基于Moldflow優化PCI-E連接器的翹曲

陳家達，姜蘇俊，麥杰鴻，李 瓏

(金發科技股份有限公司產品研發中心，珠海萬通特種工程塑料有限公司，廣東 廣州 510520)

伴隨著科技的快速發展，注塑技術[1-3]以及電子行業的工藝技術也取得了很大的進步。其中SMT技術發展迅速、運用廣泛，因為具有集成度高；高頻特性好；生產效率高；成本低廉等優點，讓其在許多領域中已經完全替代傳統行業的電子組裝技術，支配著電子設備的發展，被公認為電子裝配技術革命性變革[4]。SMT技術是一種無需在PCB板鉆插裝孔，直接將表面貼裝元器件貼裝、焊接到印制電路板表面規定位置上的電路裝聯技術。目前在計算機行業，一種PCI控制卡的元器件就需要先和PCI插槽組裝，然后經過SMT技術組裝到PCB電路板上。其中PCI插槽(下稱PCI-E連接器)，是一種需要使用熱塑性塑料通過注塑成型的電子產品。經過注塑成型后的產品，在尺寸變形方面需要滿足后續SMT的組裝要求。但是由于PCI連接器結構復雜、成型工藝苛刻的特點，使用傳統方式上的預變性方法來解決翹曲將變得不可取，目前的電子連接器行業尚未有成功使用預變形方法解決翹曲問題的案例。因此，在項目開發階段就應該在模具結構、產品結構以及材料選取上完成最大的優化。利用CAE仿真分析可以在項目開發階段就能夠分析出產品的翹曲原因，并且能夠以最低的成本去評估未開模產品在注塑成型后的翹曲情況，有著最低的試錯成本。本文正是利用Moldflow軟件，根據分析后的變形趨勢，從產品結構上去分析引起這種變形的主要原因。同時根據分析原因從產品結構和材料選用上找到改善方向，可以為同行業在解決電子連接器翹曲問題時提供參考思路。

1 制件概況

產品為PCI-E連接器，尺寸為90 mm×7 mm×10 mm。產品成型后需要插端子進行電路的貼板焊接，如果成型前制件出現翹曲過大，會使元件引腳存在漏焊或者空焊的風險。采用Moldflow軟件對引起該產品的翹曲原因進行分析，并對其進行改善優化。

圖1 PCI連接器產品及進膠方式Fig.1 Product and gatelocation

2 成型工藝參數

分析過程材料分別為KingFa Vicnyl R6135NH(35%玻纖增強PPA)、KingFa Vicnyl R6145NH(45%玻纖增強PPA)、KingFaVicryst R840(40%增強LCP)，其剪切-粘度、PVT曲線分別如圖所示。由于聚合物基體與纖維之間的相容性差，基體中的纖維容易凝聚和破碎，實際注塑條件中各向異性更加明顯[5]。因此，本實驗暫不考慮該因素，全使用moldlfow默認算法計算纖維分布[6]。同時，精密制件從工藝角度改善的空間和幅度都不明顯，所以不考慮使用注塑工藝改善翹曲。注塑成型工藝如下：模具溫度120 ℃；熔體溫度310 ℃，采用軟件自動控制充模和保壓工藝。

圖2 R6135NH 剪切與粘度曲線Fig.2 Shear rate and viscosity curve

圖3 R6135NH PVT曲線Fig.3 PVT curve

圖4 R6145NH 剪切與粘度曲線Fig.4 Shear rate and viscosity curve

圖5 R6145NH PVT曲線Fig.5 PVT curve

圖6 R840NH 剪切與粘度曲線Fig.6 Shear rate and viscosity

圖7 R840NH PVT曲線Fig.7 PVT curve

3 翹曲原因分析

根據Moldflow的翹曲結果分析，可知產品貼板面的上框口成型后會出現內縮變形，內縮之后始末兩端就會出現馬鞍形的變形趨勢。同時貼板面的龍骨和格柵也會形成馬鞍形的變形趨勢，而且充填過程中PIN槽格柵存在嚴重的滯留，流動速度的降低不利于注塑產品的填充密實度和分子取向。在上框口成型后出現內縮的變形，這種變形只是形成始末兩端有拱起而中間凹陷的馬鞍形趨勢，貼板面的龍骨和PIN槽格柵變形繼續惡化了制件的這種變形趨勢，所以制件整體的變形情況就表現出馬鞍形的變形。

圖8 產品翹曲變形分析過程圖Fig.8 Product warpage analysis process diagram

4 改善方案

根據對結構分析，產品結構上只要阻止上框面的內縮變形以及龍骨的翹曲變形就能夠改善產品的翹曲變形。因此，只需要加大框面的壁厚或者龍骨的寬度就能夠改善整體翹曲，但是往往框面壁厚、龍骨與PIN槽位置是要匹配端子的裝配，不能輕易改動。所以，在不影響端子裝配的前提下，提出一種新的結構方案。與此同時，在同樣結構下比對不同材料的翹曲情況，嘗試在材料選擇上找到優化的方向。

圖9 產品改善前后結構圖Fig.9 Structure before and after product improvement

根據目的設計了三組實驗，實驗一成型材料為KingFa Vicnyl R6135NH(35%玻纖增強PPA)、KingFa Vicnyl R6145NH(45%玻纖增強PPA)的原始結構，實驗二成型材料與實驗一一致的改善結構，實驗三成型材料為KingFaVicryst R840(40%玻纖增強LCP)的改善結構。將產品的SMT面作為評估面，評估面上的偏離值作為評估指標。

5 結果分析

(1)從圖10、圖11結果可知，產品整體呈馬鞍形翹曲，兩種材料在原始結構成型后產品翹曲分別為0.19 mm、0.21 mm。SMT面翹曲偏離過大，無法滿足后續的組裝工藝。從圖10、圖11還可以看出，材料玻纖填充比例的增加會加劇產品在這種結構下的翹曲。

圖10 35%玻纖填充(PPA)原始結構的翹曲變形Fig.10 35% glass fiber filled(PPA) warp deformation of the original structure

圖11 45%玻纖填充(PPA)原始結構的翹曲變形Fig.11 45% glass fiber filled(PPA) warp deformation of the original structur

(2)從圖12、圖13結果可知，改善結構之后兩種材料成型后的產品翹曲分別為0.13 mm、0.17 mm。改善結構是在產品原結構的兩邊長面上都加了一排0.2 mm深的“V”型減厚處理，利用這種“V”結構在成型后形成的拱橋形變形去抵抗產品整體的馬鞍型變形。與實驗一結果對比，產品翹曲得到較未改善前得到了較好的改善。

圖12 35%玻纖填充(PPA)改善結構的翹曲變形Fig.12 35% glass fiber filled(PPA) warp deformation of the original structure

圖13 45%玻纖填充(PPA)改善結構的翹曲變形Fig.13 45% glass fiber filled(PPA) warp deformation of the improved structure

(3)從圖14結果可知，使用牌號為KingFaVicryst R840(40%玻纖增強LCP)材料成型的產品在翹曲上降低到了0.9 mm。這是因為LCP分子鏈有著高度有序和線性的特點，成型后在流動方向和垂直流動方向都有著較小的體積收縮，從產品變形云圖也可以看出產品變形變得更加均勻。因此，最終結果較實驗一和實驗二有著很大的改善。

圖14 40%玻纖填充(LCP)改善結構的翹曲變形Fig.14 40% glass fiber filled(LCP) warp deformation of the improved structure

(4)從表1可以發現，產品結構改善前后的翹曲值都會隨著玻纖含量的增加而加劇了，但這種加劇程度并沒有呈現出一種線性關系，可見這種加劇的程度也和產品結構有關。高玻纖填充材料有更小的收縮率和更強烈的取向效應，不僅如此，高玻纖填充材料還具有更高的強度、剛度等機械性能。以上的材料特性都是有利于抵抗產品脫模后的變形，從而減小翹曲值，但是分析結果恰恰相反。從Moldflow中的其他結果上看，可以分析出原因主要有以下兩點：體積收縮、溫度分布。更加不均勻的體積收縮和溫度分布直接加劇了產品翹曲，這兩者都和玻纖填充比例增加后導致材料流動性降低有著直接關系。

表1 各實驗產品在SMT面上的變形Table 1 Deformation of each experimental product on the SMT surface

6 結 論

(1)電子連接器往往結構復雜，如果只從Moldflow軟件對翹曲歸類的三類因素分析[3]，很難得到引起產品翹曲的根本原因。因此，還需要根據連接器本身結構特點加以分析。理清產品中各結構對整體變形趨勢的影響，為后續在結構上對產品翹曲的改善提供一種新思路。

(2)借助Moldflow軟件進行填充+保壓+翹曲的分析，完成了產品新結構的翹曲評估。從結果來看，結構改善后的翹曲變形可以滿足產品的翹曲要求。因此借助Moldflow分析軟件，可以在不用開模的情況下完成對產品的評估。

(3)如果想通過提高材料的玻纖填充比例從而提高產品整體剛度，利用這種剛度去抵抗產品脫模后的翹曲變形，這種方式在流程長、長寬比較大的電子連接器上并不可行，產品的翹曲反而隨著玻纖含量的增加愈加嚴重。同時比對了40份玻纖填充比例下的LCP材料，發現其翹曲結果遠優于PPA。

(4)本文基于Moldflow完成了對PCI-E電子連接器結構的翹曲優化，其中的改善思路同樣適用于解決U形插槽類連接器的翹曲問題。