临猗有匮文化有限公司

連接器變形的中心議題：

• 連接器塑料組件平整性的翹曲變形研究

連接器變形的解決方案：

• 模流分析提供一個(gè)有效的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

摘要：精密電子連接器在電子產(chǎn)業(yè)進(jìn)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(shù)(SMT)。在此技術(shù)下，精密電子連接器焊腳的平整度成為最重要的產(chǎn)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(guān)鍵。本研究針對(duì)此問題，以目前產(chǎn)業(yè)實(shí)際使用的電子連接器為例，利用田口實(shí)驗(yàn)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(shí)間)，對(duì)于連接器平坦度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，就PA6T材料而言，模流分析所預(yù)測(cè)的較佳成型條件與實(shí)際射出成品相符，然而LCP材料，模流分析所預(yù)測(cè)的最佳成型條件與實(shí)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(dá)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(dòng)性較PA6T好，因此充填時(shí)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(duì)LCP 材料做平坦性分析，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維含量越多時(shí)，其平坦度越好。因此，玻璃纖維含量似乎可補(bǔ)償因流動(dòng)性佳所造成的翹曲變形。然而在實(shí)際應(yīng)用上玻璃纖維含量過多將造成實(shí)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(gè)有效的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

一、 前言

近年來(lái)電子產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)朝向高密度及薄型化，伴隨著相關(guān)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(xì)腳距化與省空間化[1-3]。對(duì)于表面粘著技術(shù)的連接器(SMT connector)而言，由于連結(jié)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(huì)因?yàn)樵诟鱾€(gè)方向的不同的收縮率而產(chǎn)生翹曲變形，此變形對(duì)于組裝后之成品平整度影響甚鉅，因此本文針對(duì)此一主要產(chǎn)品特征，探討射出溫度、射出壓力、充填時(shí)間三種制程參數(shù)，及添加纖維的量對(duì)于所射出的連結(jié)器其翹曲度的影響，進(jìn)而提供業(yè)界在設(shè)計(jì)與制造連結(jié)器的重要參考數(shù)據(jù)。

二、實(shí)驗(yàn)規(guī)劃

精密電子連接器射出成形產(chǎn)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(yīng)有所差異，故透過模具制作與產(chǎn)品實(shí)際射出成形以便修正及核對(duì)實(shí)務(wù)之正確性。在材料選擇上，不同材料如PA 6T、LCP，其流動(dòng)性有不同，選擇適合材料至為重要，而不同產(chǎn)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(shí)間等作為控制參數(shù)，從文獻(xiàn)中得知射出溫度為制程中最重要參數(shù)[4-7]，然而對(duì)于業(yè)界量產(chǎn)考量，射出壓力及充填時(shí)間之調(diào)整，可使成型時(shí)間變短，進(jìn)而增加產(chǎn)量，然而射出壓力太大將導(dǎo)致成品收縮、變形，因此這些變量彼此相互影響，關(guān)聯(lián)性非常復(fù)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(jié)器的翹曲度。

透過本研究實(shí)驗(yàn)所規(guī)劃之流程(圖1)，搭配田口實(shí)驗(yàn)規(guī)劃法，加以探討模流分析與實(shí)際射出成形所得之結(jié)果，是否可有效改善塑料平坦度，進(jìn)而獲得最佳化之射出成形參數(shù)。 塑料射料PA 6T在設(shè)定射出溫度、射出壓力、充填時(shí)間之條件參數(shù)后，這些參數(shù)將作為仿真之參數(shù)，如表1所示。透過田口方法實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，可得L9直交表，如表2所示。依據(jù) L9直交表，可清楚得知有9組田口規(guī)劃之實(shí)驗(yàn)參數(shù)，再分別針對(duì)這9組參數(shù)，實(shí)際作射出成形，并量測(cè)實(shí)際其塑料翹曲度，量測(cè)之結(jié)果，大部份數(shù)據(jù)皆不符合塑料翹曲度(Flatness) 0.05mm規(guī)格內(nèi)，如表3所示。仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為第2組，其參數(shù)為射出溫度315℃、射出壓力 130 MPa、充填時(shí)間1.5 s，如表4所示。

塑料射料LCP在已設(shè)定射出溫度、射出壓力、充填時(shí)間之條件參數(shù)后，再設(shè)定仿真之各參數(shù)，如表5所示。透過田口方法實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)參數(shù)，再分別針對(duì)這9組參數(shù)，實(shí)際作射出成形，并量測(cè)實(shí)際翹曲度，量測(cè)之結(jié)果，大部份數(shù)據(jù)皆不符合塑 料翹曲度(Flatness) 0.05mm規(guī)格內(nèi)，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(shí)間0.9 s，如圖3所示。 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入田口法計(jì)算機(jī)程序后，經(jīng)因子變動(dòng)計(jì)算，可得S/N(訊號(hào)/噪聲比)，如圖3所示。所得到最佳化成形參數(shù)為射出溫度315 ℃、射出壓力130 MPa 、充填時(shí)間0.8 s。此最佳化參數(shù)出現(xiàn)于田口規(guī)劃法L9直交表內(nèi)之第二組實(shí)際數(shù)據(jù)，但與實(shí)際射出及仿真射出之最佳值是不相符的，仿真射出為第三組最佳，然實(shí)際射出數(shù)據(jù)為第三組最佳，雖然田口最佳化組合與實(shí)際和仿真并不相符，不過距離最佳實(shí)際射出數(shù)據(jù)僅差0.001mm，已相當(dāng)接近；最佳化成形之塑料其平坦度為 0.05mm，符合平坦度不超過0.05mm之目標(biāo)值。

三、結(jié)果與討論

從PA 6T 之S/N (訊號(hào)/噪聲比)，可觀察出，不論是射出溫度、射出壓力、充填時(shí)間，均有相當(dāng)明顯之趨勢(shì)，S/N(訊號(hào)/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(shí)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(nèi)之第2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然而實(shí)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(biāo)值，其余仿真之8組，均未能符合小于0.05 mm規(guī)格內(nèi)。塑料PA 6T經(jīng)田口法所規(guī)劃出L9直交表后，分別作9組實(shí)際射出與仿真射出，從實(shí)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(shí)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(dòng)也比較實(shí)際射出之?dāng)?shù)據(jù)波動(dòng)來(lái)得大。實(shí)際射出與仿真射出之翹曲度，有相同之趨勢(shì)，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(shí)作調(diào)整。在PA 6T實(shí)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(shí)間。


從LCP之S/N(訊號(hào)/噪聲比)，可觀察出，除 了射出溫度外，射出壓力與充填時(shí)間，均未有相當(dāng)明顯的趨勢(shì)，S/N(訊號(hào)/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(shí)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(nèi)之第2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然而實(shí)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(biāo)值內(nèi),實(shí)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(biāo)值之內(nèi)，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(biāo)值內(nèi)。實(shí)際射出之?dāng)?shù)據(jù)中，第三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是0.050mm最佳的，次者為第二、四組，兩組實(shí)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(shí)際射出中，并不是最好的，因?yàn)閺腟/N(訊號(hào)/噪聲比) ，可觀察出，射出溫度的斜率趨勢(shì)是相當(dāng)清楚的，但射出壓力所呈現(xiàn)之斜率趨勢(shì)卻是相當(dāng)不明顯的，并且其值已相當(dāng)接近S/N標(biāo)準(zhǔn)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(guān)鍵參數(shù)，但反之也可以說，因設(shè)定之射出壓力太高，導(dǎo)致斜率趨勢(shì)不明顯，然就充填時(shí)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(dāng)明顯，這顯示出時(shí)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?yàn)樵O(shè)定射出壓力過大，導(dǎo)致射出成形之實(shí)驗(yàn)值，無(wú)法很明確被區(qū)分，對(duì)此將安排實(shí)驗(yàn)，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(nèi)之第二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最佳化成形之組合，雖然未符合不超過0.050mm目標(biāo)值內(nèi)、但與三、四組均相當(dāng)接近，僅差0.001mm，如圖8所示，此實(shí)驗(yàn)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(shí)間，再者為射出壓力。 因射出壓力所呈現(xiàn)之斜率趨勢(shì)卻是相當(dāng)不明顯的，并且其值已相當(dāng)接近S/N標(biāo)準(zhǔn)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(guān)鍵參數(shù)，但反之也可以說，因設(shè)定之射出壓力太高，導(dǎo)致斜率趨勢(shì)不明顯，如果調(diào)降射出壓力的話，或許可以找出更有利找出射出壓力之最佳參數(shù)，為此，再次以仿真方式，將9組壓力參數(shù)全部調(diào)降70 MPa，然射出溫度與時(shí)間均維持不變，來(lái)反推壓力是否有影向到塑料平坦度品質(zhì)，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓力經(jīng)全部調(diào)降60 MPa后，再次仿真，所得之塑料平坦度數(shù)據(jù)，均與未降調(diào)射出壓力之時(shí)，所得之塑料平坦度數(shù)據(jù)是相同的，這顯示壓力在LCP塑料而言，不是重要的因子，這也映證即有之基礎(chǔ)理論，因?yàn)長(zhǎng)CP塑料其流動(dòng)性高，故其所使用之射出壓力，遠(yuǎn)比PA 6T塑料，來(lái)得低許多。此時(shí)面臨到，成形參數(shù)已無(wú)法再作調(diào)整時(shí)，又為了找出如何優(yōu)化LCP所射出之塑料平坦度時(shí)，特別安排一仿真實(shí)驗(yàn)，于LCP塑料中，增加其玻璃纖維含量，藉由不同比例之玻璃纖維含量，來(lái)優(yōu)化塑料平坦度，實(shí)驗(yàn)方式，安排四組不同比例玻璃纖維成量，含原先30%之玻璃纖維含量，增加為 40%、50%與60%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LCP塑料，隨著增加玻璃纖維至40%、50%及60%之后，其塑料平坦度愈來(lái)愈更好了，這是因?yàn)椴ＡЮw維有助于加強(qiáng)塑料的強(qiáng)度，可有效改善了塑料平坦度，60%玻璃纖維含量，最大可改善0.00723mm，如表9、圖12所示。

在隨著玻璃纖維含量增多的同時(shí)，也要注意到，玻璃纖維含量增多，相對(duì)的實(shí)際射出成形也會(huì)變得較不易，系因玻璃纖維本身具有韌性，會(huì)影響熔料流動(dòng)的順暢性，進(jìn)而造成實(shí)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(dāng)明顯，次者為射出時(shí)間，射出壓力在LCP料中，并不是關(guān)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(shí)間及射出壓力。 綜合上述之結(jié)果討論，PA 6T與LCP經(jīng)過仿真分析與射出實(shí)驗(yàn)，實(shí)際射出之連結(jié)器可改善至0.05mm以下，這是藉由田口法與仿真所得之結(jié)果。在本研究中，為了追求更好之平整度效果，特此增加一仿真試驗(yàn)，以增加塑料本身之玻璃纖維含量，可使平整度更佳。這可帶給設(shè)計(jì)工程師另一觀念，在選用適當(dāng)?shù)乃芰希捌渑浜现ＡЮw維含量的多寡，都是相當(dāng)重要的，這也是一門學(xué)問。從這個(gè)研究當(dāng)中，可得知在射出制程參數(shù)上，無(wú)論是實(shí)際射出或仿真射出，均顯示射出溫度是最重要的因子；然在射出壓力中，PA 6T所須之射出壓力相較于LCP所須之射出壓力來(lái)得大，因?yàn)長(zhǎng)CP流動(dòng)性較佳；在此研究中可得知，最適合的材料為PA 6T，因其射出成形所得之塑料平整度為最佳。PA 6T從S/N(訊號(hào)/噪聲比)，可觀察出，不論是射出溫度、射出壓力、充填時(shí)間，均有相當(dāng)明顯的趨勢(shì)，且實(shí)際所射出之?dāng)?shù)據(jù)，差異性明顯，故PA 6T適合高精度之產(chǎn)品；LCP從S/N(訊號(hào)/噪聲比)，可觀察出，除了射出溫度、充填時(shí)間外，射出壓力并未有明顯的趨勢(shì)，且實(shí)際所射出之?dāng)?shù)據(jù)，差異性不甚明顯，故LCP適合高穩(wěn)定性之產(chǎn)品制作。