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(shè)計連接器時，通常都會使用CAE模流分析軟體（例如Moldflow）模擬分析產(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(yīng)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體單獨預(yù)測出來。因此，本研究將結(jié)合模流分析軟體Moldflow和結(jié)構(gòu)分析軟體ABAQUS進(jìn)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ABAOUS之接口介面，以Moldflow分析之殘留應(yīng)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(jìn)行ABAQUS之熱應(yīng)力及變形分析，模擬預(yù)測過回焊爐后所產(chǎn)生之熱翹曲值。

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(yīng)用，如液晶電視。根據(jù)DisplaySearch發(fā)表的資料，全球液晶電視交貨數(shù)量年成長達(dá)99%。每季度成長達(dá)到15%，2006年銷量達(dá)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。臺灣供應(yīng)商能夠以比日本供應(yīng)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(dāng)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(yù)計對FPC連接器的需求也將提升。

此外，FPC連接器不只應(yīng)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)位相機等應(yīng)用，以及其他緊密封裝的應(yīng)用。

二、回焊熱翹曲之行為探討

當(dāng)一個連接器產(chǎn)品圖面設(shè)計完成后，經(jīng)過一連串的測試分析，一直到開模做出成品，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(shè)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，因此用電腦分析模擬出可能出現(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分析模擬只能預(yù)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(yù)測的，因此更進(jìn)一步預(yù)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)模盤前進(jìn)將模具閉臺。

（3）螺桿前進(jìn)將熔膠射入模穴直至填滿。

（4）進(jìn)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)續(xù)壓動作，直到澆口處不發(fā)生流動。

（6）模穴繼續(xù)進(jìn)行冷卻，螺桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)行下一周期之進(jìn)料塑化動作，并逐漸后退至進(jìn)料行程設(shè)定位置為止。

（7）模穴繼續(xù)進(jìn)行冷卻直到冷卻時間結(jié)束。

（8）可動側(cè)模盤后退將模具打開。

（9）頂出機構(gòu)前進(jìn)將成品項出。

（10）取出成品，進(jìn)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(shè)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(shè)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(shè)計、模具設(shè)計及成形條件等諸多因素的交互影響，要能達(dá)到低收縮或均勻收縮是一件非常復(fù)雜的工作。

圖一 塑件添加填充料與否，造成不同方向的收縮率差異。

圖二 塑件翹曲，原因：（a）不均勻冷卻；和（b）不對稱冷卻。

圖三 低冷卻速率區(qū)域的高度結(jié)晶使塑件產(chǎn)生較大的收縮量。

圖四 塑件帶肋一側(cè)冷卻較差，導(dǎo)致翹曲。

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(dāng)，脫模斜度不當(dāng)?shù)纫蛩囟伎赡茉斐伤芗N曲。塑件肉厚變化導(dǎo)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(yuǎn)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(yīng)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)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(yīng)力。這些應(yīng)力一部份會形成翹曲，一部份會留在連接器內(nèi)，為殘留應(yīng)力。等到連接器經(jīng)過回焊制程時，殘留應(yīng)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(jìn)行回焊熱翹曲有限元素分析

      FPC連接器之熱翹曲現(xiàn)象無法由Moldflow模流分析軟體或ABAQUS結(jié)構(gòu)分析軟體單獨預(yù)測出來。因此，本研究將結(jié)合模流分析軟體Moldflow和結(jié)構(gòu)分析軟體ABAQUS進(jìn)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之接口模塊介面，以Moldflow分析之殘留應(yīng)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(jìn)行ABAQUS之熱應(yīng)力及變形分析，模擬預(yù)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，性質(zhì)如表一。

                   表一 本研究使用之塑料（PA46）性質(zhì)

   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(dá)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(fēng)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(fēng)應(yīng)被PCB板隔絕，但由上往下吹之熱風(fēng)則直接作用于連接器上表面，故下表面上升之溫度應(yīng)較上表面低許多，故本研究之熱場邊界條件設(shè)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(yīng)力，材料非等向性性質(zhì)，復(fù)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(yīng)力，材料非等向性性質(zhì)，實際模型幾何三種參數(shù)為和實驗結(jié)果做一比較。

圖五 蓋板過濾觀測（室溫）

圖六 蓋板未加熱前（比較用角度）

圖七 蓋板過濾觀測（230℃）

圖八 蓋板加熱至最高溫時之翹曲（比較用角度）

圖九 蓋板過濾觀測（冷卻至92.6℃）

圖十 蓋板冷卻后翹曲（比較用角度）

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，圖五～圖十為蓋板空焊之過爐觀測截圖與分析結(jié)果之比較。

    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）。

    圖十一、十二主要比較其過爐前到過爐后回焊熱翹曲之影響。

    由圖十一的結(jié)果可由黃圈處觀察到其回焊熱翹曲的趨勢兩端上翹。

    由圖十二同樣也可觀察到加熱后兩端之上翹程度較加熱前高，與實際過爐觀測之回焊熱翹曲趨勢相同。

    綜合本章的結(jié)果。證明在加入殘留應(yīng)力、材料非等向性性質(zhì)、復(fù)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(jìn)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(shè)備還無法精準(zhǔn)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。

圖十一 上：加熱前；下：冷卻后；過爐前后比較圖（回焊熱翹曲比較）

圖十二 上：加熱前；下：冷卻后；加熱前后比較圖（回焊熱翹曲比較）

五、結(jié)論

有限元素在工程上的分析應(yīng)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之間的接口介面將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(shè)定之分析，并考慮殘留應(yīng)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之介面導(dǎo)入ABAQUS中做運算。

（2） 殘留應(yīng)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(yù)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(yīng)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(yù)防回焊熱翹曲，其方法有三，減少殘留應(yīng)力，殘留應(yīng)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(yīng)力應(yīng)可改善回焊熱翹曲。

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(yù)測纖維的配向所造成之材料非等向性，進(jìn)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。

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)品和部位之不同程度的熱膨脹以及體積收縮。

六、未來發(fā)展

未來可更進(jìn)一肯模擬實際之情況，如使用熱流場模擬熱風(fēng)加熱、設(shè)置楊氏係數(shù)與降伏強度隨溫度函數(shù)改變、設(shè)置比熱與熱傳導(dǎo)係數(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(jìn)一步由預(yù)測回焊熱翹曲之趨勢，精進(jìn)到預(yù)測回焊熱翹曲之翹曲量，達(dá)到改善迴焊熱翹曲的目的。