Moldflow與有限元分析在連接器產(chǎn)品上的應用。

2016-09-14  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

引言

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模流分析軟件(例如Moldflow)分析產(chǎn)品的翹曲程度,以確定其翹曲值在產(chǎn)品的規(guī)范要求之內(nèi)。但對于FPC連接器必須經(jīng)過回焊制程,將連接器焊在軟性電路板上,經(jīng)常發(fā)生的一個現(xiàn)象是射出成型之FPC連接器翹曲值在規(guī)范內(nèi),但經(jīng)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(chǎn)生二次變形,往往造成產(chǎn)品翹曲量超越規(guī)范值,而無法通過QA的檢驗。 FPC連接器之熱翹曲現(xiàn)象無法由模流分析軟件單獨預測出來。因此,本研究將結(jié)合模流分析軟件Moldflow和結(jié)構(gòu)分析軟件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(jīng)由Moldflow與ABAQUS之接口界面,以Moldflow分析之殘留應力、材料性質(zhì)及纖維配向為初始條件,并輸入熱場及降伏強度等參數(shù)進行ABAQUS之熱應力及變形分析,模擬預測過回焊爐后所產(chǎn)生之熱翹曲值。本案例應保留慶良電子股份有限公司設計隱私權(quán),此案例以FPC蓋板為例。

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(zhuǎn)向高利潤率的應用,如液晶電視。根據(jù)DisplaySearch發(fā)表的數(shù)據(jù),全球液晶電視交貨數(shù)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(jié)構(gòu),日本制造商傳統(tǒng)上在這種產(chǎn)品上處于支配地位,如JAE和Hirose。由于液晶電視制造商降低平均售價,擴展了產(chǎn)品滲透速度,這一趨勢已經(jīng)發(fā)生了變化。臺灣供貨商能夠以比日本供貨商便宜10%至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(yè)者滿意。相對而言,很多臺灣制造商還是FPC連接器制造領(lǐng)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(shù)字相機等應用,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(chǎn)品圖面設計完成后,經(jīng)過一連串的測試分析,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(xiàn)瑕疵或形狀不合原設計的規(guī)范時,之前花費的金錢往往是白費的,常常發(fā)生花了很多錢開模,而做出來的成品卻不能用的情形,因此用計算機分析仿真出可能出現(xiàn)的瑕疵或問題,便可以節(jié)省大量的開發(fā)成本,在以往的Moldflow分析仿真只能預測到產(chǎn)品射出成形后的階段,之后過回焊爐所產(chǎn)生的翹曲是無法預測的,因此,更進一步預測產(chǎn)品過回焊爐后所產(chǎn)生之熱翹曲,則為本文的研究動機,藉此研究來節(jié)省開發(fā)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(zhuǎn)將塑料輸入料缸,并加熱塑化。(2)可動側(cè)模板前進將模具閉合。(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(nèi)的熔膠密度升高,避免冷卻收縮。(5)持續(xù)加壓動作,直到澆口處不發(fā)生流動。(6)模腔繼續(xù)進行冷卻,螺桿旋轉(zhuǎn)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(xù)進行冷卻直到冷卻時間結(jié)束。(8)可動側(cè)模板后退將模具打開。(9)頂出機構(gòu)前進將成品頂出。(10)取出成品,進行必要動作,如:噴脫模濟、安置內(nèi)插物等。再重新執(zhí)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(fā)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(fā)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

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(nèi)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?shù)纫蛩囟伎赡茉斐伤芗N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(xiàn)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(nèi)部仍維持高溫,收縮較外部緩慢,待冷卻后會造成連接器內(nèi)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(nèi),為殘留應力。等到連接器經(jīng)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(jīng)過一回焊制程之熱場后,會形成不均勻之熱脹冷縮,最終造成連接器的熱翹曲變形。

四. 結(jié)合Moldflow與ABAQUS進行回焊熱翹曲有限元分析

FPC連接器之熱翹曲現(xiàn)象無法由Moldflow模流分析軟件或ABAQUS結(jié)構(gòu)分析軟件單獨預測出來。因此,本研究將結(jié)合模流分析軟件Moldflow和結(jié)構(gòu)分析軟件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(jīng)由Moldflow與ABAQUS之接口模塊界面,以Moldflow分析之殘留應力、材料性質(zhì)及維配向為初始條件,并輸入熱場及降伏強度等參數(shù)進行ABAQUS之熱應力及變形分析,模擬預測過回焊爐后所產(chǎn)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,物性如表1。

表1 PA46物性表

回焊制程中FPC連接器必須經(jīng)過一高溫環(huán)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?qū)B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鏈接器上表面,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(nèi)的溫度變化,在單位時間內(nèi)持續(xù)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(zhì)、復雜模型幾何皆為影響回焊熱翹曲之重要原因參數(shù),故在此有限元素分析中,加入殘留應力、材料非等向性性質(zhì)、實際模型幾何三參數(shù)來和實驗結(jié)果做一比較。

以下之有限元素分析結(jié)果圖因需比對其翹曲趨勢,故將其翹曲量放大5倍,比較實際圖片與有限元素分析結(jié)果后,可發(fā)現(xiàn)到有限元素分析的結(jié)果趨勢與實際回焊熱翹曲的趨勢是相同的,皆呈現(xiàn)兩端往上彎的翹曲情形(由實際圖片之視角)。

圖1~圖6為蓋板空焊之過爐觀測截圖與分析結(jié)果之比較。

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圖3 蓋板過爐觀測(230℃)

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圖4 蓋板加熱至最高溫時的翹曲(比較用角度)

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圖7 加熱前(上)冷卻后(下)過爐翹曲比較 圖8 加熱前(上)及冷卻后(下)翹曲分析比較

綜合以上結(jié)果,證明在加入殘留應力、材料非等向性性質(zhì)、復雜模型幾何后之回焊熱翹曲有限元素分析與實際之產(chǎn)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(jīng)過回焊制程產(chǎn)生之翹曲值,本研究只做一定性的翹曲趨勢比較。  

五.結(jié)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(tǒng)單一探討結(jié)構(gòu)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(jié)合各種不同的領(lǐng)域的有限元素分析技術(shù)是非常重要的。本文使用Moldflow與ABAQUS之間的接口接口將Moldflow分析之結(jié)果作為ABAQUS分析初始條件及材料參數(shù)模擬連接器之回焊熱翹曲現(xiàn)象,產(chǎn)品在經(jīng)過一回焊制程后,由于溫度的升高,對連接器之膠芯造成的回焊熱翹曲現(xiàn)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(shù)對翹曲之影響,并以實際模型分析結(jié)果來驗證簡化模型結(jié)果。最后再做一實際產(chǎn)品之翹曲趨勢與模擬結(jié)果之翹曲趨勢之比對。而得到以下的結(jié)論

1.Moldflow之分析結(jié)果的確可經(jīng)由其與ABAQUS之接口導入ABAQUS中做運算。

2.殘留應力對回焊熱翹曲分析是必要的,因其不僅對最后之翹曲值有直接關(guān)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(shù)。

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(chǎn)生一回焊熱翹曲,而經(jīng)由ABAQUS結(jié)合Moldflow之有限元素分析后,也可得到相同趨勢之結(jié)果。

經(jīng)由上述之結(jié)論,若要改善或預防回焊熱翹曲,其方法有三:

1. 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。

2. 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?qū)睾笩崧N曲的影響,希望透過本研究找出最佳之回焊熱翹曲纖維配向。

3. 改變模型幾何,改變模型幾何除了可增強產(chǎn)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(chǎn)品各部位之不同程度的熱膨脹以及體積收縮。

   六.未來展望

   未來可更進一步模擬實際之情況,如使用熱流場模擬熱風加熱、設置楊氏系數(shù)與降伏強度隨溫度函數(shù)改變、設置比熱與熱傳導系數(shù)隨溫度函數(shù)改變等,相信此類的參數(shù)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之翹曲的目的

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