基于喷印技术的固液两相流流变特性研究及材料设计

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相对于传统的丝网印刷,喷印技术更加适用于表面组装技术向高密度、柔性化生产方向发展。近年来,国内外学者在无铅焊膏成分设计、喷印设备和喷印工艺等方面展开了大量的研究工作,取得了一定的进展,但由于缺少相关材料的流变学研究,喷印性能的控制理论尚没有建立,影响了喷印技术在电子组装领域的推广应用。研究适用于喷印技术的焊膏及导电银胶,建立固液两相流体材料成分与流变特性及喷印效果之间的关系,将为更广泛的适用于喷印技术的固液两相流体材料的设计提供参考。本文以Sn-58Bi焊膏、Sn-3.0Ag-0.5Cu焊膏和导电银胶等新型固液两相流体材料为研究对象,系统研究了温度、固相粒径分布、固相含量对固液两相流体粘度、触变性、粘弹性、蠕变恢复性以及储能模量和损耗模量等流变特性的影响和作用机理。在此基础上结合喷印过程跟踪及喷印点形貌,探讨了喷射过程中液滴的断流条件、卫星液滴生成条件和控制方法,在固液两相流流变特性和喷印性能之间建立了一定的联系。研究发现,随着固相含量的降低,焊膏的粘度显著下降,并具有剪切变稀性质。助剂中添加HCO后触变系数Ti显著提高,低固含量焊膏通常具有较大的Ti值。焊膏在振荡应力作用下具有粘弹性,存在LVR区且G’>G”。在稳态剪切流场测得的粘度与SAOS流场中计算出的动态复合粘度模量大小接近,焊膏的流变符合Cox-Merz经验公式。焊膏在稳态剪切流场的粘度符合Herschel模型。温度升高和固相含量降低都可以降低焊膏在LVR区的损耗系数及流动应力,有利于焊膏发生流动。低粘度焊膏通常具有较大的蠕变柔量JC和恢复柔量JR值。焊膏在发生低速剪切0.01s-10.0161s-1时,焊膏表现出剪切增稠性质。随着剪切速率增大,焊膏所受剪切应力超过流动应力后,焊膏由剪切增稠转变为剪切变稀。焊膏触变环的上行线与下行线存在滞后性,说明焊膏具有明显的触变性。温度提高后触变环面积减小,未恢复应力值下降。含有Sn-3Ag-0.5Cu焊粉颗粒的焊膏比Sn-58Bi焊膏具有更大的触变滞后性。焊膏的喷射过程包括初始胀大、颈缩、断裂和卫星液滴形成四个阶段。在35℃、45℃、55℃观察到焊膏在喷印过程中的坍塌行为,发现焊膏喷射的飞溅来源于焊膏喷射过程前期断裂过程推迟,向上收缩的残余液滴发生断裂形成第二个卫星滴。喷印焊点的高径比与粘度的平方根成正比,与喷嘴直径d成正比。温度提高后喷印焊点的高径比随之下降,高固含量的P10焊膏和低固含量的P12焊膏分别在55℃和50℃时取得最接近0.5的高径比。焊膏在喷印过程中出现卫星滴的临界长度7)*((7)=0.317mm。喷印过程中焊膏的主液滴长度超过此临界长度,所以在喷印过程中均出现了卫星滴。高粘度焊膏的高径比一般超过1,喷印焊点的点径较小,容易发生坍塌;低粘度焊膏的高径比相对较小,但断裂位置和卫星滴的拉尖也会降低喷印质量。表观粘度为95.2Pa.s的P3焊膏具有最佳的高径比和喷印焊点形貌。导电银胶在稳态剪切流场的粘度符合Cross模型,流变符合Cox-Merz经验公式。SAOS流场中导电银胶在LVR区G”>G’,粘性成分占主体,显示出粘弹性流体特征。提高温度后导电银胶的LVR区长度减少,G’与G”曲线间距趋于减少,LVR区内相位角迅速下降。温度升高和固相含量的降低均会导致导电银胶蠕变恢复性的下降。55℃时A1导电银胶在5Pa应力作用下的蠕变恢复率为0.21%,在50Pa应力时仅为0.007%。导电银胶在低于45℃时,低速剪切状态下存在剪切增稠现象,0.01s-10.053s-1的剪切速率范围内A1的粘度逐渐上升,最大值为505.9Pa.s。当所受剪切应力超过流动应力后,银胶显示剪切变稀效应。当温度达到45℃以上时,银胶只存在剪切变稀性质。导电银胶在较低温度和较高固含量时断流时间长,断流部位靠近喷嘴,卫星滴较长导致喷印点出现较多拉尖和桥连。低固含量的A1导电银胶在50℃时喷印效果最好,对应喷印点高径比为0.35。
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