Moldflow与有限元分析在连接器产品上的应用。

2016-09-14  by:CAE仿真在线  来源:互联网

引言

连接器在射出成型后,由于各部位的冷却速率的不同,材料收缩不均,以及纤维配向等影响,会造成一定程度的翘曲,所以在设计连接器时,通常都会使用CAE模流分析软件(例如Moldflow)分析产品的翘曲程度,以确定其翘曲值在产品的规范要求之内。但对于FPC连接器必须经过回焊制程,将连接器焊在软性电路板上,经常发生的一个现象是射出成型之FPC连接器翘曲值在规范内,但经过回焊炉的加热制程,射出成型所残留之应力及材料非等向性等因素将产生二次变形,往往造成产品翘曲量超越规范值,而无法通过QA的检验。 FPC连接器之热翘曲现象无法由模流分析软件单独预测出来。因此,本研究将结合模流分析软件Moldflow和结构分析软件ABAQUS进行FPC连接器之回焊热翘曲分析,首先以Moldflow模拟FPC连接器之射出成型翘曲值,再经由MoldflowABAQUS之接口界面,以Moldflow分析之残留应力、材料性质及纤维配向为初始条件,并输入热场及降伏强度等参数进行ABAQUS之热应力及变形分析,模拟预测过回焊炉后所产生之热翘曲值。本案例应保留庆良电子股份有限公司设计隐私权,此案例以FPC盖板为例。

一.前言

随着PC周边连接器的需求趋缓,连接器市场的成长动力正在转向高利润率的应用,如液晶电视。根据DisplaySearch发表的数据,全球液晶电视交货数量年成长达99%,每季度成长达到15%,2006年销量达到1080万台,占全球电视市场的24%。由于一台LCD TV平均约使用五颗FPC连接器,这一趋势推动了对平板印刷电路(FPC)连接器的需求。 FPC连接器的用途主要在于连接面板与主体结构,日本制造商传统上在这种产品上处于支配地位,如JAE和Hirose。由于液晶电视制造商降低平均售价,扩展了产品渗透速度,这一趋势已经发生了变化。台湾供货商能够以比日本供货商便宜10%至30%的价格提供FPC连接器。与PC连接器相比,FPC的利润空间仍然相当令业者满意。相对而言,很多台湾制造商还是FPC连接器制造领域的新军。再加上液晶电视市场的成长,预计对FPC连接器的需求也将提升。此外,FPC连接器不只应用于液晶电视,由于FPC连接器的电缆保持力极高,能够提供安全可靠的连接,非常适合手机,数字相机等应用,以及其他紧密封装的应用。

二.回焊热翘曲之行为探讨

当一个连接器产品图面设计完成后,经过一连串的测试分析,到开模做出成品,其过程需要花费大量的时间金钱以及人力物力,但若成品出现瑕疵或形状不合原设计的规范时,之前花费的金钱往往是白费的,常常发生花了很多钱开模,而做出来的成品却不能用的情形,因此用计算机分析仿真出可能出现的瑕疵或问题,便可以节省大量的开发成本,在以往的Moldflow分析仿真只能预测到产品射出成形后的阶段,之后过回焊炉所产生的翘曲是无法预测的,因此,更进一步预测产品过回焊炉后所产生之热翘曲,则为本文的研究动机,藉此研究来节省开发成本,则为此研究之目的。

三.基本理论

3.1连接器射出成形流程

   (1)螺杆旋转将塑料输入料缸,并加热塑化。(2)可动侧模板前进将模具闭合。(3)螺杆前进将熔胶射入模穴直至填满。(4)进行压缩使模穴内的熔胶密度升高,避免冷却收缩。(5)持续加压动作,直到浇口处不发生流动。(6)模腔继续进行冷却,螺杆旋转进行下一周期之进料塑化动作,并逐渐后退至进料行程设定位置为止。(7)模穴继续进行冷却直到冷却时间结束。(8)可动侧模板后退将模具打开。(9)顶出机构前进将成品顶出。(10)取出成品,进行必要动作,如:喷脱模济、安置内插物等。再重新执行步骤(1)。

3.2翘曲原理

翘曲是连接器未按照设计的形状成形,却发生表面的扭曲,翘曲是由于成形塑件的不均匀收缩。假设整个模型有均匀的收缩率,就不会发生翘曲,而仅仅会缩小尺寸;然而,由于分子链,纤维配向、模具冷却、塑件设计、模具设计及成形条件等诸多因素的交互影响,要能达到低收缩或均匀收缩是一件非常复杂的工作

翘曲的主要原因为收缩不均,收缩率变化的原因包括:塑件内部温度不均匀。塑件凝固时,沿着肉厚方向的压力差异和冷却速率差异。塑件尚未完全冷却就顶出,或是顶出销变形,倒勾太深,顶出方式不当,脱模斜度不当等因素都可能造成塑件翘曲。塑件肉厚变化导致冷却速率的差异。塑件具有弯曲或不对称的几何形状。塑件材料有,无添加填充料的差异。流动方向和垂直于流动方向之分子链,纤维配向性差异,保压压力的差异(例如浇口处过度保压,远离浇口处却保压不足)。

3.3 回焊热翘曲现象

造成回焊热翘曲的主要原因为射出成型后所残留之应力、材料热膨胀非等向性,以及热塑性变形等因素。

连接器在射出成形后,在冷却过程中,外部收缩,但内部仍维持高温,收缩较外部缓慢,待冷却后会造成连接器内外部承受自体一拉一压之应力。这些应力一部份会形成翘曲,一部份会留在连接器内,为残留应力。等到连接器经过回焊制程时,残留应力将会释放,造成回焊热翘曲。

连接器在射出成形后,其材料为热膨胀非等向性,因此,经过一回焊制程之热场后,会形成不均匀之热胀冷缩,最终造成连接器的热翘曲变形。

四. 结合Moldflow与ABAQUS进行回焊热翘曲有限元分析

FPC连接器之热翘曲现象无法由Moldflow模流分析软件或ABAQUS结构分析软件单独预测出来。因此,本研究将结合模流分析软件Moldflow和结构分析软件ABAQUS进行TFT-LCD面板FPC连接器之回焊热翘曲分析,首先以Moldflow模拟FPC连接器之射出成型翘曲值,再经由Moldflow与ABAQUS之接口模块界面,以Moldflow分析之残留应力、材料性质及维配向为初始条件,并输入热场及降伏强度等参数进行ABAQUS之热应力及变形分析,模拟预测过回焊炉后所产生之热翘曲值本研究比对所使用之模型为一连接器之盖板部分。

本研究使用之塑料皆为PA46,物性如表1。

PA46

Elastic modulus 1st principal direction

14753MPa

Elastic modulus 2nd principal direction

10586MPa

Poisson’s ratio v12

0.384

Poisson’s ratio v23

0.435

Shear modulus

3320MPa

Solid density

1.852.g/cm^3

Specific heat at 51

932.5J/kgC

Conductivity at 30

0.309W/mC

表1 PA46物性表

回焊制程中FPC连接器必须经过一高温环境将焊锡熔化,以达到将FPC连接器焊接于PCB板上之目的,回焊炉的加热方式,为分别由上下两个方向对连接器以热风加热,但连接器之下表面由于与PCB板接触,故由下往上吹之热风应被PCB板隔绝,但由上往下吹之热风则直接作用于链接器上表面,故下表面上升之温度应较上表面低许多,故本研究之热场边界条件设定方式则采用不考虑回焊炉内的温度变化,在单位时间内持续给定一固定之热通量于连接器表面,使连接器表面之温度上升至约240℃,而下表面则不给定热通量之方式模拟回焊炉之热边界条件。

残留应力、材料非等向性性质、复杂模型几何皆为影响回焊热翘曲之重要原因参数,故在此有限元素分析中,加入残留应力、材料非等向性性质、实际模型几何三参数来和实验结果做一比较。

以下之有限元素分析结果图因需比对其翘曲趋势,故将其翘曲量放大5倍,比较实际图片与有限元素分析结果后,可发现到有限元素分析的结果趋势与实际回焊热翘曲的趋势是相同的,皆呈现两端往上弯的翘曲情形(由实际图片之视角)。

图1~图6为盖板空焊之过炉观测截图与分析结果之比较。


1 盖板过炉观测(室温)

3 盖板过炉观测(230)


2 盖板未加热前(比较用角度)

4 盖板加热至最高温时的翘曲(比较用角度)


5 盖板过炉观测(冷却至92.6)


6 盖板冷却后的翘曲(比较用角度)

7 加热前(上)冷却后(下)过炉翘曲比较 8 加热前(上)及冷却后(下)翘曲分析比较

综合以上结果,证明在加入残留应力、材料非等向性性质、复杂模型几何后之回焊热翘曲有限元素分析与实际之产品进行翘曲趋势的比对后,其热翘曲趋势是一致的,至于更精确到量的比较,因目前具备之实验设备还无法精准量测其经过回焊制程产生之翘曲值,本研究只做一定性的翘曲趋势比较。  

五.结论

有限元素在工程上的分析应用方面,是更加多元化的,传统单一探讨结构有限元素分析或模流分析已无法解决目前工程上所面临的问题,多元的耦合分析已渐渐成为主流,例如热电耦合,流固耦合等。故结合各种不同的领域的有限元素分析技术是非常重要的。本文使用Moldflow与ABAQUS之间的接口接口将Moldflow分析之结果作为ABAQUS分析初始条件及材料参数模拟连接器之回焊热翘曲现象,产品在经过一回焊制程后,由于温度的升高,对连接器之胶芯造成的回焊热翘曲现象,并将一简化之模型做同样设定之分析,并考虑残留应力、材料非等向性等参数对翘曲之影响,并以实际模型分析结果来验证简化模型结果。最后再做一实际产品之翘曲趋势与模拟结果之翘曲趋势之比对。而得到以下的结论

1.Moldflow之分析结果的确可经由其与ABAQUS之接口导入ABAQUS中做运算。

2.残留应力对回焊热翘曲分析是必要的,因其不仅对最后之翘曲值有直接关系,且对材料非等向性影响翘曲量时有交互影响之效果,故在考虑到翘曲量的预测时,为不能忽略之重要参数。

3.材料非等向性对回焊热翘曲的影响在于其形变,而在有残留应力的情况下对翘曲量有增加放大的影响。

4.实际连接器之盖板再过炉观测中,其盖板受热之后确实会产生一回焊热翘曲,而经由ABAQUS结合Moldflow之有限元素分析后,也可得到相同趋势之结果。

经由上述之结论,若要改善或预防回焊热翘曲,其方法有三:

  1. 减少残留应力,残留应力对材料非等向性影响翘曲量时有交互影响之效果,故减少残留应力应可改善回焊热翘曲。

  2. 控制纤维配向,纤维配向为造成材料非等向性之主要原因,可透过Moldflow模流分析预测纤维的配向所造成之材料非等向性,进而透过本研究探究纤维配向对回焊热翘曲的影响,希望透过本研究找出最佳之回焊热翘曲纤维配向。

  3. 改变模型几何,改变模型几何除了可增强产品之刚性,增加其抵抗回焊热翘曲的能力,也可改变其受热的状况,造成产品各部位之不同程度的热膨胀以及体积收缩。

    六.未来展望

    未来可更进一步模拟实际之情况,如使用热流场模拟热风加热、设置杨氏系数与降伏强度随温度函数改变、设置比热与热传导系数随温度函数改变等,相信此类的参数若能提高其精度,便能更进一步由预测回焊热翘曲之趋势,精进到预测回焊热翘之翘曲的目的

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