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1 引言
胶液分配技术广泛应用于表面贴装领域[1，2]。常用的胶液分配方法主要有以下几种，即时间/压力式（Time/Pressure）、螺杆泵式（Auger Pump）、活塞泵式（Piston Pump）和喷射分配方式（Jet Dispensing）。由于胶液喷射分配为非接触式胶液分配方法，具有速度快、分配效果高及不受芯片封装空间限制等优点，该技术正逐步取代传统的接触式胶液分配方式。在胶液喷射分配技术中，胶滴分配到电路板上后，经过相关固化处理，最终实现电子元件与电路板间的稳定粘接。
胶液分配技术中，最关键的部分在于胶液喷射分配器的参数设计，包括喷针与壁面间隙、喷嘴尺寸等。尽管胶液喷射技术的机理在文献[3]中已经阐述过，且初步研究了胶液分配过程中分配器内胶液的流动情况，但是喷针运动对胶液流动及胶液射出的影响规律还未完全清楚。本文采用ANSYS FSI（Fluid Structure Interface）对该物理过程进行数值仿真研究。
由于喷针及喷嘴尺寸很小，喷针直径约为3mm，喷嘴直径大约0.2mm，喷射分配器的设计及分配过程的实验研究非常困难。对该情况过程进行数值仿真也比较困难。虽然有限元法在很多领域中应用，涉及到结构运动和流体相互作用的流固耦合问题仍是一个难点。从计算的角度看，在边界运动的情况下，有必要采用任意拉格朗日欧拉法（ALE）使网格保持规则性。
2 仿真
2.1 数学模型
胶液喷射过程中，在完成一次喷射过程后，气体压力作用将喷针提升至最高位置，同时较液填充到喷针所占据区域，喷针上方的弹簧也被压缩；经过一定时间后，弹簧力的作用将喷针推下，与基座发生碰撞，切断并喷射出胶液，完成再一次的喷射分配过程。
为了研究喷针运动下胶液的流动规律，本文中建立了3个独立的数学模型，如图1所示，其（a）和（b）分别为胶液喷射过程中，初始时刻及最后时刻的胶液在胶液压力作用下的流动模型，（c）代表的是胶液喷射器中胶液流动与喷针运动耦合作用模型，在模型（a） 和模型（b）中我们只考虑胶液在压力作用下的流动。
对黏性不可压缩胶液流动，我们采用ANSYS软件提供的层流模型，对流固耦合FSI界面，采用无滑移边界条件。我们对喷针选择线形弹性模型，杨式模量取足够大，以保证喷针不发生变形。
2.2 仿真考虑
我们不详细讨论有限元离散过程，为了适应该问题的复杂性，重点阐述仿真中必需考虑的问题。当对结构界面运动较大情况进行分析时，通常采用任意拉格朗日欧拉法（ALE）以使结构周围的有限元网格能够随结构的运动或变形而发生移动。当流体与固体界面随结构的运动而变化时，流体网格发生移动，从而网格的规则性得到保证。一般地，结构部分采用拉格朗日描述，在仿真计算过程中，流固耦合界面上的流体节点保持与固体节点相联。界面上流体节点的网格速度与相应的流体/固体节点速度相等。在流体区域的外边缘，采用欧拉法进行描述，且起始速度为零。在固体周围的流体区域，网格速度随距固体表面距离的增大而减小。
流体运动由不可压缩Navier－Stokes方程来控制，其任意拉格朗日欧拉法描述如下[4]：
其中：V为流体速度，V为流体网格速度，p为流体压力除以密度，v为动力黏度，fb代表体力。
ANSYS FSI 分析通常的步骤包括3部分[5]：首先，为流体区域建模，进行网格划分，加载并标记流固作用界面（FSIN）；接着，确定固体区域并建模，进行网格划分，加载并标记流固作用界面（FSIN），注意两个标记数必须相同，最后，对求解选项进行设置，特别要打开流体分析的ALE选项。在瞬态分析的每个时间步内，流固耦合求解过程中，每次都要执行求解多次迭代。在我们的问题中，喷针运动0.0014s与基座发生碰撞，我们取时间步为0.000014s，即分100步进行运算。同时，每个时间步内进行50次迭代。为了减少运算时间和避免求解过程中"负体积"单元的产生，必须选择适当的网格密度和网格形式。模型（a）、（b）和（c）的网格划分如图2所示。
2.3 仿真结果
本文中考虑的胶液喷射器的结果参数包括喷针与壁面之间的间隙、出口半径及出口长度、胶液存储区半径及长度、喷针半径及喷针长度、楔面倾角和胶液进口段长度，在3个模型中，我国采用相同的结构参数，胶液参数为：胶液密度ρ＝1200kg/m3，胶液黏度n＝12.5Pa·s，胶液进口压力取为2个大气压，喷针运动加速度取为1000m/s2。
模型（a）和（b）中没有考虑喷针运动对胶液流动的影响，其流动为压力作用下的流动。图3给出了模型（a）的仿真结果，最大压力为2个大气压，出口处最大速度仅为0.4338m/s。由于楔面处胶液流动空间较大，故胶液的回流现象并不显著，最大回流速度0.00305m/s。图4给出了模型（b）的仿真结果，由于楔面处胶液流动空间非常狭小，胶液流动受到很大的阻滞，胶液的压力分布发生了较大的改变，其中楔面下方的胶液压力约为模型（a）的10％左右。同时，速度分布图可以看到，胶液回流愈发显著，但是出口最大速度仅为0.00539m/s。根据文献[6]，只有当胶液动能足够大，才能克服胶液表面张力作用实现喷射。显然0.00539m/s的速度不足以实现喷射。
图5给出了最后时刻喷针运动与胶液流动耦合作用下胶液的压力分布及速度分布。喷针运动对胶液的作用包括以下两方面：对侧壁胶液施以拖曳作用；对喷针球面下方胶液形成挤压作用。当喷针下方胶液压力大于侧壁处胶液压力时，形成了胶液回流。由图5可以看出，最大压力出现在喷针与楔面碰撞位置，回流压力达到了2.79×106Pa。出口处速度达到了13.46m/s。胶液回流饲料达到了3.5m/s，比较图4与图5，喷针运动对胶液的流动及喷射的实现有着重大的影响。
3 结束语
本文利用ANSYS软件对胶液喷射器内胶液流动进行了数值仿真研究。文中采用ANSYS FSI及任意拉格朗日欧拉法研究了喷针运动与胶液流动的耦合作用，得到了该过程中胶液压力及速度分布规律。结果证明，该方法是真实有效的。根据仿真结果的对比，得出喷针运动直接影响了胶液喷射技术实现的结论。 |
