基于表面张力作用的MEMS自组装及其精度控制技术研究

论文摘要

微机电系统(MEMS)是多种学科前沿技术的交叉综合,其发展受到微细加工、微装配技术、材料科学和封装可靠性等诸多因素的影响。微细加工技术加工出来的微构件一般要通过装配才能形成一个完整的系统,而传统微装配技术存在组装效率低、精度低等缺陷较大程度上限制MEMS技术的进一步发展。本课题提出的基于表面张力驱动的MEMS焊点自组装技术具有高组装效率、高精度等突出优势,能满足MEMS生产的批量化需求,具有较大实际应用价值。本文应用有限元方法,从自组装机理探讨、动态自组装模型建立和精度控制三方面对自组装技术进行研究。首先,探讨与MEMS焊点自组装相关的理论基础,如:表面张力、拉普拉斯压力、润湿理论、自对中效应和最小能量原理等。阐述基于表面张力驱动自组装技术的可行性和合理性。结合熔融焊膏拉普拉斯压力、表面张力与微构件运动之间的关系,推导当前二、三维自组装几何模型,得出自组装角度与焊膏体积、焊盘尺寸之间的关系。其次,针对当前MEMS自组装技术的二、三维几何模型和三维静态模型仿真结果精度低等局限性,应用Surface Evolver首次建立动态自组装模型,通过将自组装角度设置为优化参数,使得自组装模型在迭代计算过程中自动改变组装角度,直至达到系统能量最小点,有效地提高了计算速度和仿真结果的精度。进而重点探讨焊膏体积、焊盘长宽比与自组装角度之间的关系。研究表明:焊盘长宽比是影响焊点形态、自组装精度的一个重要参数。当焊盘长宽比大于等于0.8时,自组装角度随焊膏体积的变化曲线易出现“突变”现象,从而难以获得部分自组装角度;而当焊盘长宽比分别为0.6和0.4时,自组装角度随焊膏体积的增加而逐渐增加,没有出现“突变”现象,因此更适合MEMS自组装技术。最后,针对Surface Evolver不能进行微构件热变形和热应力分布等分析的不足,本文首先通过C语言编程获取其中焊点形态数据,然后应用ANSYS软件实现模型重建。为了进一步提高自组装精度,设计“铰链”和“自锁”机构,通过热/结构耦合分析得出微构件在“铰链”、“自锁”机构等不同边界条件下的变形和应力分布。结果表明:“铰链”和“自锁”机构的设计都可以有效提高自组装精度,并且当“铰链”处于移动构件两端时模型具有较好的综合性能,同时,“铰链”和“自锁”机构都会导致一定的应力集中和微构件变形。高精度、大批量的装配技术是MEMS技术发展的必然需求,自组装技术是将来的发展趋势。本文研究得出的动态自组装模型、焊盘长宽比设计结果、模型数据提取方法和精度控制方法对今后MEMS焊点自组装技术的发展具有一定的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 微机电系统概述
• 1.2 MEMS对装配技术的挑战
• 1.3 微装配技术国内外研究现状
• 1.4 MEMS焊点自组装研究内容
• 1.5 基于表面张力驱动的MEMS焊点自组装原型及其优势
• 1.6 研究思路与方法
• 1.7 本论文章节安排
• 第二章 表面张力驱动MEMS自组装理论基础
• 2.1 表面张力驱动MEMS自组装基础
• 2.1.1 表面张力
• 2.1.2 润湿
• 2.1.3 毛细现象
• 2.1.4 拉普拉斯压力
• 2.1.5 液滴最终平衡的条件
• 2.1.6 表面张力的尺寸效应
• 2.2 基于表面张力驱动的MEMS自组装二维模型及其分析
• 2.2.1 二维分析
• 2.2.2 最终自组装角度的控制
• 2.3 基于表面张力驱动的MEMS自组装三维模型及其分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 MEMS焊点自组装动态建模与仿真分析
• 3.1 Surface Evolver简介及其建模基础
• 3.1.1 Surface Evolver介绍
• 3.1.2 力计算方法及其在自组装模型中的应用
• 3.2 基于Surface Evolver的MEMS焊点自组装动态建模
• 3.2.1 动态模型的建立
• 3.2.2 动态模型的验证
• 3.3 MEMS焊点自组装动态模型仿真分析
• 3.4 动态模型结果分析及其与当前研究的对比
• 3.5 本章小结
• 第四章 ANSYS中自组装模型的重构与组装热变形建模
• 4.1 ANSYS简介
• 4.2 ANSYS中动态模型重构及实体模型建立
• 4.2.1 模型重构及实体模型建立缘由
• 4.2.2 模型重构及实体模型建立流程
• 4.3 自组装模型热分析探讨
• 4.4 热分析基本理论
• 4.5 网格划分
• 4.5.1 单元类型的选择及材料属性的设置
• 4.5.2 网格控制
• 4.5.3 生成网格
• 4.6 加载与求解
• 4.6.1 约束条件及温度相关载荷
• 4.6.2 微观作用力
• 4.7 本章小结
• 第五章 自组装模型热变形、应力分析技术
• 5.1 表面张力驱动的自组装角度精度控制分析
• 5.2 微构件Z方向变形比较分析
• 5.3 微构件应力比较分析
• 5.3.1 等效应力比较分析
• 5.3.2 X方向应力比较分析
• 5.3.3 Y方向应力比较分析
• 5.4 限位（自锁）机构的设计与分析
• 5.5 研究成果对比分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 MEMS焊点自组装试验规划
• 6.1 试验目的
• 6.2 试验设计
• 6.3 自组装试验流程
• 6.3.1 工艺流程
• 6.3.2 试验步骤分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士期间的主要研究成果