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、微機電系統(tǒng)(MEMS)是多種學科前沿技術(shù)的交叉綜合,其發(fā)展受到微細加工、微裝配技術(shù)、材料科學和封裝可靠性等諸多因素的影響。微細加工技術(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)的進一步發(fā)展。本課題提出的基于表面張力驅(qū)動的MEMS焊點自組裝技術(shù)具有高組裝效率、高精度等突出優(yōu)勢,能滿足MEMS生產(chǎn)的批量化需求,具有較大實際應用價值。本文應用有限元方法,從自組裝

2、機理探討、動態(tài)自組裝模型建立和精度控制三方面對自組裝技術(shù)進行研究。
　　首先,探討與MEMS焊點自組裝相關的理論基礎,如:表面張力、拉普拉斯壓力、潤濕理論、自對中效應和最小能量原理等。闡述基于表面張力驅(qū)動自組裝技術(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)件運動之間的關系,推導當前二、三維自組裝幾何模型,得出自組裝角度與焊膏體積、焊盤尺寸之間的關系。
　　其次,針對當前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,應用Surface Evolver首次建立動態(tài)自組裝模型,通過將自組裝角度設置為優(yōu)化參數(shù),使得自組裝模型在迭代計算過程中自動改變組裝角度,直至達到系統(tǒng)能量最小點,有效地提高了計算速度和仿真結(jié)果的精度。進而重點探討焊膏體積、焊盤長寬比與自組裝角度之間的關系。研究表明:焊盤長寬比是影響焊點形態(tài)、自組裝精度的一個重要參數(shù)。當焊盤長寬比大于等于0.8時,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;而當焊盤長寬比分別為0.6和0.4時,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Surface Evolver不能進行微構(gòu)件熱變形和熱應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形態(tài)數(shù)據(jù),然后應用ANSYS軟件實現(xiàn)模型重建。為了進一步提高自組裝精度,設計“鉸鏈”和“自鎖”機構(gòu),通過熱/結(jié)構(gòu)耦合分析得出微構(gòu)件在“鉸鏈”、“自鎖”機構(gòu)等不同

5、邊界條件下的變形和應力分布。結(jié)果表明:“鉸鏈”和“自鎖”機構(gòu)的設計都可以有效提高自組裝精度,并且當“鉸鏈”處于移動構(gòu)件兩端時模型具有較好的綜合性能,同時,“鉸鏈”和“自鎖”機構(gòu)都會導致一定的應力集中和微構(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。本文研究得出的動態(tài)自組裝模型、焊盤長寬比設計結(jié)果、模型數(shù)據(jù)提取方法和精度控制方法對今后MEMS焊點自組裝技術(shù)的發(fā)展具有一定的借鑒意義。