连接器之回流焊热翘曲分析

连接器之回流焊热翘曲分析

The thermal warping analysis for connecters

摘要

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模流分析软体（例如Moldflow）模擬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体单独预测出来。因此，本研究将结合模流分析软体Moldflow和结构分析软体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Moldflow与ABAOUS之接口介面，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，模擬预测过回焊炉后所产生之热翘曲值。

此案例以FPC盖板为例。

关健字：翘曲，连接器，Abaqus, Moldflow.

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发表的资料，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。台湾供应商能够以比日本供应商便宜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，数位相机等应用，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，一直到开模做出成品，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，因此用电脑分析模拟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分析模拟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）可动侧模盘前进将模具闭台。

（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）持续续压动作，直到浇口处不发生流动。

（6）模穴继续进行冷却，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）可动侧模盤后退将模具打开。

（9）顶出机构前进将成品项出。

（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。

图一塑件添加填充料与否，造成不同方向的收缩率差异。

图二塑件翘曲，原因：（a）不均匀冷却；和（b）不对称冷却。

图三低冷却速率区域的高度结晶使塑件产生较大的收缩量。

图四塑件带肋一侧冷却较差，导致翘曲。

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，沿著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素分析

FPC连接器之热翘曲现象无法由Moldflow模流分析软体或ABAQUS结构分析软体单独预测出来。因此，本研究将结合模流分析软体Moldflow和结构分析软体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