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应用CAE技术于残留应力影响电子连接器断裂问题之探讨

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发表于 2011-12-11 13:54:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
应用CAE技术于残留应力影响电子连接器断裂问题之探讨
RESIDUAL STRESS EFFECT ON ELECTRONIC CONNECTOR BREAKING BY USING CAE TECHNIQUE


中文摘要
随着塑料射出成型制程技术的进步,3C 产品组件除了要求高质量、高精度外,微小化及轻量化 更成为近来趋势,其使得 3C 产品内的电子连接器愈趋精微,但产品强度的要求却未减反增。而影响 强度的因素有很多种,其中残留应力是很重要的因素之一。在高速射出成型时,电子连接器局部区域 可能会产生残留应力,导致在承载外力作用时可能会发生断裂问题。因此,本文利用 Moldex3D 模流 分析软件探讨残留应力影响电子连接器断裂问题,透过 Moldex3D 结果分析有助于观察残留应力分布 并使其改善,达到有效解决电子连接器断裂问题。


英文摘要
With the progress in molding technology, besides high quality, and precision, miniaturization and lightweight have become major trend in 3C industry recently. It implies that parts, such as electronic connector,  in 3C products, are demanded much lighter and smaller as well. And meanwhile,  required  product strength  required  is increasing. There are many factors which can  aeffect product strength, and residual stress is one of the most important ones. It is known that local residual stress will probably occurs under high injection  speed  in  molding  electronic  parts,  which  will  results  in  part  breaking  under  external  force. Therefore, in this paper, we introduce a CAE simulation tool, Moldex3D, to study the effects of residual stress  for  on  electronic connector breaking. Through simulation, residual stress  and improved design  can be observed to find out the better processing conditions for solving part breaking.

关键词: Moldex3D、残留应力、断裂、电子连接器

前言
电子零组件可分为被动组件、接续组件及能 源组件等类别,而连接器(Connector)属于接续元 件[1],如图一所示。其起源于美军在第二次世界 大战期间,为了缩短战斗机的维修时间,从原本 使用「焊接」方式组装改变成「连接器」组装, 使得维修人员可快速针对损坏组件作更换,因而 开启了连接器产业的蓬勃发展。

连接器泛指所有用在电子讯号与电源上之 连接组件及其附属配件,主要功能为接通电路或 电子机器以传输电源或信号,亦即,连接器是所 有讯号间的桥梁,其产品质量之良莠不仅影响电 子机器间讯号传输之可靠度,亦会左右电子设备 整体运作[2]。连接器功能在提供一可分离接口, 连接电子系统内部的两个子系统,使能顺利传输 讯号或电力,简单来说,连接器是所有组件间讯 号或电力传输的桥梁,一般连接器会依不同应用 在接触阻抗、插拔力、插拔次数、耐环境性、高 频稳定性有不同要求,其质量会影响讯号传输可 靠度,进而影响整个电子机器运作质量[3]。在市 场上高传输速率、轻薄短小的细密结构需求下, 连接器产品可应用范围广泛,在供应方面,我国 连接器产业占全球市占率接近 10%,且以 3C 应 用连接器(板对板、FPC、角型 I/O…)为主,达 9 成比重[4];在应用方面,即计算机及其接口设备、 消费性电子、交通运输、通讯、医疗器材及航天 工业等领域。就台湾厂商而言,连接器市场主要 是着重在计算机及周边、网络通讯、消费性电子产 品。

一般塑料制品所承受的应力作用可依应力 来源区分为外部应力及内部应力两种[5],外部应 力是成品在使用时所承载之外力作用,此部分是 依产品应用场合而定,通常是无法控制其程度。 而内部应力通常是成品在加工成型过程中所产 生而留存在成品内部,即为残留应力。

在射出成型产品中存在的残留应力主要由两个原因所导致,一为充填阶段之由流动残留应力所引发之分子排向,二为冷却阶段不均匀收缩 所产生之热残留应力[6]。流动残留应力在塑料充 填过程中主要受到高剪切率之影响,而在充填之 后的冷却与脱模阶段持续被释放或冻结;热残留 应力则由高温的塑料材料冷却到玻璃转移温度 (Tg)后不均匀的体积收缩与密度变化所生成。因 此当高速射出成型时,电子连接器靠 Pin 区域可 能会在承载外力作用时会发生断裂问题的原因 是残留应力所导致。

案例背景信息
本文使用的案例产品为一电子连接器,其几 何如图二所示。此产品之几何尺寸如下:
长约 20.05mm
宽约 3.44mm
高约 8.15mm
模穴体积约 0.17 c.c.
厚度分布为 0.04mm 至 1.23mm 之间,如图 三所示,主要探讨靠 Pin 区域厚度为 0.18mm;原 始流道设计采单点针点浇口型式直接进浇,如图 四所示,浇口尺寸为 0.5mm;产品使用的材料是 含玻纤 30%的 LCP VECTRA E130i,其加工温度 范围是 325℃至 345℃、固化温度 287℃,如图五 所示。而成型条件的设定如图六所示,在充填阶 段设定为充填时间 0.05 秒,塑料温度 335℃,模 具温度 100℃,射出压力 39.79MPa;在保压阶段 设定为保压时间 0.8 秒,保压压力 31.67MPa。

              
图一 电子零组件产业范畴                                                          图二 产品几何图
  
图三 厚度分布图                                                                          图四 原始流道设计
            
图五 材料信息                                                                                图六 成型条件

分析结果与讨论
使用 Moldex3D 整合真实三维数值仿真技术 与黏弹性模型分析电子连接器之残留应力。图七 至图 十二 为充 填 阶段 之流 动 波前 时间  10% 至90%,可从充填 40%观察塑料四个角开始充填端 子区域;当充填至 60%时,因底侧左边为较厚区 域,厚度约为 0.5mm,而底侧右边则为较薄区域, 厚度约为 0.2mm,如图十三所示,导致塑料流动时,底侧左边区域塑料流动速度大于右边区域,形成赛马场;同时纤维排列方式受到塑料流动行 为影响,由图十四速度向量分布情形可以观察塑 料流动的方向性,因而在纤维配向中可以发现 90 度转弯处的纤维排列方向,如图十五所示,对于 端子区域的强度可能有所影响。图十六与图十七 为充填结果温度及压力分布,可以发现主要流动 区域温度比端子区温度较高,因两区域温度差值 大约 50℃左右,导致体积收缩不均匀,因而可能 有热残留应力产生,但因连接器属于高速射出成 型,冷却速率较快,流动残留应力影响比较高, 亦为本篇论文主要的探讨项目;充填结果剪切应 力 主要流动区域与端子区域最大最小差值 为2MPa,如图十八所示,而在充填结果剪切率分布 如图十九所示,在主要流动方向有较高的剪切率 发生,延续至保压结果分析观察剪切应力及 Von Mises 应力(即为残留应力)可以发现在端子区域90 度转弯处有较高之残留应力产生,如图二十与 图二十一所示。,因此,各项分析结果都可能是 造成电子连接器断裂问题的主因之一。


图七 流动波前时间 10%                                         图八 流动波前时间 20%

图九 流动波前时间 40%                                          图十 流动波前时间 60%

图十一 流动波前时间 70%                                    图十二 流动波前时间 90%

图十三 端子区域断面图                                      图十四 充填结果速度向量分布情形

图十五 充填结果纤维配向                                        图十六 充填结果温度

图十七 充填结果压力                                                图十八 充填结果剪切应力

图十九 充填结果剪切率                                            图二十 保压结果剪切应力


图二十一 保压结果 Von Mises 应力


结论
本文利用 Moldex3D 模流分析软件探讨残留 应力影响电子连接器断裂问题。要有效降低产品 残留应力可以分为两个方向:(1)在产品成型加工 定型前的预防措施,藉以避免带入过大残留应 力,透过适当的模具设计,例如:产品厚度设计、 浇口型式设计等,以及适当加工成型条件调整, 例如:料温、模温、射速、射压或保压等条件的 调整,在成型后将可让产品存在较低的应力。(2) 在产品已经成型后,藉由后续制程来消除已经存 在的 残留 应力 , 最常 用的 方法 就是 退火 (Annealing),将产品放到烘箱给予接近塑料 Tg 温度的环境,藉由外界提供热能给塑料,让塑料 分子结构有了能量可以重新调整其分子组态,将 原先残留在内部的应力释放出来;另一个方法为 锡焊,利用焊上锡球时所产生的高温,也可将残留应力释放出来。

透过 Moldex3D 结果分析有助于观察流动波 前情形,进一步探讨充填阶段之剪切应力与剪切 率分布,以及残留应力可能影响端子区域强度, 以达到有效解决电子连接器断裂问题。

参考文献
1. 黄孟娇,2007 电子零组件工业年鉴第二章, 工研院 IEK 化材组(2007)
2. 刘孝钦,电子产品之沟通桥梁─连接器业,产 经信息(2004)
3. 黄孟娇,2007 电子零组件工业年鉴第六章, 工研院 IEK 化材组(2007)
4. 刘文斌,透明塑料光学产品的残留应力定性分 析,台湾区模具公会模具技术与论文发表论文 集(2004)
5. 工业技术与信息,工业技术研究院(2011)
6. 张元榕、杨文贤、许嘉翔,塑料光学组件射出 成型之残留应力与光弹分析,台湾区计算机辅助 成型技术交流协会(2007)

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发表于 2011-12-12 13:49:30 | 显示全部楼层
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发表于 2018-6-14 16:13:20 | 显示全部楼层
感谢楼主的分享,希望能得到断裂的材料参数
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