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連接器之回流焊熱翹曲分析

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連接器之回流焊熱翹曲分析

發布日期:2022-05-21 14:52 來源:http://www.destinationoresund.com 點擊:

    連接器在射出成型后,由于各部位的冷卻速率的不同,材料收縮不均,以及纖維配向等影響,會造成一定程度的翹曲,所以在設計連接器時,通常都會使用CAE模流分析軟體(例如Moldflow)模擬分析產品的翹曲程度,以確定其翹曲值在產品的規范要求之內。


    但對于FPC連接器必須經過回焊制程,將連接器焊在軟性電路板上,經常發生的一個現象是射出成型之FPC連接器翹曲值在規范內,但經過回焊爐的加熱制程,射出成型所殘留之應力及材料非等向性等因素將產生二次變形,往往造成產品翹曲量超越規范值,而無法通過QA的檢驗。


    FPC連接器之熱翹曲現象無法由模流分析軟體單獨預測出來。因此,本研究將結合模流分析軟體Moldflow和結構分析軟體ABAQUS進行FPC連接器之回焊熱翹曲分析,首先以Moldflow模擬FPC連接器之射出成型翹曲值,再經由Moldflow與ABAOUS之接口介面,以Moldflow分析之殘留應力,材料性質及纖維配向為初始條件,并輸入熱場及降伏強度等參數進行ABAQUS之熱應力及變形分析,模擬預測過回焊爐后所產生之熱翹曲值。


一、前言

 

隨著PC周邊連接器的需求趨緩,連接器市場的成長動力正在轉向高利潤率的應用,如液晶電視。根據DisplaySearch發表的資料,全球液晶電視交貨數量年成長達99%。每季度成長達到15%,2006年銷量達到1080萬臺,占全球電視市場的24%。由于一臺LCD TV平均約使用五顆FPC連接器,這一趨勢推動了對平板印刷電路(FPC)連接器的需求。

 

FPC連接器的用途主要在于連接面板與主體結構,日本制造商傳統上在這種產品上處于支配地位,如JAEHirose.由于液晶電視制造商降低平均售價,擴展了產品滲透速度,這一趨勢已經發生了變化。臺灣供應商能夠以比日本供應商便宜10%30%的價格提供FPC連接器。與PC連接器相比,FPC的利潤空間仍然相當令業者滿意。相對而言,很多臺灣制造商還是FPC連接器制造領域的新軍。再加上液晶電視市場的成長,預計對FPC連接器的需求也將提升。

此外,FPC連接器不只應用于液晶電視,由于FPC連接器的電纜保持力極高,能夠提供安全可靠的連接,非常適合手機,數位相機等應用,以及其他緊密封裝的應用。

 

二、回焊熱翹曲之行為探討

 

當一個連接器產品圖面設計完成后,經過一連串的測試分析,一直到開模做出成品,其過程需要花費大量的時間金錢以及人力物力,但若成品出現瑕疵或形狀不合原設計的規范時,之前花費的金錢往往是白費的,常常發生花了很多錢開模,而做出來的成品卻不能用的情形,因此用電腦分析模擬出可能出現的瑕疵或問題,便可以節省大量的開發成本,在以往的Moldflow分析模擬只能預測到產品射出成形后的階段,之后過回焊爐所產生的翹曲是無法預測的,因此更進一步預測產品過回焊爐后所產生之熱翹曲,則為本文的研究動機,藉此研究來節省開發成本,則為此研究之目的。

 

三、基本理論

 

3.1 連接器射出成形流程

1)螺桿旋轉將塑料輸入料缸,并加熱塑化。

2)可動側模盤前進將模具閉臺。

3)螺桿前進將熔膠射入模穴直至填滿。

4)進行壓縮使模穴內的熔膠密度升高,避免冷卻收縮。

5)持續續壓動作,直到澆口處不發生流動。

6)模穴繼續進行冷卻,螺桿旋轉進行下一周期之進料塑化動作,并逐漸后退至進料行程設定位置為止。

7)模穴繼續進行冷卻直到冷卻時間結束。

8)可動側模盤后退將模具打開。

9)頂出機構前進將成品項出。

10)取出成品,進行必要動作如噴脫模濟,安置內插物等。再重新執行步驟(1)。

 

3.2翹曲原理

翹曲是連接器未按照設計的形狀成形,卻發生表面的扭曲,翹曲是由于成形塑件的不均勻收縮。假設整個模型有均勻的收縮率,就不會發生翹曲,而僅僅會縮小尺寸;然而,由于分子鏈,纖維配向、模具冷卻、塑件設計、模具設計及成形條件等諸多因素的交互影響,要能達到低收縮或均勻收縮是一件非常復雜的工作。

圖一 塑件添加填充料與否,造成不同方向的收縮率差異。

圖二 塑件翹曲,原因:(a)不均勻冷卻;和(b)不對稱冷卻。

 

圖三 低冷卻速率區域的高度結晶使塑件產生較大的收縮量。

 

 

圖四 塑件帶肋一側冷卻較差,導致翹曲。

 

翹曲的主要原因為收縮不均,收縮率變化的原因包括:塑件內部溫度不均勻。塑件凝固時,沿著肉厚方向的壓力差異和冷卻速率差異。塑件尚未完全冷卻就頂出,或是頂出銷變形,倒勾太深,頂出方式不當,脫模斜度不當等因素都可能造成塑件翹曲。塑件肉厚變化導致冷卻速率的差異。塑件具有彎曲或不對稱的幾何形狀。塑件材料有,無添加填充料的差異。流動方向和垂直于流動方向之分子鏈,纖維配向性差異,保壓壓力的差異(例如澆口處過度保壓,遠離澆口處卻保壓不足)。

 

3.3回焊熱翹曲現象

 

造成回焊熱翹曲的主要原因為射出成型后所殘留之應力、材料熱膨脹非等向性,以及熱塑性變形等因素。

連接器在射出成形后,在冷卻過程中,外部收縮,但內仍維持高溫,收縮較外部緩慢,待冷卻后會造成連接器內外部承受自體一拉一壓之應力。這些應力一部份會形成翹曲,一部份會留在連接器內,為殘留應力。等到連接器經過回焊制程時,殘留應力將會釋放,造成回焊熱翹曲。

連接器在射出成形后,其材料為熱膨脹非等向性,因此,經過一回焊制程之熱場后,會形成不均勻之熱脹冷縮,Z終造成連接器的熱翹曲變形。

四、結合MoldflowABAQUS進行回焊熱翹曲有限元素分析

      FPC連接器之熱翹曲現象無法由Moldflow模流分析軟體或ABAQUS結構分析軟體單獨預測出來。因此,本研究將結合模流分析軟體Moldflow和結構分析軟體ABAQUS進行TFT-LCD面板FPC連接器之回焊熱翹曲分析,首先以Moldflow模擬FPC連接器之射出成型翹曲值,再經由MoldflowABAQUS之接口模塊介面,以Moldflow分析之殘留應力、材料性質及纖維配向為初始條件,并輸入熱場及降伏強度等參數進行ABAQUS之熱應力及變形分析,模擬預測過回焊爐后所產生之熱翹曲值本研究比對所使用之模型為一連接器之蓋板部分。

     本研究使用之塑料皆為PA46,性質如表一。

                   表一 本研究使用之塑料(PA46)性質

                   PA46

Elastic modulus

1st principal direction

14753MPa

Elastic modulus

2nd principal direction

10586MPa

Poissons ratio v12

0.384

Poissons ratio v23

0.435

Shear modulus

3320MPa

Solid density

1.852g/cm3

Specific heat at 51℃

932.5J/kgC

Conductivity at 30

0.309W/mC

 

   回焊制程中FPC連接器必須經過一高溫環境將焊錫熔化,以達到將FPC連接器焊接于PCB板上之目的,回焊爐的加熱方式,為分別由上下兩個方向對連接器以熱風加熱,但連接器之下表面由于與PCB板接觸,故由下往上吹之熱風應被PCB板隔絕,但由上往下吹之熱風則直接作用于連接器上表面,故下表面上升之溫度應較上表面低許多,故本研究之熱場邊界條件設定方式則采用不考慮回焊爐內的溫度變化,在單位時間內持續給定一固定之熱通量于連接器表面,使連接器表面之溫度上升至約240℃,而下表面則不給定熱通量之方式模擬回焊爐之熱邊界條件。

 

    殘留應力,材料非等向性性質,復雜模型幾何皆為影響回焊熱翹曲之重要原因參數,故在此有限元素分析中,加入殘留應力,材料非等向性性質,實際模型幾何三種參數為和實驗結果做一比較。

圖五 蓋板過濾觀測(室溫)

圖六 蓋板未加熱前(比較用角度)

 

 

圖七 蓋板過濾觀測(230℃)

 

 

圖八 蓋板加熱至Z高溫時之翹曲(比較用角度)

 

 

圖九 蓋板過濾觀測(冷卻至92.6℃)

圖十 蓋板冷卻后翹曲(比較用角度)

 

以下之有限元素分析結果圖因需比對其翹曲趨勢,故將其翹曲量放大5倍,圖五~圖十為蓋板空焊之過爐觀測截圖與分析結果之比較。

    比較實際圖片與有限元素分析結果后,可發現到有限元素分析的結果趨勢與實際回焊熱翹曲的趨勢是相同的,皆呈現兩端往上彎的翹曲情形(由實際圖片之視角)。

    圖十一、十二主要比較其過爐前到過爐后回焊熱翹曲之影響。

    由圖十一的結果可由黃圈處觀察到其回焊熱翹曲的趨勢兩端上翹。

    由圖十二同樣也可觀察到加熱后兩端之上翹程度較加熱前高,與實際過爐觀測之回焊熱翹曲趨勢相同。

    綜合本章的結果。證明在加入殘留應力、材料非等向性性質、復雜模型幾何后之回焊熱翹曲有限元素分析與實際之產品進行翹曲趨勢的比對后,其熱翹曲趨勢是一致的,至于更精確到量的比較,因目前具備之實驗設備還無法精準量測其經過回焊制程產生之翹曲值,本研究只做一定性的翹曲趨勢比較。

圖十一 上:加熱前;下:冷卻后;過爐前后比較圖(回焊熱翹曲比較)

圖十二 上:加熱前;下:冷卻后;加熱前后比較圖(回焊熱翹曲比較)

 

五、結論

 

有限元素在工程上的分析應用方面,是更加多元化的,傳統單一探討結構有限元素分析或模流分析已無法解決目前工程上所面臨的問題,多元的耦合分析已漸漸成為主流,例如熱電耦合,流固耦合等。故結合各種不同的領域的有限元素分析技術是非常重要的。

 本文使用MoldflowABAQUS之間的接口介面將Moldflow分析之結果作為ABAQUS分析初始條件及材料參數模擬連接器之回焊熱翹曲現象,產品在經過一回焊制程后,由于溫度升高,對連接器之膠芯造成的回焊熱翹曲現象,并將一簡化之模型做同樣設定之分析,并考慮殘留應力、材料非等向性等參數對翹曲之影響,并以實際模型分析結果來驗證簡化模型結果。Z后再做一實際產品之翹曲趨勢與模擬結果之翹曲趨勢之比對。而得到以下的結論:

(1) Moldflow之分析結果的確可經由其與ABAQUS之介面導入ABAQUS中做運算。

(2) 殘留應力對回焊熱翹曲分析是必要的,因其不僅對Z后之翹曲值有直接關系,且對材料非等向性影響翹曲量時有交互影響之效果,故在考慮到翹曲量的預測時,為不能忽略之重要參數。

(3) 材料非等向性對回焊熱翹曲的影響在于其形變,而在有殘留應力的情況下對翹曲量有增加放大的影響。

(4) 實際連接器之蓋板再過爐觀測中,其蓋板受熱之后確實會產生一回焊熱翹曲,而經由ABAQUS結合Moldflow之有限元素分析后,也可得到相同趨勢之結果。

經由上述之結論,若要改善或預防回焊熱翹曲,其方法有三,減少殘留應力,殘留應力對材料非等向性影響翹曲量時有交互影響之效果,故減少殘留應力應可改善回焊熱翹曲。

 

控制纖維配向,纖維配向為造成材料非等向性之主要原因,可透過Moldflow模流分析預測纖維的配向所造成之材料非等向性,進而透過本研究探究纖維配向對回焊熱翹曲的影響,希望透過本研究找出Z佳之回焊熱翹曲纖維配向。

改變模型幾何,改變模型幾何除了可增強產品之剛性,增加其抵抗回焊熱翹曲的能力,也可改變其受熱的狀況,造成產品和部位之不同程度的熱膨脹以及體積收縮。

 

六、未來發展

 

未來可更進一肯模擬實際之情況,如使用熱流場模擬熱風加熱、設置楊氏係數與降伏強度隨溫度函數改變、設置比熱與熱傳導係數隨溫度函數改變等,相信此類的參數若能提高其精度,便能更進一步由預測回焊熱翹曲之趨勢,精進到預測回焊熱翹曲之翹曲量,達到改善迴焊熱翹曲的目的。


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