拟分析

参考模型结构图 2，当顶针外形结构一定时，喷嘴内锥孔张角越小，密闭内腔容 积就越大。 由于模型具有相同的边界条件和载荷设置， 因此挤压到密闭内腔中胶液总 量保持一致。随着胶液不断挤压，密闭内腔胶液压力急剧上升，内压推动胶水克服喷 嘴阻力最终从喷口喷射出来。在密闭内腔中，胶液压力与内腔截面积成反比关系，也 就是说截面积越大，内压值就越小。显然较高的胶液内压有助于胶水克服喷嘴阻力， 根据理想流体伯努利方程(3)所描述，胶水出口速度 u 2 主要是由顶针撞击速度 u1 决 定。不管喷嘴张角如何设计，顶针撞击速度只与行程和气压有关，而与顶针外形尺寸 无关。 伯努利方程中 Z 轴高度差 ( z1 z2 )是顶针接触线到喷嘴口距离， 喷嘴张角为 120°
图 2 喷射点胶装置工作原理
3. CFD 模拟结果及分析
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ShangHai Jiaotong university 喷射点胶仿真模型中胶水的具体参数设置和边界条件是：流体分析介质采用的是 清洗胶，胶水的动力粘度值是 6500 CP ，胶水加热后温度是 175 ℃ ，胶水的密度是 0.8×103 Kg/m3 ，胶水注入密闭内腔压力是 0.3 Mpa ，喷嘴口气压值是 0.1 Mpa ，计 算允许残值 10-5，顶针的撞击速度可以通过顶针运动学方程求得，由于篇幅限制这里 不作详细说明。
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ShangHai Jiaotong university 挤压下快速向喷嘴口汇聚， 随着密闭内腔胶水液压不断增大， 胶水最终克服喷嘴口阻 力喷射而出[4]。随后电磁阀快速切换进排气回路，顶针往回运动，胶水迅速补充到密 闭内腔。如此循环往复运动，胶水就持续不断地从喷嘴口喷射出来。喷射点胶是非常 复杂的流体动力学运动过程， 顶针挤压胶液在喷嘴内腔中做杂乱无章地紊流运动。 由 于气体压力、流体粘度，以及密闭内腔体积的变化，因此无法通过建立解析数学表达 式来准确描述这个过程[5-8]。本文采用 CFD 仿真软件来模拟顶针撞击喷嘴瞬间胶液动 力学特性， 分析胶水喷射速度， 同时仿真模拟顶针碰撞过程中密闭内腔体积的变化对 流体动力学特性的影响，从而完成整个喷射点胶过程的数值模拟分析[9]。
Fluid dynamic characteristic CFD analysis in electronic assembly
Abstract Glue jetting is the key technology in electronic assembly process. The problem is that how the equipment ejects small dot size during microelectronic encapsulation application. In this paper the research is based on working theory of pneumatic actuator. The 2D geometrical model is created to present needle and nozzle impact structure. CFD computational fluid dynamic characteristic analysis software is used to simulate glue exit velocity from nozzle orifice and to calculate hydraulic pressure inside compressed chamber. The final simulation results demonstrate that needle tip geometry dimensions and needle stroke and nozzle flared angle are the major factors to affect jetting speed. They determine the bead size eventually. Keywords glue jetting; microelectronic encapsulation; actuator; CFD 引言 气压驱动喷射点胶装置采用顶针撞击喷胶方式，该装置主要由压缩空气进排气回 路、胶液回路和系统加热模块等部分组成[１-3]如图 1 所示。它通常配 30ml 和 300ml 固体胶罐，胶罐中加热熔化后的胶水在气压活塞作用下源源不断地注入到喷嘴内腔。 喷射点胶时压缩空气推动顶针向喷嘴口运动， 直到高速撞击喷嘴内侧， 胶水在顶针的
(b) 喷射过程0.26 ms
图 5 在 0.5 mm 顶针行程下喷射速度等值线图
根据 CFD 模拟结果创建顶针在不同行程时喷嘴口对应最大喷射速度、密闭内腔胶 液压力值，如表 1 所示。显然顶针行程越大，其运行时间越长，撞击喷嘴时的速度就 越大， 喷嘴口胶液喷射速度就越高。 但是模拟结果却表明密闭内腔胶液压力值对应顶 针行程的关系却截然不同，在 1.0 mm 时内压最大，相反行程最大时内压处于最小。
(2)
(u, v, w) 分别是速度沿三个方向( x, y, z ) 的矢量分量；( f x , f y , f z ) 分别是微单 式中， 元所受的外力； 是胶液流体密度。
假设流动过程是不可压缩的，那么可以不考虑能量方程而直接求解，显然(N-S)方 程是非线性的偏微分方程组， 解析解的求解非常困难， 通常只有在一些特定的条件下 才可以求得结果， 绝大多数情况下无法以解析法求取位置参数值和三个方向 ( x, y, z )的 速度矢量及 P 压力值。 而且顶针挤压胶液时密闭内腔体积在不断变化， 因此微分方程 的解析解更不可能求得。CFD 软件利用有限单元体积法去离散微分方程组，以数值计 算去求解微分方程组，通过迭代计算最终求出所有未知参数的数值解[10]。
3.1 顶针行程 L 对流体动力学特性的影响
为了研究分析顶针行程是如何影响胶水动力学特性，使用 CFD 软件模拟不同顶针 行程对应的喷口胶水喷射速度矢量分布。本文中分别模拟行程为：0.5 mm、1.0 mm 和 1.5 mm 时胶水动力学特性的不同表现。模拟过程中模型所有内外载荷设置保持一 致，基本参数设置是：①. 顶针与喷嘴接触线大小都是 1.5mm 如图 2 中所示；②. 作 用在顶针顶帽上的气压设定值为 0.5 Mpa ；③. 胶水注入压力始终保持在 0.3 Mpa ； ④. 所有模拟都使用相同的顶针和喷嘴结构。
表 2 顶针接触线对流体速度和压力的影响
模拟场景 1 2 3
Tip (mm)
V max (m/s)
Pin (Mpa)
2.6 1.5 1.0
84.74 70.04 55.96
462.2 249.8 218.6
Pin 为密闭内腔胶液压力。 表中，V max 为胶液喷嘴出口最大速度，
3.3 喷嘴张角对流体动力学特性的影响
2. 数值分析模型建立与验证
气动阀驱动喷射点胶装置中顶针与喷嘴碰撞结构二维仿真模型如图 2 所示， 每个喷 射周期中顶针有两个运动阶段：碰撞阶段（闭合阶段）和分离阶段（打开阶段）。在 闭合阶段， 顶针与喷嘴紧密贴合， 并在结合处形成接触线， 顶针撞击喷嘴后停止运动， 喷口出胶速度达到最大；在分离阶段，顶针向远离喷嘴口方向运动，在碰撞到限位块 后停止运动， 顶针回撤过程中产生局部瞬间真空， 胶水迅速补充到该区域并为下一个 碰撞出胶过程做准备， 在这个运动过程中喷口停止出胶。 为了划分规则形状网格和提 高分析结果精确性， 必须对碰撞结构进行设计简化， 在 CFD 中创建几何模型并划分网 格。 由于流体密闭内腔区域的体积是动态变化的， 因此采用 CFD 软件的 ALE 分析模块 来模拟分析顶针碰撞过程中流体动力学特性。
(a) 喷射过程在 0.15 ms
(b) 喷射过程在 0.45 ms 图 3 在 1.5 mm 顶针行程下喷射速度等值线图
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(a) 喷射过程在0.10 ms
(b) 喷射过程在0.36 ms
图 4 在 1.0 mm 顶针行程下喷射速度等值线图
(a) 喷射过程0.10 ms
图 1 气动阀驱动喷射点胶装置
1. 喷射点胶流体动力学分析
喷射点胶过程中胶液在密闭内腔做复杂的动力学运动，顶针推动胶液向各个方向 做无规则地快速运动。 但是胶液在密闭内腔流动时必须遵循质量守恒、 动量守恒及能 量守恒三大定律， 就质量守恒定律而言它主要描述在单位时间内流进和流出微单元的 流体质量相等：
3.2 顶针接触线对流体动力学特性的影响
实践已证明顶针贴合喷嘴而形成的接触线 （如图 2 中所标示） 也是影响胶水动力 学特性的重要因数。为了在理论上分析出接触线与喷射速度之间的关系，通过使用 CFD 软件，模拟分析 2.6 mm、1.5 mm 和 1.0 mm 三种不同顶针对应的喷口胶水喷射 速度和密闭内腔胶液压力值。 模拟过程中模型所有内外载荷设置保持一致， 基本参数 设置是：①. 三种模拟分析场景下，顶针行程都是 1.5mm ；②. 作用在顶针顶帽上 的气压设定值为 0.5 Mpa ；③. 胶水注入压力始终保持在 0.3 Mpa ；④. 所有模拟分 析都使用相同的喷嘴。
(a) 喷射过程 0.10 ms
(b) 喷射过程 0.45 ms
图 6 顶针针头 2.6 mm 时喷射速度等值线图
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(a) 喷射过程 0.17 ms
(b) 喷射过程 0.45 ms
图 7 顶针针头 1.0 mm 时喷射速度等值线图
根据 CFD 模拟结果创建顶针在不同规格下喷嘴口对应最大喷射速度、密闭内腔 胶液压力值，如表 2 所示。由于顶针撞击喷嘴时的速度只与行程有关，因此各模拟场 景下撞击速度相同，显然顶针外形尺寸越大，其与喷嘴形成的接触线越大，喷嘴口胶 液喷射速度就越高，密闭内腔胶液压力也就越大。反之亦然，顶针外形越小对应的接 触线越小，喷射速度就越低，密闭内腔胶液压力也就越小。