基于表面張力作用的MEMS自組裝及其精度控制技術(shù)研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是多種學(xué)科前沿技術(shù)的交叉綜合,其發(fā)展受到微細(xì)加工、微裝配技術(shù)、材料科學(xué)和封裝可靠性等諸多因素的影響。微細(xì)加工技術(shù)加工出來的微構(gòu)件一般要通過裝配才能形成一個(gè)完整的系統(tǒng),而傳統(tǒng)微裝配技術(shù)存在組裝效率低、精度低等缺陷較大程度上限制MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。本課題提出的基于表面張力驅(qū)動(dòng)的MEMS焊點(diǎn)自組裝技術(shù)具有高組裝效率、高精度等突出優(yōu)勢(shì),能滿足MEMS生產(chǎn)的批量化需求,具有較大實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文應(yīng)用有限元方法,從自組裝

2、機(jī)理探討、動(dòng)態(tài)自組裝模型建立和精度控制三方面對(duì)自組裝技術(shù)進(jìn)行研究。
　　首先,探討與MEMS焊點(diǎn)自組裝相關(guān)的理論基礎(chǔ),如:表面張力、拉普拉斯壓力、潤(rùn)濕理論、自對(duì)中效應(yīng)和最小能量原理等。闡述基于表面張力驅(qū)動(dòng)自組裝技術(shù)的可行性和合理性。結(jié)合熔融焊膏拉普拉斯壓力、表面張力與微構(gòu)件運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系,推導(dǎo)當(dāng)前二、三維自組裝幾何模型,得出自組裝角度與焊膏體積、焊盤尺寸之間的關(guān)系。
　　其次,針對(duì)當(dāng)前MEMS自組裝技術(shù)的二、三維幾何模型和三

3、維靜態(tài)模型仿真結(jié)果精度低等局限性,應(yīng)用Surface Evolver首次建立動(dòng)態(tài)自組裝模型,通過將自組裝角度設(shè)置為優(yōu)化參數(shù),使得自組裝模型在迭代計(jì)算過程中自動(dòng)改變組裝角度,直至達(dá)到系統(tǒng)能量最小點(diǎn),有效地提高了計(jì)算速度和仿真結(jié)果的精度。進(jìn)而重點(diǎn)探討焊膏體積、焊盤長(zhǎng)寬比與自組裝角度之間的關(guān)系。研究表明:焊盤長(zhǎng)寬比是影響焊點(diǎn)形態(tài)、自組裝精度的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)焊盤長(zhǎng)寬比大于等于0.8時(shí),自組裝角度隨焊膏體積的變化曲線易出現(xiàn)“突變”現(xiàn)象,從而難以

4、獲得部分自組裝角度;而當(dāng)焊盤長(zhǎng)寬比分別為0.6和0.4時(shí),自組裝角度隨焊膏體積的增加而逐漸增加,沒有出現(xiàn)“突變”現(xiàn)象,因此更適合MEMS自組裝技術(shù)。
　　最后,針對(duì)Surface Evolver不能進(jìn)行微構(gòu)件熱變形和熱應(yīng)力分布等分析的不足,本文首先通過C語言編程獲取其中焊點(diǎn)形態(tài)數(shù)據(jù),然后應(yīng)用ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)模型重建。為了進(jìn)一步提高自組裝精度,設(shè)計(jì)“鉸鏈”和“自鎖”機(jī)構(gòu),通過熱/結(jié)構(gòu)耦合分析得出微構(gòu)件在“鉸鏈”、“自鎖”機(jī)構(gòu)等不同

5、邊界條件下的變形和應(yīng)力分布。結(jié)果表明:“鉸鏈”和“自鎖”機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)都可以有效提高自組裝精度,并且當(dāng)“鉸鏈”處于移動(dòng)構(gòu)件兩端時(shí)模型具有較好的綜合性能,同時(shí),“鉸鏈”和“自鎖”機(jī)構(gòu)都會(huì)導(dǎo)致一定的應(yīng)力集中和微構(gòu)件變形。
　　高精度、大批量的裝配技術(shù)是MEMS技術(shù)發(fā)展的必然需求,自組裝技術(shù)是將來的發(fā)展趨勢(shì)。本文研究得出的動(dòng)態(tài)自組裝模型、焊盤長(zhǎng)寬比設(shè)計(jì)結(jié)果、模型數(shù)據(jù)提取方法和精度控制方法對(duì)今后MEMS焊點(diǎn)自組裝技術(shù)的發(fā)展具有一定的借鑒意義。