CN109530158B - 一种电场驱动的微量高粘度胶液转移的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电场驱动的微量高粘度胶液转移的装置及方法，属于微小零件和微电子器件装配组装领域。该装置包括电场控制部分和机械部分；电场控制部分包括高压电源、电源开关、点胶针、储胶池和电流表；机械部分包括点胶针、储胶池、第一温控载物台、第二温控载物台、Y向自动滑台、针头夹具、Z向自动滑台、X向自动滑台、第一立柱、第二立柱、基板和待胶接工件。本发明的单次取胶量在纳升～皮升量级，不需要加工非常细的针头，利用毫米级直径的针头就能实现微量高粘度胶液的转移。胶液消耗非常小，节省了生产成本。无需采用点胶阀、压力泵、柱塞泵等驱动控制部件和管路，节省了设备成本。***操作简单，辅助处理环节少，易于工业现场使用。

Description

一种电场驱动的微量高粘度胶液转移的装置及方法
技术领域
本发明属于微小零件和微电子器件装配组装领域，涉及一种电场驱动的微量高粘度胶液转移的装置及方法。
背景技术
利用液态胶将多个微小机械零件或微电子器件胶接在一起是在毫米-微米尺度装配连接的主要途径，其关键是将纳升～皮升量级的胶液转移到待粘接零件上。目前，喷射式点胶技术应用最为广泛，然而它只适用于粘度较低的胶液。对于高粘度胶液(>1Pa·s)，则由于受到粘性阻力的制约，需要非常高的压力才能喷射生成纳升～皮升量级胶滴，而且在针筒内容易出现气泡和残留变质胶液，需要填胶和清洗处理，操作较为繁琐。
现有技术中，有报道通过取胶-转印方法实现对液体的转移操作，以避免喷射式液体转移的固有问题。方群等专利号为CN201410640394.7的发明专利“一种基于液体残留的超微量液滴操控装置及方法”对取液探针进行亲疏液改性，采用蘸取-转移的方法来实现超微量液滴操控，通过调整取液探针的面积及浸入深度来控制液滴大小。张勤等专利号为CN201210471207.8的发明专利“超微量点胶装置及方法”是一种借助移液针与玻璃微管之间的相对运动，在移液针前端吸附胶滴来实现胶液定量的方法，胶斑大小主要通过针头的面积控制。以上方式主要利用移液针的形状尺寸或移液针头表面与液体之间的亲和性来控制液体的量，与本申请专利的技术方案完全不同。
发明内容
本发明为解决微小零件胶连工艺中微量高粘度胶液的转移难题，提出一种电场驱动的微量(纳升～皮升量级)的高粘度胶液转移装置和方法。该方法通过施加在储胶池和点胶针之间的外加电场，诱导胶液电荷在极化作用下移动至气胶界面，通过气胶界面电荷所受电场力的拖曳作用，带动胶液呈锥状上升，直至与点胶针达到微米级的点接触；通过电流跳变判断胶液与点胶针接触后，驱动点胶针上升，拉断胶液池与点胶针之间的液桥，在点胶针上获得微量胶液，最后通过转印方式，将点胶针头上的胶液转移到待胶接工件表面。
本发明采用的技术方案：
一种电场驱动的微量高粘度胶液转移的装置，该装置包括电场控制部分和机械部分。
所述的电场控制部分包括高压电源1、电源开关2、点胶针3、储胶池4和电流表5。高压电源1正极与电源开关2相连，电源开关2与点胶针3相连，点胶针3垂直于储胶池4的胶面。储胶池4底面连接电流表5，电流表5与高压电源1负极连接，构成回路。
所述的机械部分包括点胶针3、储胶池4、第一温控载物台6、第二温控载物台7、Y向自动滑台8、针头夹具9、Z向自动滑台10、X向自动滑台11、第一立柱12、第二立柱13、基板14和待胶接工件15。第一立柱12、第二立柱13分别设置于基板14的两端，X向自动滑台11设置于第一立柱12和第二立柱13之间，平行于基板14；Z向自动滑台10竖直设置于X向自动滑台11上，Y向自动滑台8设置于基板14上；第一温控载物台6和第二温控载物台7并排布置于Y向自动滑台8上，分别用于控制胶液的温度和待胶接工件的温度，针头夹具9装配在Z向自动滑台10上，点胶针3固定在针头夹具9上；储胶池4放置于第一温控载物台6上，待胶接工件15通过压板固定在第二温控载物台7上。
所述的针头夹具9包括绝缘套筒9a、针头安装板9b、紧定螺钉9c和接线柱引出线9d；针头安装板9b固定于Z向自动滑台10上，绝缘套筒9a固定于针头安装板9b上，点胶针3装在带有阶梯孔的绝缘套筒9a中，并通过紧定螺钉9c实现固定。所述的针头夹具9的材质为绝缘材料。
一种电场驱动的微量高粘度胶液转移的方法，步骤如下：
步骤一、将待胶接工件15通过压板固定在第二温控载物台7上；将胶液的储胶池4放置于第一温控载物台6上，使胶液与待胶接工件15分别保持在适合操作的温度，胶液的厚度在毫米量级，储胶池4底面接高压电源1负极，点胶针3接高压电源1正极；
步骤二、驱动Y向自动滑台8、Z向自动滑台10、X向自动滑台11运动，使点胶针3运动至储胶池4上方，通过对Z向自动滑台10提前进行高度标定以及进给量控制，使针头距离胶液表面在0.2～2mm的位置。
步骤三、根据胶液种类，调节高压电源1的输出值，在点胶针3和储胶池4之间施加>800V的电压，此时胶液电荷通过极化作用移动至气胶界面，胶液通过气胶界面的电荷所受电场力产生的拖曳作用呈锥状爬升。在胶液爬升过程中通过电流表5实时监测电流变化，当电流出现上升突变，表明胶液已与点胶针3的端部相接触，Z向自动滑台10通过电流突变信号的触发而快速上升，带动其上的点胶针3拉断储胶池4与点胶针3之间的液桥，在点胶针3的端部获得微量胶液。
步骤四、切断电源开关2，驱动Y向自动滑台8、Z向自动滑台10、X向自动滑台11运动，使点胶针3上的胶液与待胶接工件15相接触；驱动Z向自动滑台10快速上升，将微量胶液转移到待胶接工件15上。
胶液转移胶量的大小通过外加电压、针头上升速度、电流突变的触发值来控制，这些参数的具体取值与胶液的粘性、介电常数、电导率等有关。
本发明的有益效果：本发明的单次取胶量在纳升～皮升量级，不需要加工非常细的针头，利用毫米级直径的针头就能实现微量高粘度胶液的转移。胶液消耗非常小，节省了生产成本。无需采用点胶阀、压力泵、柱塞泵等驱动控制部件和管路，节省了设备成本。***操作简单，辅助处理环节少，易于工业现场使用。
附图说明
图1为电场驱动的微量高粘度胶液转移的装置的控制原理图。
图2为电场驱动的微量高粘度胶液转移装置的机械结构主视图。
图3为电场驱动的微量高粘度胶液转移的装置机械结构左视图。
图4为绝缘材料制备的针头夹具结构图。
图中：1高压电源；2电源开关；3点胶针；4储胶池；5电流表；6第一温控载物台；7第二温控载物台；8Y向自动滑台；9针头夹具；9a绝缘套筒；9b针头安装板；9c紧定螺钉；9d接线柱引出线；10Z向自动滑台；11X向自动滑台；12第一立柱；13第二立柱；14基板；15待胶接工件。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。
以粘度高至70Pa.s的环氧树脂胶的纳升级转移为例，结合附图详细阐述本发明的具体实施方式如下。
图1表示微量高粘度胶液转移装置的控制原理图。电场控制部分包括高压电源1、电源开关2、点胶针3、储胶池4、电流表5。高压电源1的正极与电源开关2相连，电源开关2与点胶针3相连，点胶针3垂直于储胶池4胶面，形成针-板电极结构。储胶池4的底面到连接纳安级电流表5一端，纳安级电流表5的另一端与高压电源1的负极相接，构成回路。
图2为微量高粘度胶液转移的装置机械结构主视图。图3是电场驱动的微量高粘度胶液转移的装置机械结构左视图。该装置包括点胶针3、储胶池4、第一温控载物台6、第二温控载物台7、Y向自动滑台8、针头夹具9、Z向自动滑台10、X向自动滑台11、第一立柱12、第二立柱13、基板14和待胶接工件15。
第一温控载物台6和第二温控载物台7并排设置于Y向自动滑台8上，分别用于控制胶液的温度和待胶接工件的温度，针头夹具9装配在Z向自动滑台10上，点胶针3固定在针头夹具9上；储胶池4放置于第一温控载物台6上，待胶接工件15通过压板固定在第二温控载物台7上。
图4是针头夹具9的剖视图，针头夹具9包括绝缘套筒9a、针头安装板9b、紧定螺钉9c和接线柱引出线9d；针头安装板9b固定于Z向自动滑台10上，绝缘套筒9a固定于安装板9b上，点胶针3装在带有阶梯孔的绝缘套筒9a中，并通过紧定螺钉9c实现固定。针头夹具9的材质为绝缘材料。
一种电场驱动的微量高粘度胶液转移的步骤如下：
步骤一、将待胶连的待胶接工件15通过压板固定在第二温控载物台7上；将胶液的储胶池4放置于第一温控载物台6上，使胶液保持在20℃恒温，储胶池4底面接高压电源1负极，选取点胶针3的针头直径为1mm，点胶针3接线柱引出线9d与高压电源1正极相连，并通过紧定螺钉9c固定于针头夹具9中，针头夹具9通过螺栓安装在Z向自动滑台10上。
步骤二、驱动Y向自动滑台8、Z向自动滑台10、X向自动滑台11运动，使点胶针3运动至储胶池4上方，通过对Z向自动滑台进行高度标定以及进给量控制，使针头距离胶液表面在0.8mm的位置。
步骤三、对于粘度高至70Pa.s的环氧树脂胶，调节高压电源1的输出值，在点胶针3和储胶池4之间施加1200V电压，此时胶液电荷在极化作用下迁移至气胶界面，胶液通过气胶界面电荷所受电场力的拖曳作用呈锥状爬升。在胶液爬升过程中电流表5示值在0.1～0.3nA范围，当电流突变至3nA时，Z向自动滑台10通过电流突变信号的触发以5mm/s的速度上升，将点胶针3与胶液池4之间的液桥拉断，在点胶针3上获得约1nL的环氧树脂胶液。
步骤四、切断电源开关2，驱动Y向自动滑台8、Z向自动滑台10、X向自动滑台11运动，使点胶针3上的胶液与待胶接工件15相接触；驱动Z向自动滑台10以1mm/s的速度上升，将环氧树脂胶液转移到待胶接工件15上，完成胶液转移过程。

Claims (3)

1.一种电场驱动的微量高粘度胶液转移的装置，其特征在于，该装置包括电场控制部分和机械部分；
所述的电场控制部分包括高压电源(1)、电源开关(2)、点胶针(3)、储胶池(4)和电流表(5)；高压电源(1)正极与电源开关(2)相连，电源开关(2)与点胶针(3)相连，点胶针(3)垂直于储胶池(4)的胶面；储胶池(4)底面连接电流表(5)，电流表(5)与高压电源(1)负极连接，构成回路；
所述的机械部分包括点胶针(3)、储胶池(4)、第一温控载物台(6)、第二温控载物台(7)、Y向自动滑台(8)、针头夹具(9)、Z向自动滑台(10)、X向自动滑台(11)、第一立柱(12)、第二立柱(13)、基板(14)和待胶接工件(15)；第一立柱(12)、第二立柱(13)分别设置于基板(14)的两端，X向自动滑台(11)设置于第一立柱(12)和第二立柱(13)之间，平行于基板(14)；Z向自动滑台(10)竖直设置于X向自动滑台(11)上，Y向自动滑台(8)设置于基板(14)上；第一温控载物台(6)和第二温控载物台(7)并排布置于Y向自动滑台(8)上，分别用于控制胶液的温度和待胶接工件的温度，针头夹具(9)装配在Z向自动滑台(10)上，点胶针(3)固定在针头夹具(9)上；储胶池(4)放置于第一温控载物台(6)上，待胶接工件(15)通过压板固定在第二温控载物台(7)上。
2.根据权利要求1所述的一种电场驱动的微量高粘度胶液转移的装置，其特征在于，所述的针头夹具(9)包括绝缘套筒(9a)、针头安装板(9b)、紧定螺钉(9c)和接线柱引出线(9d)；针头安装板(9b)固定于Z向自动滑台(10)上，绝缘套筒(9a)固定于针头安装板(9b)上，点胶针(3)装在带有阶梯孔的绝缘套筒(9a)中，并通过紧定螺钉(9c)实现固定；所述的针头夹具(9)的材质为绝缘材料。
3.采用权利要求1或2任一所述的一种电场驱动的微量高粘度胶液转移的装置进行微量高粘度胶液转移的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、将待胶接工件(15)通过压板固定在第二温控载物台(7)上；将胶液的储胶池(4)放置于第一温控载物台(6)上，使胶液与待胶接工件(15)分别保持在适合操作的温度，胶液的厚度在毫米量级，储胶池(4)底面接高压电源(1)负极，点胶针(3)接高压电源(1)正极；
步骤二、驱动Y向自动滑台(8)、Z向自动滑台(10)、X向自动滑台(11)运动，使点胶针(3)运动至储胶池(4)上方，通过对Z向自动滑台(10)提前进行高度标定以及进给量控制，使针头距离胶液表面在0.2～2mm的位置；
步骤三、根据胶液种类，调节高压电源(1)的输出值，在点胶针(3)和储胶池(4)之间施加>800V的电压，此时胶液电荷通过极化作用移动至气胶界面，胶液通过气胶界面的电荷所受电场力产生的拖曳作用呈锥状爬升；在胶液爬升过程中通过电流表(5)实时监测电流变化，当电流出现上升突变，表明胶液已与点胶针(3)的端部相接触，Z向自动滑台(10)通过电流突变信号的触发而快速上升，带动其上的点胶针(3)拉断储胶池(4)与点胶针(3)之间的液桥，在点胶针(3)的端部获得微量胶液；
步骤四、切断电源开关(2)，驱动Y向自动滑台(8)、Z向自动滑台(10)、X向自动滑台(11)运动，使点胶针(3)上的胶液与待胶接工件(15)相接触；驱动Z向自动滑台(10)快速上升，将微量胶液转移到待胶接工件(15)上。
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