压电式非接触喷射焊锡膏体机理及实验研究

发布时间：2017-09-04 12:24

  本文关键词：压电式非接触喷射焊锡膏体机理及实验研究

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【摘要】：SMT(表面贴装技术)具有很多有益的特点,比如元器件密集、造价低、易于元件集成、产品稳定、易于实现自动化生产等,电子元器件在电路板中的固定和封装是电子产品在制造生产中的核心工艺,电子元器件的固定方式应用最为广泛的是焊锡膏焊接固定。在SMT生产工艺中,将焊锡膏印刷或分配在电路板焊盘上往往是整个SMT生产工艺的第一个工序,同时也是最为关键和重要的工艺,其会影响到整条生产线的效率和产品整体的性能和可靠性。传统的丝网印刷工艺存在着很多缺陷,焊锡膏的量过多或者过少甚至漏印、量不均匀、印刷图形错位、有凹陷、有断点、图形拉尖、焊锡膏塌落、图形污染、锡球桥连等缺陷。结合微滴喷射技术,压电微滴喷射技术具有精度高、响应快,尤其是压电撞针式微滴喷射技术可以喷射液体的粘度范围广泛,所以本文提出一种压电撞针式焊锡膏微滴喷射机构,对焊锡膏这种液固两相流体的喷射理论进行分析,研究影响其喷射的各种因素,根据理论分析并制作样机,对其进行实验测试分析,主要内容如下:1、焊锡膏体非接触喷射微滴成型原理的分析从焊锡膏的成分构成中,我们可以将其近似的认为是由单一固相和液相组成的液固两相混合物。对比焊锡膏同普通胶水的差别,其含有软性材质的金属合金,从该方面入手分析,焊锡膏体喷射装置应有别于传统的胶水喷射装置,其撞针与喷嘴不能相互接触,必须留有一定的间隙。分析了产生焊锡膏微滴的成型原理和成型过程,并阐述了采用压电材料作为驱动源可以得到频率更高、精度更高的焊锡膏微滴喷射。2、焊锡膏体流动的基本特性分析从两相流体的流型入手,考虑焊锡膏的浓度,可以将焊锡膏体的流动看做是一种宾汉流体的均质流。分析均质液固两相流体的宾汉塑性体模型的雷诺数,可以判定焊锡膏这种液固两相流体在非常细小的管道内流动时是层流运动。根据均质液固两相流体流动时,切应力在直径方向上的分布规律,得到了焊锡膏体在管道内流动时速度在直径方向上的分布,推导了焊锡膏体流动时的阻力方程,得到了阻力与平均流速、管道直径、有限粘度等的关系。3、焊锡膏微滴喷射的流体动力学理论和仿真分析分析了焊锡膏微滴喷射的三个阶段的工作过程流体运动状态,分析焊锡膏微滴的受力状态,可以得到撞击产生的惯性力、拉伸粘性力和表面张力之间的关系,得到了微滴喷射的条件。根据本文所提出的压电焊锡膏微滴喷射的理论和结构,利用FLUENT仿真了不同结构对于微滴喷射的影响,根据仿真的结果和聚焦原理的启示,提出了内凹球面结构的驱动撞针,并利用mixture模型仿真不同曲率半径的撞针,通过对比得到的喷嘴中心的速度大小,得到了在本文特定假设情况下的最优的曲率半径。并根据仿真后压强的分布,对喷嘴内部的流道进行了优化。在该结构下,分别仿真了喷嘴直径、撞针的运动时间、供胶压力等不同的参数对焊锡膏微滴喷射的影响。4、压电焊锡膏微喷结构的动力学分析详细介绍了压电微喷焊锡膏阀的工作原理和对主要结构的分析。首先,分析了杠杆放大结构的放大倍数和对杠杆进行了校核及仿真验证了杠杆设计的合理性。其次,对撞针进行了稳定性分析,得到撞针的长度与其稳定性成反比。最后,分别用Matlab和ANASYS软件对整个放大系统进行了仿真分析,验证杠杆式位移放大系统设计的合理性,同时这些仿真结果对我们后续调节压电焊锡膏微喷装置有一定的理论指导意义。5、压电焊锡膏微喷系统的性能分析构建了焊锡膏微滴喷射系统测试所需要的各种设备和仪器,对于该微滴喷射装置所用放大结构及撞针的输出特性进行了静态测试和动态测试,得到了在不同的电压下撞针的位移输出,并同在相同电压下的压电叠堆的位移进行了比较,得到了实际的结构位移放大倍数。当驱动电压为100v时,压电叠堆的位移输出为31.61μm,撞针的位移输出达到了202.465μm。在动态测试中,我们可以观察到撞针抬起和下降的时间,并且依此可以得到在最大理论位移情况下的最大使用频率为769Hz。6、压电焊锡膏微喷系统的实验测试针对影响焊锡膏微滴喷射的一些因素,撞针与喷嘴的间隙、驱动电压的大小、开阀时间、驱动气压,分别在不同的变量下,测试这些因素对焊锡膏微滴喷射的影响。测试实验表明,撞针与喷嘴之间的间隙越小,喷射力度越大,喷射出的微滴质量也就越大;驱动电压越大,喷射出的微滴质量也越大;在撞针完全上升到最高点后,开阀时间对微滴喷射的影响是较小的;同样驱动气压对焊锡微滴的大小的影响也有限。但是如果要长期稳定的喷射,需要协调好这些参数,设置合理的参数同样很重要。在如下条件下:驱动电压80V,喷嘴大小0.1mm,开阀时间2.0ms,驱动气压0.6MPa,撞针同喷嘴之间的间隙设定为10μm,对焊锡膏微滴喷射的重复精度作了测试,结果表明重复性精度误差在3.2%之内。
【关键词】：压电驱动 杠杆放大 焊锡膏体 微滴喷射 两相流体 FLUENT MIXTURE两相流场仿真
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN405
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-14
• 第1章 绪论14-40
• 1.1 选题背景14-15
• 1.2 表面贴装技术概述15-20
• 1.2.1 表面贴装技术15-16
• 1.2.2 表面贴装工艺流程16-20
• 1.3 焊锡膏的分配方法20-29
• 1.3.1 焊锡膏的印刷工艺20-23
• 1.3.2 基于网版印刷的改进方法23-25
• 1.3.3 焊锡膏滴注工艺25-27
• 1.3.4 焊锡膏喷印工艺27-29
• 1.4 微滴喷射技术概述29-37
• 1.4.1 压缩气体驱动方式29-30
• 1.4.2 直线微注射阀控式30
• 1.4.3 压电驱动方式30-36
• 1.4.4 其他微滴喷射技术36-37
• 1.5 本文的研究内容37-40
• 第2章 叠堆式压电陶瓷基础理论40-56
• 2.1 压电陶瓷简介40-44
• 2.1.1 压电效应和逆压电效应40-41
• 2.1.2 压电方程41-42
• 2.1.3 压电材料的主要性能参数42-44
• 2.2 压电叠堆的结构44-45
• 2.3 压电叠堆的特性参数45-55
• 2.3.1 压电叠堆的容抗特性45-47
• 2.3.2 压电叠堆的响应特性47-49
• 2.3.3 压电叠堆的力学特性49-52
• 2.3.4 压电叠堆的迟滞效应52-53
• 2.3.5 压电叠堆的温度特性53
• 2.3.6 压电叠堆的蠕变特性53-54
• 2.3.7 压电叠堆的刚度特性54-55
• 2.4 本章小结55-56
• 第3章 非接触喷射焊锡膏颗粒流体动力学原理56-82
• 3.1 焊锡膏的成分及性质56-58
• 3.1.1 固相合金粉末56-57
• 3.1.2 助焊剂57-58
• 3.2 焊锡膏非接触喷射微滴成型原理58-60
• 3.3 两相流体的基本特性60-65
• 3.3.1 两相流的流型60-64
• 3.3.2 两相流体在管道内的流动形态64-65
• 3.4 焊锡膏的管流特性65-69
• 3.4.1 焊锡膏的流态65-66
• 3.4.2 焊锡膏流动时的速度分布66-69
• 3.4.3 焊锡膏流动的阻力特性69
• 3.5 焊锡膏微滴喷射的流体动力学理论69-73
• 3.6 焊锡膏体的流动仿真分析73-81
• 3.6.1 撞针结构对焊锡膏微滴喷射的影响73-78
• 3.6.2 喷嘴直径对焊锡膏微滴喷射的影响78-79
• 3.6.3 撞针的运动时间对焊锡膏微滴喷射的影响79-80
• 3.6.4 供胶压力对焊锡膏微滴喷射的影响80-81
• 3.7 小结81-82
• 第4章 压电焊锡膏微喷装置的设计与结构分析82-96
• 4.1 压电焊锡膏微喷装置的结构设计及工作原理82-83
• 4.1.1 压电焊锡膏微喷装置的结构设计82
• 4.1.2 压电焊锡膏微喷装置的工作原理82-83
• 4.2 杠杆位移放大结构的分析83-87
• 4.2.1 杠杆力学模型分析84-85
• 4.2.2 杠杆放大机构的放大倍数85-86
• 4.2.3 杠杆放大机构的输入刚度和输出刚度86-87
• 4.3 撞针的力学特性研究87-89
• 4.4 压电焊锡膏微喷装置的结构动力学分析89-94
• 4.4.1 压电焊锡膏微喷装置的动力学模型89-91
• 4.4.2 压电微喷焊锡膏阀的MATLAB动力学分析91-93
• 4.4.3 压电微喷焊锡膏阀的ANSYS动力学有限元分析93-94
• 4.5 本章小结94-96
• 第5章 压电焊锡膏微滴喷射实验设计及其结果分析96-111
• 5.1 压电焊锡膏微喷系统实验平台的搭建96-98
• 5.2 压电叠堆放大机构的测试98-101
• 5.2.1 静态测试98-99
• 5.2.2 动态测试99-101
• 5.3 焊锡膏微滴喷射精度测试101-108
• 5.3.1 撞针与喷嘴间隙对焊锡膏微滴喷射的影响102-103
• 5.3.2 驱动电压对焊锡膏微滴喷射的影响103-105
• 5.3.3 开阀时间对焊锡膏微滴喷射的影响105-106
• 5.3.4 驱动气压对焊锡膏微滴喷射的影响106-108
• 5.4 焊锡膏微滴喷射重复性测试108-109
• 5.5 本章小结109-111
• 第6章 结论、创新性与展望111-113
• 6.1 结论111-112
• 6.2 创新性112
• 6.3 展望112-113
• 参考文献113-122
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果122-126
• 1. 发表的学术论文122-123
• 2. 申请的国家专利123-124
• 3.获奖情况124
• 4. 参加的科研项目124-125
• 5.作者简介125-126
• 致谢126

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