一種集成電路包裝管的有限元分析及模具優化

石國軍，張德龍，曾 碩

（1.甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水；2.天水華天集成電路包裝材料有限公司，甘肅 天水）

1 研究背景及現有技術

1.1 研究背景

本項目是由天水華天集成電路包裝材料有限公司提出對一種集成電路元件包裝管的生產模具需要進行優化，從而可以提高零件生產效率與產品質量，而且可以降低生產成本的集成電路元件包裝管擠出模具設計。

1.2 現有模具技術

集成電路元件包裝管壁厚一般取0.5～0.8 mm 之間，且具有高的抗沖擊、抗彎強度、有高的透明度以及環保等方面的因素影響。目前使用的生產原料大多選取物美價廉的改性PVC 塑料粉末，而純聚氯乙烯是非結晶熱敏性塑料,它沒有明顯的熔點，在80～85 ℃就要開始軟化，130 ℃時變可呈塑狀，180 ℃時就開始具有一定的流動性能，塑料長時間受熱都會發生降解甚至脫出氯化氫等現象，制品顏色一般會從淺紅色- 淺黃色- 紅色-褐色- 黑色（炭化）發生變化，擠出成型溫度應按制在玻璃化溫度到熔融溫度之間，熔融溫度與分解的溫度特別接近，加工工藝溫度必須按制得很嚴格；黏度大，流動性差，成型難度很大；硬質聚氯乙烯制品的抗沖擊性能較差，有較大的缺口敏感性。因此聚氯乙烯在一般成型加工中必須加入足量的穩定劑、潤滑劑以及沖擊改性劑等加工助劑來改良特性[1]。現在國內生產這一類產品依然處于較低水平，使用的模具采用的大多都是傳統的組合式結構，如圖1 所示。

圖1 組合式模具結構

2 有限元建模與分析

2.1 PVC 異型材塑件厚度分布不均

大部分區域的厚度介于0.75～0.77 mm，但是凹字型部分區域的厚度過薄，如圖2 所示。根據異型材結構和PVC 材料特性設計的擠出模具流道流道包括入口部分、喉頸、擴張段、連接段、壓縮段和成型段，根據流道結構，取其不同截面的切片為研究對象，如圖3所示。

圖2 異型材塑件

圖3 擠出模具流道模擬

2.2 模擬分析

2.2.1 流速分布

我們通過對流道建模發現各區段的截面速度分布不均勻，如圖4 所示。切片③處可以明顯見到截面積較大的區域。切片④處流速快慢差距變得明顯。切片⑤處流速快慢差距變小，幾乎是均勻分布。模頭的藍區處彎道結構的面積過大，引入了過多熔膠，導致平面④速度分布不均。平面⑤處(出口平面)顯示流率相對均勻，如圖5 所示。

圖4 各區段的截面速度

圖5 平面5 流速分段

2.2.2 流動及速率分布

彎道結構的入口空間較大，大量的熔膠往此流動。進入到切片④之后，由于速度分布不均，熔膠稍微橫向流動，以達到切片⑤均勻流速的狀態。但是在彎道結構的末端，由于截面積的縮減，導致剪切速率過高。

2.2.3 溫度分布

彎道結構的截面積太大，流率過高，導致剪切生熱，因此溫度也較高，PVC 材料如果溫度過高，會釋放對人體有害的氣體，應避免溫度過高，此結果與剪切速率可相互印證。

通過分析各區域的平均溫度并無太大的變化，不至于影響冷卻不均、收縮變形。

2.3 分析結果

2.3.1 流率與溫度分布

從流率分布、溫度分布未看出太明顯的缺陷，模頭出口的流率均勻，無明顯的快慢差異。模頭出口的平均溫度均勻，無明顯特別高溫的區域。模頭出口的模壁溫度分布，在凹字型區域雖有較明顯的高溫，但溫度差異不超過5 ℃，理論上不會對冷卻收縮造成太大的影響。

2.3.2 產品翹曲變形的主要原因

應該和模頭本身的關系不大，與冷卻階段有較大的關系，需要更進一步得知冷卻水路的排列、分布情形，我們推測，凹字型區域沒有被適當的降溫，因此在冷卻階段，此區域是最慢被冷卻固化的，造成凹字型區域收縮變形以及厚度變薄。

3 模具結構優化

該包裝管擠出模具優化不僅可以提高生產效率與產品質量，而且可以降低生產成本，降低工人的工作量。優化模具結構，如圖6（a）所示。

圖6 優化模具結構

3.1 快速拆卸模具零件

件3 芯模（設有內六角孔方便拆裝）、件4 口模、件7 分流錐（芯模支架板）和件9 機頭過渡體按照單件制作并進行螺紋連接。

3.2 形成互換結構

件3 芯模與件4 口模，設計成可互換結構，只要通過螺紋連接快速更換不同型號的芯模與口模，就可以實現不同型號的產品生產。

3.3 形成氣通路

件3 芯模與件7 分流錐（芯模支架板）上設計出通氣孔，組成一條氣通路，使管胚內外氣壓相當，在引管時不用尖針扎管胚的方式來達到內外氣壓一致，就能很快將管胚引入到定型模具里抽真空成型。

3.4 降低調模強度

件4 口模通過6 個件2 調節螺釘連接在件7 分流錐（芯模支架板）上，兩者的接觸部分為球面連接結構5，其中件7 分流錐（芯模支架板）上球形凸臺12，如圖6（c）所示。件4 口模上球凹面15 表面光滑并通過6 顆調節螺釘2 緊緊壓住以免熔料漏出，如圖6（d）所示。若件4 口模與件3 芯模之間間隙不均勻時，通過調節螺釘2 來進行微調，由于擠出壓力由件9 機頭過渡體承受，使件4 口模調節輕松自如，為了避免件2調節螺釘螺頭壓壞件4 口模螺釘口部，加裝墊片1 進行處理。另外，擠出機壓力由件9 機頭過渡體承受，使件4 口模調節輕松自如，降低了工人的調試調模強度。

3.5 提高生產率

正常生產過程中，當管胚出現變色花紋或黑點時，立即拆卸6 顆件2 調節螺釘，取下件4 口模，迅速用2500 目砂紙趁熱對件4 口模內腔熔料流道和件3芯模表面進行拋光，然后用6 顆件2 調節螺釘安裝連接上件4 口模。由于在拆卸模具清理熔料拋光模腔時，不需要關閉擠出機的加熱器，保持料筒里熔料處于熔融狀態，最后開機快速引管成型，中斷生產到恢復正常生產只有20 多分鐘，節省時間約1.5 h，大大提高了生產效率。

4 模具優化后的效果

4.1 提高生產效率

完成拆卸模具清理模腔熔料，只需要10～15 min；在件3 芯模與件7 分流錐（芯模支架板）上設有通氣孔，組成一條氣通路，使管胚內外氣壓相當，將管胚引入到定型模具里抽真空成型，只需要1 分鐘，節省時間約1～2 h；將件3 芯模與件4 口模設計成可互換結構，通過快速更換芯模與口模，實現不用投資整套模具費用就能生產多種型號產品，大大提高生產效率[2]。

4.2 節能環保等

在清理模腔熔料時，產生熔料不足0.5 kg 并完全可粉碎回收再用，每次節省原材料費就高達20 多元，不但節省資金做好循環經濟，同時有利于節能環保。

4.3 提高產品質量

一條流線型光滑的熔料流道只設計2 個連筋，降低熔料停滯時間，避免熔料因停滯而發生熱分解；合適的壓縮比與熔料停留時間，確保熔料在模具內停留時間合理，避免熔料受熱時間長發生熱分解；從而確保產品表觀質量與透明度，提高了產品質量[3]。

4.4 降低維修成本

同時減少了拆卸模具清理模腔熔料的次數，減輕調試勞動強度。相應地，減少了機械部件的損壞，降低了維修成本。

5 結論

此次研究團隊模擬了PVC 包裝管異型材的擠出成型，通過有限元建模，分析了PVC 熔體在擠出異型材流道中的速率和溫度分布情況。研究表明，在該異型材擠出流道中，PVC 熔體的速度分布與溫度分布情況基本一致，流道能很好地實現PVC 材料的擠出成型。經過對模具結構優化、模具試制，產品上機驗證，我們認為符合設計要求，也肯定了模具設計和工藝選擇的合理性。