基于SolidWorks Simulation的壓頭熱應(yīng)變分析

張永峰

(太原風(fēng)華信息裝備股份有限公司，山西太原030024)

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，電子產(chǎn)品越來越趨向于小型化、薄型化、高精細(xì)化。在這種趨勢(shì)下，微互聯(lián)技術(shù)成了十分關(guān)鍵的技術(shù)。各向異性導(dǎo)電膜ACF(anisotropic conductive film)是一種新型的微互聯(lián)技術(shù)，它能夠在較低溫度下，實(shí)現(xiàn)間距在100 μm以下的微連接，并且全過程無鉛化，因而廣泛應(yīng)用于液晶顯示模組和觸摸屏行業(yè)中。

各向異性導(dǎo)電膜ACF主要用于玻璃基板與FPC、玻璃基板與IC、FPC與IC、FPC與PCB之間的電氣導(dǎo)通和機(jī)械連接，與之對(duì)應(yīng)的工藝設(shè)備分別為FOG、COG、COF、COB等邦定類設(shè)備。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)和加工技術(shù)的發(fā)展，IC電極與液晶屏電極越來越細(xì)，集成度越來越高，從而對(duì)邦定工藝設(shè)備的要求也不斷提高。

由于ACF粒子非常微小，一般直徑為3～5 μm左右，因此ACF粒子對(duì)壓力非常敏感。當(dāng)壓頭工作面不平整時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)一部分ACF粒子完全破碎，而另一部分ACF粒子則無法合理破碎，從而導(dǎo)致ITO玻璃與FPC之間電氣導(dǎo)通不良，甚至出現(xiàn)部分引腳無法導(dǎo)通現(xiàn)象，產(chǎn)生廢品。同時(shí)由于壓頭工作面不平整，ACF帶內(nèi)受熱氣體被包裹在壓頭內(nèi)部無法釋放，當(dāng)ACF膠固化的時(shí)候在ACF帶內(nèi)部產(chǎn)生大量氣泡，不但阻止了電氣導(dǎo)通，而且降低了剝離強(qiáng)度。因此如何在熱態(tài)下保證壓頭平面度要求至關(guān)重要。目前實(shí)際生產(chǎn)線中的主流設(shè)備壓頭平面度在8 μm以內(nèi)。

壓頭平面度受兩方面因素影響:一方面為零件自身加工精度;另一方面為加熱狀態(tài)下材料熱變形對(duì)壓頭平面度產(chǎn)生的影響。壓頭長(zhǎng)度方向尺寸一般小于100 mm，精密平面磨床加工平面度可達(dá)4 μm以內(nèi)。而熱變形的影響卻要復(fù)雜的多，其與壓頭材料、形狀以及邊界條件等均有關(guān)系。

現(xiàn)代CAE技術(shù)的發(fā)展使得對(duì)復(fù)雜工程問題利用有限元方法解決問題更加方便、快捷。本文詳細(xì)介紹了利用Solid-Works Simulation有限元分析軟件對(duì)壓頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱應(yīng)力分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

1 壓頭有限元分析

本文解決問題的出發(fā)點(diǎn)是先對(duì)零件進(jìn)行溫度梯度分析計(jì)算，得到零件內(nèi)部的溫度分布。再熱分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步以溫度作為載荷求解因零件內(nèi)部溫度分布引起的壓頭的熱變形量。

1.1 壓頭結(jié)構(gòu)的熱力分析

利用有限元進(jìn)行溫度場(chǎng)分析的基本思想是將一個(gè)連續(xù)的整體進(jìn)行離散化，分割成彼此用節(jié)點(diǎn)相連接的有限個(gè)單元，建立函數(shù)的泛函疊加而得到的整個(gè)結(jié)構(gòu)的泛函關(guān)于溫度的表達(dá)式，再由求泛函極值的方法，得到以結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)溫度為未知數(shù)的線性方程組，解之可以求得結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的溫度值。

1.1.1壓頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用Solidworks三維軟件設(shè)計(jì)出如圖1所示的壓頭物理模型。

圖1 壓頭結(jié)構(gòu)

1.1.2確定材料、載荷及網(wǎng)格

壓頭材料選用SUS440C，其材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

壓頭熱源接觸面設(shè)置溫度為380℃，其余面設(shè)置對(duì)流系數(shù)為10 W/m2·℃。

網(wǎng)格類型選用實(shí)體網(wǎng)格，所選網(wǎng)格器為標(biāo)準(zhǔn)，單元大小為1 mm，公差0.05 mm。

1.1.3溫度分布計(jì)算結(jié)果

圖2 壓頭溫度分布云圖

圖3 壓頭工作面溫度分布曲線圖

1.2 壓頭熱變形分析

建立靜態(tài)分析算例，算例屬性中設(shè)置熱力效應(yīng)為熱算例溫度，應(yīng)變?yōu)榱銜r(shí)的參考溫度設(shè)置為25℃。螺釘孔設(shè)置為固定約束。設(shè)置結(jié)束后開始熱變形分析，結(jié)果如圖4，圖5所示。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

通過分析發(fā)現(xiàn)壓頭中間80%部分溫度相對(duì)均勻，熱變形小于0.002 mm。壓頭兩端受到熱對(duì)流和約束條件影響，熱變形為0.05 mm左右。因此壓頭中間80%的工作區(qū)域滿足使用條件。為保證壓頭有效區(qū)域平面度要求，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該適當(dāng)加長(zhǎng)壓頭長(zhǎng)度。

圖4 壓頭Z向熱變形云圖

圖5 壓頭工作面Z向熱變形曲線圖

3 結(jié)論

溫度變化會(huì)引起機(jī)械零件幾何尺寸的變化，傳統(tǒng)熱變形量計(jì)算公式是近似和線性的，在精度要求較低時(shí)適用，在高精度領(lǐng)域具有很大的局限性。經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，溫度變化時(shí)，零件任一尺寸的熱變形不遵循傳統(tǒng)的線性公式，而與零件其他幾何尺寸有關(guān)，可表示為其他幾何尺寸的非線性函數(shù)。

與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，利用SolidWorks設(shè)計(jì)出零件，然后利用SolidWorks Simulation進(jìn)行熱應(yīng)力、應(yīng)變等有限元分析，具有如下特點(diǎn):

(1)操作簡(jiǎn)單、分析效率高;

(2)力學(xué)模型科學(xué)合理、分析模型準(zhǔn)確可靠;

(3)適用于解決復(fù)雜的工程問題;

(4)縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品的可靠性，降低了生產(chǎn)成本。

用上述方法設(shè)計(jì)的各類邦定機(jī)壓頭已投入使用，實(shí)測(cè)壓頭有效區(qū)域平面度小于0.007 mm，滿足使用要求。

［1］劉玉成.有限元法在偏光片磨邊機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.電子工藝技術(shù)，2011，32(1):41 －44.

［2］Solidworks公司著.SolidWorks?Simulation高級(jí)教程［M］.杭州新迪數(shù)字工程系統(tǒng)有限公司譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.