- 連接器塑料組件平整性的翹曲變形研究
- 模流分析提供一個有效的評估標準
摘要：精密電子連接器在電子產業(yè)進入輕薄短小的需求下，以從早期穿孔式(DIP)焊接于印刷電路板上演變成表面粘著技術(SMT)。在此技術下，精密電子連接器焊腳的平整度成為最重要的產品規(guī)格。在影響連接器塑料組件平整性的眾多參數(shù)中，以翹曲變形最為關鍵。本研究針對此問題，以目前產業(yè)實際使用的電子連接器為例，利用田口實驗規(guī)劃，探討在兩種不同材料(PA6T, LCP)，三種射出條件(射出溫度、射出壓力、充填時間)，對于連接器平坦度的影響。結果發(fā)現(xiàn)，就PA6T材料而言，模流分析所預測的較佳成型條件與實際射出成品相符，然而LCP材料，模流分析所預測的最佳成型條件與實際成品有些許誤差。就射出成型條件而言，兩種材料的射出溫度均在315度可達到最佳平坦度，而射出壓力則分別為130 MPa (PA6T)及140 MPa (LCP)，差距并不大。而由于LCP的流動性較PA6T好，因此充填時間LCP只需0.9秒，而PA6T則需1.5秒。此外，以玻璃纖維含量針對LCP 材料做平坦性分析，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維含量越多時，其平坦度越好。因此，玻璃纖維含量似乎可補償因流動性佳所造成的翹曲變形。然而在實際應用上玻璃纖維含量過多將造成實際成型不易。因此不同射出料的物性，需搭配不同的射出條件，而模流分析提供一個有效的評估標準。
一、 前言
近年來電子產業(yè)的趨勢朝向高密度及薄型化，伴隨著相關芯片零組件的薄型化，基板接續(xù)用連接器也被要求低背化、細腳距化與省空間化[1-3]。對于表面粘著技術的連接器(SMT connector)而言，由于連結器的焊接溫度介于240-260℃，因此在材料選用上，必須考慮成型性及耐熱性。一般基于成本考量，常用的材料有 PA6T及LCP。由于這些材料在射出成型過程中，樹脂(resin)會因為在各個方向的不同的收縮率而產生翹曲變形，此變形對于組裝后之成品平整度影響甚鉅，因此本文針對此一主要產品特征，探討射出溫度、射出壓力、充填時間三種制程參數(shù)，及添加纖維的量對于所射出的連結器其翹曲度的影響，進而提供業(yè)界在設計與制造連結器的重要參考數(shù)據(jù)。
二、實驗規(guī)劃
精密電子連接器射出成形產品，因其尺寸小及厚度薄，故在材料選擇上或是制程參數(shù)規(guī)劃上應有所差異，故透過模具制作與產品實際射出成形以便修正及核對實務之正確性。在材料選擇上，不同材料如PA 6T、LCP，其流動性有不同，選擇適合材料至為重要，而不同產品因造型各異，是否材料各異，也為重要探討范圍。在制程參數(shù)上選擇、射出溫度、射出壓力、充填時間等作為控制參數(shù)，從文獻中得知射出溫度為制程中最重要參數(shù)[4-7]，然而對于業(yè)界量產考量，射出壓力及充填時間之調整，可使成型時間變短，進而增加產量，然而射出壓力太大將導致成品收縮、變形，因此這些變量彼此相互影響，關聯(lián)性非常復雜，因此必須利用田口法[8-9]，以最少仿真次數(shù)，得出不同材料的最佳化射出制程參數(shù)。而判別的主要參數(shù)為連結器的翹曲度。
透過本研究實驗所規(guī)劃之流程(圖1)，搭配田口實驗規(guī)劃法，加以探討模流分析與實際射出成形所得之結果，是否可有效改善塑料平坦度，進而獲得最佳化之射出成形參數(shù)。
由實驗數(shù)據(jù)輸入田口法計算機程序后，經因子變動計算，可得S/N(訊號/噪聲比)，如圖2所示。由S/N得到最佳化參數(shù)為，射出溫度315℃、射出壓力 130 MPa、充填時間1.5 s。此最佳化參數(shù)出現(xiàn)于田口規(guī)劃法L9直交表內之第二組實際數(shù)據(jù)，而且實際射出與仿真射出所得之數(shù)據(jù)也都是第二組為最佳的，由此可得知PA 6T田口法最佳化組合與實際射出與仿真射出是互相對應的，符合理論與實務相互映證，最佳化成形之塑料其平坦度為0.04mm，符合平坦度不超過 0.05mm之目標值。
[page]塑料射料LCP在已設定射出溫度、射出壓力、充填時間之條件參數(shù)后，再設定仿真之各參數(shù)，如表5所示。透過田口方法實驗規(guī)劃，可得L9直交表，如表6所 示。依據(jù)L9直交表，可清楚得知有9組田口規(guī)劃之實驗參數(shù)，再分別針對這9組參數(shù)，實際作射出成形，并量測實際翹曲度，量測之結果，大部份數(shù)據(jù)皆不符合塑 料翹曲度(Flatness) 0.05mm規(guī)格內，如表7所示。仿真之最佳化參數(shù)為第三組，其參數(shù)為射出溫度315℃、射出壓力 140 MPa 、充填時間0.9 s，如圖3所示。
三、結果與討論
從PA 6T 之S/N (訊號/噪聲比)，可觀察出，不論是射出溫度、射出壓力、充填時間，均有相當明顯之趨勢，S/N(訊號/噪聲比)亦是取最大值，故所呈現(xiàn)之最佳成形參數(shù)為射出溫度315 ℃、射出壓力130 MPa、充填時間1.5 s，這組最佳化成形參數(shù)，出現(xiàn)于田口規(guī)劃法L9直交表內之第2組實驗數(shù)據(jù)，然而實際射出之塑料平坦度數(shù)據(jù)為0.04 mm，此量化數(shù)據(jù)符合平坦度不超過0.05 mm之目標值，其余仿真之8組，均未能符合小于0.05 mm規(guī)格內。塑料PA 6T經田口法所規(guī)劃出L9直交表后，分別作9組實際射出與仿真射出，從實際射出可得知第2組為最佳，其數(shù)據(jù)呈現(xiàn)之分布，最大數(shù)值為0.097 mm，最小數(shù)值為0.040 mm，兩者相差值為0.057 mm，然仿真射出也是為第2組最佳，其最大數(shù)值為0.1151mm，最小數(shù)值為0.0452 mm，兩者相差值為0.06911 mm；然實際射出與仿真射出之總相差值為0.0294 mm；兩者相較之下，可看得仿真射出的差異性較高。數(shù)據(jù)波動也比較實際射出之數(shù)據(jù)波動來得大。實際射出與仿真射出之翹曲度，有相同之趨勢，如圖4所示。故從仿真中，就可以先觀察其最佳值為何，如圖5-圖7所示，若異常之處，可隨時作調整。在PA 6T實際射出與仿真射出中，知射出溫度最為重要，再者為射出壓力，最后為射出時間。
從LCP之S/N(訊號/噪聲比)，可觀察出，除 了射出溫度外，射出壓力與充填時間，均未有相當明顯的趨勢，S/N(訊號/噪聲比)亦是取最大值，故所呈現(xiàn)之最佳參數(shù)為射出溫度315℃、射出壓力130 Mpa、充填時間0.8 s，這組最佳化成形參數(shù)，正好出現(xiàn)于田口規(guī)劃法L9直交表內之第2組實驗數(shù)據(jù)，然而實際射出成形第二組之塑料平坦度數(shù)據(jù)為0.051mm，此量化數(shù)據(jù)未符合于0.050mm目標值內,實際射出最佳值是第3組，其平坦度數(shù)據(jù)為0.050mm符合目標值之內，與田口法之最佳化組合相比，兩者不相符；其余8組均未符合不超過平坦度0.050mm目標值內。實際射出之數(shù)據(jù)中，第三組實驗數(shù)據(jù)是0.050mm最佳的，次者為第二、四組，兩組實際射出之塑料平坦度為 0.051mm；在此說明為何田口規(guī)劃之第二組最佳化成形，于實際射出中，并不是最好的，因為從S/N(訊號/噪聲比) ，可觀察出，射出溫度的斜率趨勢是相當清楚的，但射出壓力所呈現(xiàn)之斜率趨勢卻是相當不明顯的，并且其值已相當接近S/N標準值(紅色虛線)，這顯示在此射料LCP中，射出壓力所扮演的參數(shù)，并不屬于關鍵參數(shù)，但反之也可以說，因設定之射出壓力太高，導致斜率趨勢不明顯，然就充填時間0.8s、0.9s而言，其呈現(xiàn)兩者相互接近之狀況，與0.7s區(qū)隔相當明顯，這顯示出時間以0.8s、0.9s，均為佳，0.7s是不可行之參數(shù)。綜合上述之因素，可能因為設定射出壓力過大，導致射出成形之實驗值，無法很明確被區(qū)分，對此將安排實驗，以厘清射出壓力影響程度為何，故田口規(guī)劃法L9直交表內之第二組實驗數(shù)據(jù)最佳化成形之組合，雖然未符合不超過0.050mm目標值內、但與三、四組均相當接近，僅差0.001mm，如圖8所示，此實驗仍具有參考性，從仿真射出中可得到LCP所須之壓力較小，如圖9-圖11所示，在此可得知，射出溫度為最重要，次之為射出時間，再者為射出壓力。
在隨著玻璃纖維含量增多的同時，也要注意到，玻璃纖維含量增多，相對的實際射出成形也會變得較不易，系因玻璃纖維本身具有韌性，會影響熔料流動的順暢性，進而造成實際射出成形不易。在此仿真射出成形中，射出溫度其斜率相當明顯，次者為射出時間，射出壓力在LCP料中，并不是關鍵參數(shù)之一，故可得知在此LCP仿真射出中，射出溫度最為重要，再者為射出時間及射出壓力。
