基于釬料球重熔的MEMS微部件自組裝及熔滴激光驅(qū)動(dòng)行為.pdf

1、基于微釬料熔滴表面張力的MEMS部件自組裝技術(shù)能夠自行實(shí)現(xiàn)對(duì)微機(jī)械部件的組裝，形成具有高深寬比的三維復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，對(duì)微機(jī)械部件的制造具有重要意義。與此同時(shí)，微液滴的驅(qū)動(dòng)行為則為MEMS微開(kāi)關(guān)及微流體器件提供了關(guān)鍵技術(shù)，能夠啟發(fā)新型MEMS器件的研發(fā)。本文基于激光重熔工藝開(kāi)發(fā)了一種新型的MEMS自組裝技術(shù)，并搭建了高精度的自組裝微操作平臺(tái)；通過(guò)數(shù)值方法與試驗(yàn)相結(jié)合對(duì)影響自組裝靜平衡位置及精度的各因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；并基于計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)

2、自組裝的動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)過(guò)程、釬料同微部件之間的流固耦合機(jī)制進(jìn)行了深入分析；同時(shí)，還首次對(duì)固體基板上微釬料熔滴的激光驅(qū)動(dòng)行為進(jìn)行了探索。
　　自組裝精度影響因素研究表明，自組裝角度偏差小于2.5°；隨著焊盤(pán)尺寸和長(zhǎng)寬比的增大，自組裝靜平衡角度越??；同時(shí)，自組裝中使用的釬料體積越小，靜平衡角度越小，越利于自組裝系統(tǒng)保持其靜平衡位置；而在假設(shè)完全鋪展?jié)櫇竦那疤嵯?，釬料的表面張力及接觸角變化對(duì)自組裝靜平衡位置幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響；在焊盤(pán)尺寸／釬料球

3、直徑一定時(shí)，其靜平衡位置幾乎相同，這一比值可定義為自組裝尺寸因子η。
　　對(duì)無(wú)鉸鏈自組裝結(jié)構(gòu)的能量分析表明，系統(tǒng)具有減小固定和活動(dòng)微部件之間間距的趨勢(shì)（由此提出了“虛鉸鏈”的概念），該趨勢(shì)會(huì)逐漸隨著活動(dòng)微部件接近于靜平衡位置而減小，當(dāng)活動(dòng)微部件達(dá)到靜平衡位置時(shí)，間距閉合趨勢(shì)消失。針對(duì)無(wú)鉸鏈結(jié)構(gòu)基于引線鍵合工藝，開(kāi)發(fā)了一種新型的MEMS自組裝限位結(jié)構(gòu)，在引入該限位結(jié)構(gòu)后，自組裝角度偏差小于0.5°。
　　基于數(shù)值研究方法探尋了

4、微釬料熔滴的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕行為，結(jié)果表明動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕角模型更適合于對(duì)快速潤(rùn)濕鋪展過(guò)程進(jìn)行擬合，隨著潤(rùn)濕鋪展時(shí)間的加大，會(huì)降低擬合準(zhǔn)確性。在潤(rùn)濕鋪展的初期快速鋪展階段，Rw(t)~tn（n=0.32~0.45）關(guān)系能很好的擬合潤(rùn)濕半徑隨時(shí)間的變化，但當(dāng)釬料趨于平衡狀態(tài)時(shí)，擬合出現(xiàn)偏差。進(jìn)一步研究表明，釬料的潤(rùn)濕鋪展過(guò)程可以通過(guò)兩段 Rw(t)~tn關(guān)系進(jìn)行擬合，n值的差異意味著潤(rùn)濕鋪展機(jī)制的轉(zhuǎn)變。
　　自組裝動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究結(jié)果表明，自組裝中釬

5、料熔滴優(yōu)先鋪展翻轉(zhuǎn)的活動(dòng)微部件，之后才在固定微部件上快速鋪展。翻轉(zhuǎn)過(guò)程具有增大同一時(shí)刻下釬料熔滴在活動(dòng)微部件上的動(dòng)態(tài)接觸角的趨勢(shì)，增大潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)力，使得活動(dòng)微部件上熔滴潤(rùn)濕速率更快，呈現(xiàn)出優(yōu)先鋪展的不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。轉(zhuǎn)矩分析表明，自組裝動(dòng)態(tài)過(guò)程中凈轉(zhuǎn)矩Mnet上下振蕩，接觸線的前進(jìn)會(huì)加劇Mnet的復(fù)雜性。平衡位置附近，Mnet會(huì)一直保持在0值附近波動(dòng)，且正負(fù)兩邊的波動(dòng)接近對(duì)稱(chēng)。能量分析表明，自組裝釬料熔滴及微部件動(dòng)能相對(duì)于減少的釬料表面能而言十

6、分微小，能量轉(zhuǎn)換效率較低，大部分能量通過(guò)轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的方式耗散。
　　對(duì)影響自組裝動(dòng)態(tài)過(guò)程的各因素分析表明，隨著釬料熔滴體積的減小，自組裝翻轉(zhuǎn)的速度也越快；釬料潤(rùn)濕鋪展速度較慢時(shí)，自組裝過(guò)程呈現(xiàn)出明顯的“快-慢-快”的三階段，這是釬料不對(duì)稱(chēng)鋪展的結(jié)果。而釬料潤(rùn)濕鋪展速度較快時(shí)，翻轉(zhuǎn)作用對(duì)于潤(rùn)濕力的增強(qiáng)效應(yīng)減弱，釬料熔滴呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)鋪展的趨勢(shì)。對(duì)于自組裝翻轉(zhuǎn)速度而言，當(dāng)翻轉(zhuǎn)速度較慢時(shí)，釬料熔滴自由表面能最低。翻轉(zhuǎn)速度較快時(shí)，釬料熔滴自由表

7、面能會(huì)出現(xiàn)升高的趨勢(shì)，之后隨著固定微部件上接觸線的快速前進(jìn)，又會(huì)急劇降低。
　　最后，使用激光偏置局部加熱方法在開(kāi)放的固體基板上成功實(shí)現(xiàn)了微釬料熔滴的驅(qū)動(dòng)，熔滴總是向著激光中心一側(cè)（熱端）移動(dòng)，之后當(dāng)激光束中心線同釬料熔滴對(duì)稱(chēng)中心重合時(shí)，熔滴停止前進(jìn)。這同一般的液滴熱致驅(qū)動(dòng)方向（向冷端移動(dòng)）正好相反。定性及定量分析結(jié)果表明微釬料熔滴驅(qū)動(dòng)過(guò)程中， Marangoni對(duì)流及釬劑蒸汽反沖作用力會(huì)推動(dòng)熔滴向偏離激光束中心一側(cè)移動(dòng)（冷端），