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精密电子连接器平坦度之模流分析与实际射出是嘛

发布时间:2021-07-13 20:01:16 阅读: 来源:大班椅厂家
精密电子连接器平坦度之模流分析与实际射出是嘛

精密电子连接器平坦度之模流分析与实际射出组件比较

摘要:精密电子连接器在电子产业进入轻薄短小的需求下,以从早期穿孔式(DIP)焊接于印刷电路板上演变成表面粘着技术(SMT)。在此技术下,精密电子连接器焊脚的平整度成为最重要的产品规格。在影响连接器塑料组件平整性的众多参数中,以翘曲变形最为关键。本研究针对此问题,以目前产业实际使用的电子连接器为例,利用田口实验规划,探讨在两种不同材料(PA6T, LCP),三种射出条件(射出温度、射出压力、充填时间),对于连接器平坦度的影响。结果发现,就PA6T材料而言,模流分析所预测的较佳成型条件与实际射出成品相符,然而LCP材料,模流分析所预测的最佳成型条件与实际成品有些许误差。就射出成型条件而言,两种材料的射出温度均在315度可达到最佳平坦度,而射出压力则分别为130 MPa (PA6T)及140 MPa (LCP),差距并不大。而由于LCP的流动性较PA6T好,因此充填时间LCP只需0.9秒,而PA6T则需1.5秒。此外,以玻璃纤维含量针对LCP材料做平坦性分析,发现玻璃纤维含量越多时,其平坦度越好。因此,玻璃纤维含量似乎可补偿因流动性佳所造成的翘曲变形。然而在实际应用上玻璃纤维含量过多将造成实际成型不易。因此不同射出料的物性,需搭配不同的射出条件,而模流分析提供一个有效的评估标准。

关键词:精密电子连接器、模流分析、田口法、翘曲

一、 前言

近年来电子产业的趋势朝向高密度及薄型化,伴随着相关芯片零组件的薄型化,基板接续用连接器也被要求低背化、细脚距化与省空间化[]。对于表面粘着技术的连接器(SMT connector)而言,由于连结器的焊接温度介于℃,因此在材料选用上,必须考虑成型性及耐热性。一般基于成本考量,常用的材料有PA6T及LCP。由于这些材料在射出成型过程中,树脂(resin)会因为在各个方向的不同的收缩率而产生翘曲变形,此变形对于组装后之成品平整度影响甚钜,因此本文针对此一主要产品特征,探讨射出温度、射出压力、充填时间三种制程参数,及添加纤维的量对于所射出的连结器其翘曲度的影响,进而提供业界在设计与制造连结器的重要参考数据。

二、实验规划

精密电子连接器射出成形产品,因其尺寸小及厚度薄,故在材料选择上或是制程参数规划上应有所差异,故透过模具制作与产品实际射出成形以便修正及核对实务之正确性。在材料构成公道开发、有序生产、高效利用、技术先进、集约发展的稀土行业延续健康发展的格局选择上,不同材料如PA 6T、LCP,其流动性有不同,选择适合材料至为重要,而不同产品因造型各异,是否材料各异,也为重要探讨范围。在制程参数上选择、射出温度、射出压力、充填时间等作为控制参数,从文献中得知射出温度为制程中最重要参数[],然而对于业界量产考量,射出压力及充填时间之调整,可使成型时间变短,进而增加产量,然而射出压力太大将导致成品收缩、变形,因此这些变量彼此相互影响,关联性非常复杂,因此必须利用田口法[未来绕过农业步骤],以最少仿真次数,得出不同材料的最佳化射出制程参数。而判别的主要参数为连结器的翘曲度。

透过本研究实验所规划之流程(图1),搭配田口实验规划法,加以探讨模流分析与实际射出成形所得之结果,是否可有效改善塑料平坦度,进而获得最佳化之射出成形参数。

图1. 实验流程

塑料射料PA 6T在设定射出温度、射出压力、充填时间之条件参数后,这些参数将作为仿真之参数,如表1所示。透过田口方法实验规划,可得L9直交表,如表2所示。依据L9直交表,可清楚得知有9组田口规划之实验参数,再分别针对这9组参数,实际作射出成形,并量测实际其塑料翘曲度,量测之结果,大部份数据皆不符合塑料翘曲度(Flatness) 0.05mm规格内,如表3所示。仿真实验数据为第2组,其参数为射出温度315℃、射出压力 130 MPa、充填时间1.5 s,如表4所示。

表1.参数设定(PA 6T) 表2. 田口规划法之L9直交表(PA 6T)

表3. 实际射出9组之平整度(PA 6T) 表4. 仿真射出9组之平整度(PA 6T)

由实验数据输入田口法计算机程序后,经因子变动计算,可得S/N(讯号/噪声比),如图2所示。由S/N得到最佳化参数为,射出温度315℃、射出压力130 MPa、充填时间1.5 s。此最佳化参数出现于田口规划法L9直交表内之第二组实际数据,而且实际射出与仿真射出所得之数据也都是第二组为最佳的,由此可得知PA 6T田口法最佳化组合与实际射出与仿真射出是互相对应的,符合理论与实务相互映证,最佳化成形之塑料其平坦度为0.04mm,符合平坦度不超过0.05mm之目标值。

图2. S/N讯号噪声比(PA 6T)

塑料射料LCP在已设定射出温度、射出压力、充填时间之条件参数后,再设定仿真之各参数,如表5所示。透过田口方法实验规划,可得L9直交表,如表6所示。依据L9直交表,可清楚得知有9组田口规划之实验参数,再分别针对这9组参数,实际作射出成形,并量测实际翘曲度,量测之结果,大部份数据皆不符合塑料翘曲度(Flatness) 0.05mm规格内,如表7所示。仿真之最佳化参数为第三组,其参数为射出温度315℃、射出压力 140 MPa 、充填时间0.9 s,如图3所示。

表5.参数设定(LCP) 表6. 田口规划法之L9直交表(LCP)

表7. 实际射出9组之平整度(LCP) 表8. 仿真射出9组之平整度(LCP)

图3. S/N讯号噪声比(LCP)

由实验数据输入田口法计算机程序后,经因子变动计算,可得S/N(讯号/噪声比),如图3所示。所得到最佳化成形参数为射出温度315 ℃、射出压力130 MPa 、充填时间0.8 s。此最佳化参数出现于田口规划法L9直交表内之第二组实际数据,但与实际射出及仿真射出之最佳值是不相符的,仿真射出为第三组最佳,然实际射出数据为第三组最佳,虽然田口最佳化组合与实际和仿真并不相符,不过距离最佳实际射出数据仅差0.001mm,已相当接近;最佳化成形之塑料其平坦度为0.05mm,符合平坦度不超过0.05mm之目标值。

三、结果与讨论

从PA 6T 之S/N (讯号/噪声比),可观察出,不论是射出温度、射出压力、充填时间,均有相当明显之趋势,S/N(讯号/噪声比)亦是取最大值,故所呈现之最佳成形参数为射出温度315 ℃、射出压力130 MPa、充填时间1.5 s,这组最佳化成形参数,出现于田口规划法L9直交表内之第2组实验数据,然而实际射出之塑料平坦度数据为0.04 mm,此量化数据符合平坦度不超过0.05 mm之目标值,其余仿真之8组,均未能符合小于0.05 mm规格内。塑料PA 6T经田口法所规划出L9直交表后,分别作9组实际射出与仿真射出,从实际射出可得知第2组为最佳,其数据呈现之分布,最大数值为0.097 mm,最小数值为0.040 mm,两者相差值为0.057 mm,然仿真射出也是为第2组最佳,其最大数值为0.1151mm,最小数值为0.0452 mm,两者相差值为0.06911 mm;然实际射出与仿真射出之总相差值为0.0294 mm;两者相较之下,可看得仿真射出的差异性较高。数据波动也比较实际射出之数据波动来得大。实际射出与仿真射出之翘曲度,有相同之趋势,如图4所示。故从仿真中,就可以先观察其最佳值为何,如图5-图7所示,若异常之处,可随时作调整。在PA 6T实际射出与仿真射出中,知射出温度最为重要,再者为射出压力,最后为射出时间。

图4. 实际与仿真射出之平坦度结果 (PA 6T) 图5. 充填100%之熔胶波前图 (PA 6T)

图6. 充填100%之压力图 (PA 6T) 图7. 充填100%之翘曲图 (PA 6T)

从LCP之S/N(讯号/噪声比),可观察出,除了射出温度外,射出压力与充填时间,均未有相当明显的趋势,S/N(讯号/噪声比)亦是取最大值,故所呈现之最佳参数为射出温度315℃、射出压力130 Mpa、充填时间0.8 s,这组最佳化成形参数,正好出现于田口规划法L9直交表内之第2组实验数据,然而实际射出成形第二组之塑料平坦度数据为0.051mm,此量化数据未符合于0.050mm目标值内,实际射出最佳值是第3组,其平坦度数据为0.050mm符合目标值之内,与田口法之最佳化组合相比,两者不相符;其余8组均未符合不超过平坦度0.050mm目标值内。实际射出之数据中,第三组实验数据是0.050mm最佳的,次者为第二、四组,两组实际射出之塑料平坦度为0.051mm;在此说明为何田口规划之第二组最佳化成形,于实际射出中,并不是最好的,因为从S/N(讯号/噪声比) ,可观察出,射出温度的斜率趋势是相当清楚的,但射出压力所呈现之斜率趋势却是相当不明显的,并且其值已相当接近S/N标准值(红色虚线),这显示在此射料LCP中,射出压力所扮演的参数,并不属于关键参数,但反之也可以说,因设定之射出压力太高,导致斜率趋势不明显,然就充填时间0.8s、0.9s而言,其呈现两者相互接近之状况,与0.7s区隔相当明显,这显示出时间以0.8s、0.9s,均为佳,0.7s是不可行之参数。综合上述之因素,可能因为设定射出压力过大,导致射出成形之实验值,无法很明确被区分,对此将安排实验,以厘清射出压力影响程度为何,故田口规划法L9直交表内之第二组实验数据最佳化成形之组合,虽然未符合不超过0.050mm目标值内、但与三、四组均相当接近,仅差0.001mm,如图8所示,此实验仍具有参考性,从仿真射出中可得到LCP所须之压力较小,如图9-图11所示,在此可得知,射出温度为最重要,次之为射出时间,再者为射出压力。

图8. 实际与仿真射出之平坦度结果 (LCP)。 图9. 充填100%之熔胶波前图 (LCP)。

图10. 充填100%之压力图 (LCP)。 图11. 充填100%之翘曲图 (LCP)

因射出压力所呈现之斜率趋势却是相当不明显的,并且其值已相当接近S/N标准值(红色虚线),这显示在此射料LCP中,射出压力所扮演的参数,并不属于关键参数,但反之也可以说,因设定之射出压力太高,导致斜率趋势不明显,如果调降射出压力的话,或许可以找出更有利找出射出压力之最佳参数,为此,再次以仿真方式,将9组压力参数全部调降70 MPa,然射出温度与时间均维持不变,来反推压力是否有影向到塑料平坦度品质,仿真结果发现,压力经全部调降60 MPa后,再次仿真,所得之塑料平坦度数据,均与未降调射出压力之时,所得之塑料平坦度数据是相同的,这显示压力在LCP塑料而言,不是重要的因子,这也映证即有之基础理论,因为LCP塑料其流动性高,故其所使用之射出压力,远比PA 6T塑料,来得低许多。此时面临到,成形参数已无法再作调整时,又为了找出如何优化LCP所射出之塑料平坦度时,特别安排一仿真实验,于LCP塑料中,增加其玻璃纤维含量,藉由不同比例之玻璃纤维含量,来优化塑料平坦度,实验方式,安排四组不同比例玻璃纤维成量,含原先30%之玻璃纤维含量,增加为40%、50%与60%,实验结果发现,LCP塑料,随着增加玻璃纤维至40%、50%及60%之后,其塑料平坦度愈来愈更好了,这是因为玻璃纤维有助于加强塑料的强度,可有效改善了塑料平坦度,60%玻璃纤维含量,最大可改善0.00723mm,如表9、图12所示。

在随着玻璃纤维含量增多的同时,也要注意到,玻璃纤维含量增多,相对的实际射出成形也会变得较不易,系因玻璃纤维本身具有韧性,会影响熔料流动的顺畅性,进而造成实际射出成形不易。在此仿真射出成形中,射出温度其斜率相当明显,次者为射出时间,射出压力在LCP料中,并不是关键参数之一,故可得知在此LCP仿真射出中,射出温度最为重要,再者为射出时间及射出压力。

表9. 仿真四种不同含量的玻璃纤维之射出塑料平坦度结果 (LCP) 图12 仿真四种不同含量的玻璃纤不但节俭了建造本钱维之射出平坦度折线图 (LCP)

综合上述之结果讨论,PA 6T与LCP经过仿真分析与射出实验,实际射出之连结器可改善至0.05mm以下,这是藉由田口法与仿真所得之结果。在本研究中,为了追求更好之平整度效果,特此增加一仿真试验,以增加塑料本身之玻璃纤维含量,可使平整度更佳。这可带给设计工程师另一观念,在选用适当的塑料,及其配合之玻璃纤维含量的多寡,都是相当重要的,这也是一门学问。从这个研究当中,可得知在射出制程参数上,无论是实际射出或仿真射出,均显示射出温度是最重要的因子;然在射出压力中,PA 6T所须之射出压力相较于LCP所须之射出压力来得大,因为LCP流动性较佳;在此研究中可得知,最适合的材料为PA 6T,因其射出成形所得之塑料平整度为最佳。PA 6T从S/N(讯号/噪声比),可观察出,不论是射出温度、射出压力、充填时间,均有相当明显的趋势,且实际所射出之数据,差异性明显,故PA 6T适合高精度之产品;LCP从S/N(讯号/噪声比),可观察出,除了射出温度、充填时间外,射出压力并未有明显的趋势,且实际所射出之数据,差异性不甚明显,故LCP适合高稳定性之产品制作。

四、参考文献

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实验载荷随球直径不同而不同

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[5] Y.K. Shen, S.L. Yeh and S.H. Chen, “Three-Dimensional Non-Newtonian Computations of Micro-Injection Molding With The Finite Element Method“, Int. Comm. Heat Mass Transfer, Vol. 29, No. 5, pp. , 2002.

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[8] 丁志华、戴宝通 ” 田口实验计划法(I) ” 毫微米通讯、第八卷、第三期。

[9] 张旭铭博士 “板形与平坦度最佳化田口式分析” 高苑技术学院 自动化工程学系。(end)

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