鍵合機夾持頭剛度失效分析

楊凱 崔潔 謝秀鐲

摘 要：使用ANSYS對全自動LED引線鍵合機夾持頭的變形問題進行強度和剛度分析，根據分析結果從材料、結構和導軌選用等方面對模塊進行優化設計。

關鍵詞：夾持臺 剛度 強度 優化

中圖分類號：TG75 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0125-02

引線鍵合是在超聲波、熱和壓力的共同作用下對芯片和載體進行引線焊接的封裝工藝，為半導體后封裝中重要一環。本文主要對垂直支架引線鍵合機夾持臺進行優化分析。

1 鍵合機簡介

LED引線鍵合機主要部件為基座、XY平臺、夾持臺和鍵合頭，其中夾持臺由傳送模塊、夾持模塊和加熱模塊組成，對料條進行傳送、定位、夾持和加熱。要求夾持模塊能精確定位料條以保證焊線精度。圖1是鍵合機主要部件示意圖。

2 夾持頭模塊

2.1 夾持頭簡介

夾持頭在夾持料條時要求管腳不能松動，當管腳在Z向的高度誤差超過工藝要求時，焊接所需時間增加、效率變低。夾持頭結構簡圖如圖2所示，夾持頭模塊安裝在下方導軌上，沿導軌滑動來實現對料條的壓緊和松開。夾持頭在拉簧的作用下沿導軌滑動壓緊料條，在凸輪的作用下反向運動松開料條。在實際使用中我們測得當夾持頭壓向料條管腳時，使得夾持頭在Z向的形變較大，料條隨之抬起，且沿X向抬起的高度不一致，導致料條管腳在Z向高度誤差超過工藝要求（0.06 mm），降低焊接效率。這主要是夾持臂和滑塊的剛度較低引起的。

2.2 夾持頭模塊受力分析

橫力彎曲時彎矩隨截面位置變化，一般情況下最大正應力σmax發生于彎矩最大的界面上，且離中性軸最遠處。即：

（1）

若截面是高為h、寬為b的矩形，則：

（2）

可見對于矩形截面彎曲應力與截面的寬度b、截面高度的平方h2成反比。所以增強矩形截面的強度一般選擇增加高度方向的尺寸。

夾持頭模塊失效的主要原因為剛度不夠，在純彎曲的情況下，形變與彎矩之間的關系公式：

（3）

其中E為材料彈性模量，I為橫截面對中性軸的慣性矩。若結構的橫截面是高為h，寬為b的矩形，則：

（4）

可見在彎矩一定的情況下，提高零件剛度一般通過選用彈性模量大的材料或者增加結構橫截面高度h的尺寸。[1]

夾持頭模塊由5個零部件組成，零件之間通過螺釘連接，通過換算將螺釘扭矩轉換成零件間預緊力F，模型中均使用M4螺釘。

擰緊公稱直徑為d的螺釘需要的預緊力矩T是螺紋阻力矩T1和螺釘與螺紋孔摩擦力矩T2之和，即T=T1+T2，螺紋阻力矩：

T1=Ftan（ψ+ρv）d2/2

T2=1/3fcF（D03-d03）/（D02-d02）

所以螺釘的擰緊力矩為：

式中ψ為螺紋升角；

ρv為三角螺紋的當量摩擦角；

fc為螺釘頭與支撐面的摩擦因數；

d0為螺孔直徑；

D0為螺釘頭支撐面的外徑；

d2為螺紋中徑。

取d2=0.9d，d0=1.1d，ρv=arctan1.155，f=0.1～0.2，D0≈1.5d，fc=0.15，ψ=3.6°，代入上式則可得：

T≈0.2 Fd （5）

模型中M4螺釘擰緊扭矩為300 cN.m。通過公式（5）可得單個螺釘引起壓力F=3750 N，根據零件間螺釘數量計算出零件相互作用力，根據模塊三維圖形、材料和載荷建立ANSYS模型。[2]

3 夾持頭模塊有限元分析

3.1 強度分析

夾持頭模塊建立ANSYS模型如圖3所示，對模塊進行靜力學分析，校核其強度，分析結果如圖4所示。

從有限元分析結果得出，最大應力為76 MP，最小安全系數為3.02，因此模塊強度足夠。

3.2 變形分析

首先對夾持模塊進行靜力學分析，校核其剛度，分析結果如圖5所示，可以看出夾持模塊在Z向最大變形為0.15 mm，且夾持頭兩端的變形位移不一致，結果與實際檢測結果是相符。

從材料和結構方面對模塊進行優化。首先，將模塊中滑塊零件材料從鋁改為碳鋼，再計算模塊的變形量，結果如圖6所示。可以看出Z向變形0.1 mm（>0.06 mm）相對之前0.15 mm雖有所改善，但仍未達到使用要求。

其次，根據之前受力分析，對模塊零件結構（增大h）重新設計，并根據X向變形不一致導致相對誤差大的特點，在空間允許的情況下使模塊在X向盡量結構對稱。優化后分析結果如圖7所示。

結果可以看出在Z向最大位移為 0.009 mm（<0.06 mm），且夾持頭兩端變形一致，優化后的結構剛度較之先前有很大改善，能滿足夾持精度要求。

3.3 模態分析

對結構進行模態分析，計算模塊固有振動頻率，找出剛度薄弱方向。模態分析結果如圖8所示。分析結果為：模塊一階固有頻率為346.5 Hz，為X向的振動。說明模塊在X方向上剛度最低，通過放大視頻發現X向剛度低主要原因為滑塊與導軌接觸面積小。因此，將普通導軌滑塊換成交叉滾子導軌滑塊，使滑塊與導軌接觸面積變大，從而增強剛度。優化后計算得一階固有頻率為531.9 Hz，如圖9所示，模塊剛度得到明顯加強。

4 結論

本文使用ANSYS軟件對夾持頭模塊進行強度分析、變形分析和模態分析，根據分析結果分別從材料、結構和導軌選用三方面進行優化。優化后模塊剛度大大改善，提高了夾持精度，滿足機器性能要求。

參考文獻

[1] 劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2] 龍振宇.機械設計[M].北京：機械工業出版社，2002.