摘要：精密电子连接器在电子产业进入轻薄短小的需求下，以从早期穿孔式(DIP)焊接于印刷电路板上演变成表面粘着技术(SMT)。在此技术下，精密电子连接器焊脚的平整度成为最重要的产品规格。在影响连接器塑料组件平整性的众多参数中，以翘曲变形最为关键。本研究针对此问题，以目前产业实际使用的电子连接器为例，利用田口实验规划，探讨在两种不同材料(PA6T, LCP)，三种射出条件(射出温度、射出压力、充填时间)，对于连接器平坦度的影响。结果发现，就PA6T材料而言，模流分析所预测的较佳成型条件与实际射出成品相符，然而LCP材料，模流分析所预测的最佳成型条件与实际成品有些许误差。就射出成型条件而言，两种材料的射出温度均在315度可达到最佳平坦度，而射出压力则分别为130 MPa (PA6T)及140 MPa (LCP)，差距并不大。而由于LCP的流动性较PA6T好，因此充填时间LCP只需0.9秒，而PA6T则需1.5秒。此外，以玻璃纤维含量针对LCP材料做平坦性分析，发现玻璃纤维含量越多时，其平坦度越好。因此，玻璃纤维含量似乎可补偿因流动性佳所造成的翘曲变形。然而在实际应用上玻璃纤维含量过多将造成实际成型不易。因此不同射出料的物性，需搭配不同的射出条件，而模流分析提供一个有效的评估标准。
关键词：精密电子连接器、模流分析、田口法、翘曲
一、 前言
近年来电子产业的趋势朝向高密度及薄型化，伴随着相关芯片零组件的薄型化，基板接续用连接器也被要求低背化、细脚距化与省空间化[1-3]。对于表面粘着技术的连接器(SMT connector)而言，由于连结器的焊接温度介于240-260℃，因此在材料选用上，必须考虑成型性及耐热性。一般基于成本考量，常用的材料有PA6T及LCP。由于这些材料在射出成型过程中，树脂(resin)会因为在各个方向的不同的收缩率而产生翘曲变形，此变形对于组装后之成品平整度影响甚钜，因此本文针对此一主要产品特征，探讨射出温度、射出压力、充填时间三种制程参数，及添加纤维的量对于所射出的连结器其翘曲度的影响，进而提供业界在设计与制造连结器的重要参考数据。
二、实验规划
精密电子连接器射出成形产品，因其尺寸小及厚度薄，故在材料选择上或是制程参数规划上应有所差异，故透过模具制作与产品实际射出成形以便修正及核对实务之正确性。在材料选择上，不同材料如PA 6T、LCP，其流动性有不同，选择适合材料至为重要，而不同产品因造型各异，是否材料各异，也为重要探讨范围。在制程参数上选择、射出温度、射出压力、充填时间等作为控制参数，从文献中得知射出温度为制程中最重要参数[4-7]，然而对于业界量产考量，射出压力及充填时间之调整，可使成型时间变短，进而增加产量，然而射出压力太大将导致成品收缩、变形，因此这些变量彼此相互影响，关联性非常复杂，因此必须利用田口法[8-9]，以最少仿真次数，得出不同材料的最佳化射出制程参数。而判别的主要参数为连结器的翘曲度。
透过本研究实验所规划之流程(图1)，搭配田口实验规划法，加以探讨模流分析与实际射出成形所得之结果，是否可有效改善塑料平坦度，进而获得最佳化之射出成形参数。
图1. 实验流程
塑料射料PA 6T在设定射出温度、射出压力、充填时间之条件参数后，这些参数将作为仿真之参数，如表1所示。透过田口方法实验规划，可得L9直交表，如表2所示。依据L9直交表，可清楚得知有9组田口规划之实验参数，再分别针对这9组参数，实际作射出成形，并量测实际其塑料翘曲度，量测之结果，大部份数据皆不符合塑料翘曲度(Flatness) 0.05mm规格内，如表3所示。仿真实验数据为第2组，其参数为射出温度315℃、射出压力 130 MPa、充填时间1.5 s，如表4所示。 
表1.参数设定(PA 6T) 表2. 田口规划法之L9直交表(PA 6T)
 
表3. 实际射出9组之平整度(PA 6T) 表4. 仿真射出9组之平整度(PA 6T)
由实验数据输入田口法计算机程序后，经因子变动计算，可得S/N(讯号/噪声比)，如图2所示。由S/N得到最佳化参数为，射出温度315℃、射出压力130 MPa、充填时间1.5 s。此最佳化参数出现于田口规划法L9直交表内之第二组实际数据，而且实际射出与仿真射出所得之数据也都是第二组为最佳的，由此可得知PA 6T田口法最佳化组合与实际射出与仿真射出是互相对应的，符合理论与实务相互映证，最佳化成形之塑料其平坦度为0.04mm，符合平坦度不超过0.05mm之目标值。
图2. S/N讯号噪声比(PA 6T)
塑料射料LCP在已设定射出温度、射出压力、充填时间之条件参数后，再设定仿真之各参数，如表5所示。透过田口方法实验规划，可得L9直交表，如表6所示。依据L9直交表，可清楚得知有9组田口规划之实验参数，再分别针对这9组参数，实际作射出成形，并量测实际翘曲度，量测之结果，大部份数据皆不符合塑料翘曲度(Flatness) 0.05mm规格内，如表7所示。仿真之最佳化参数为第三组，其参数为射出温度315℃、射出压力 140 MPa 、充填时间0.9 s，如图3所示。 
表5.参数设定(LCP) 表6. 田口规划法之L9直交表(LCP)
 
表7. 实际射出9组之平整度(LCP) 表8. 仿真射出9组之平整度(LCP)
图3. S/N讯号噪声比(LCP)
由实验数据输入田口法计算机程序后，经因子变动计算，可得S/N(讯号/噪声比)，如图3所示。所得到最佳化成形参数为射出温度315 ℃、射出压力130 MPa 、充填时间0.8 s。此最佳化参数出现于田口规划法L9直交表内之第二组实际数据，但与实际射出及仿真射出之最佳值是不相符的，仿真射出为第三组最佳，然实际射出数据为第三组最佳，虽然田口最佳化组合与实际和仿真并不相符，不过距离最佳实际射出数据仅差0.001mm，已相当接近；最佳化成形之塑料其平坦度为0.05mm，符合平坦度不超过0.05mm之目标值。
三、结果与讨论
从PA 6T 之S/N (讯号/噪声比)，可观察出，不论是射出温度、射出压力、充填时间，均有相当明显之趋势，S/N(讯号/噪声比)亦是取最大值，故所呈现之最佳成形参数为射出温度315 ℃、射出压力130 MPa、充填时间1.5 s，这组最佳化成形参数，出现于田口规划法L9直交表内之第2组实验数据，然而实际射出之塑料平坦度数据为0.04 mm，此量化数据符合平坦度不超过0.05 mm之目标值，其余仿真之8组，均未能符合小于0.05 mm规格内。塑料PA 6T经田口法所规划出L9直交表后，分别作9组实际射出与仿真射出，从实际射出可得知第2组为最佳，其数据呈现之分布，最大数值为0.097 mm，最小数值为0.040 mm，两者相差值为0.057 mm，然仿真射出也是为第2组最佳，其最大数值为0.1151mm，最小数值为0.0452 mm，两者相差值为0.06911 mm；然实际射出与仿真射出之总相差值为0.0294 mm；两者相较之下，可看得仿真射出的差异性较高。数据波动也比较实际射出之数据波动来得大。实际射出与仿真射出之翘曲度，有相同之趋势，如图4所示。故从仿真中，就可以先观察其最佳值为何，如图5-图7所示，若异常之处，可随时作调整。在PA 6T实际射出与仿真射出中，知射出温度最为重要，再者为射出压力，最后为射出时间。  
图4. 实际与仿真射出之平坦度结果 (PA 6T) 图5. 充填100%之熔胶波前图 (PA 6T)
 
图6. 充填100%之压力图 (PA 6T) 图7. 充填100%之翘曲图 (PA 6T)
从LCP之S/N(讯号/噪声比)，可观察出，除了射出温度外，射出压力与充填时间，均未有相当明显的趋势，S/N(讯号/噪声比)亦是取最大值，故所呈现之最佳参数为射出温度315℃、射出压力130 Mpa、充填时间0.8 s，这组最佳化成形参数，正好出现于田口规划法L9直交表内之第2组实验数据，然而实际射出成形第二组之塑料平坦度数据为0.051mm，此量化数据未符合于0.050mm目标值内,实际射出最佳值是第3组，其平坦度数据为0.050mm符合目标值之内，与田口法之最佳化组合相比，两者不相符；其余8组均未符合不超过平坦度0.050mm目标值内。实际射出之数据中，第三组实验数据是0.050mm最佳的，次者为第二、四组，两组实际射出之塑料平坦度为0.051mm；在此说明为何田口规划之第二组最佳化成形，于实际射出中，并不是最好的，因为从S/N(讯号/噪声比) ，可观察出，射出温度的斜率趋势是相当清楚的，但射出压力所呈现之斜率趋势却是相当不明显的，并且其值已相当接近S/N标准值(红色虚线)，这显示在此射料LCP中，射出压力所扮演的参数，并不属于关键参数，但反之也可以说，因设定之射出压力太高，导致斜率趋势不明显，然就充填时间0.8s、0.9s而言，其呈现两者相互接近之状况，与0.7s区隔相当明显，这显示出时间以0.8s、0.9s，均为佳，0.7s是不可行之参数。综合上述之因素，可能因为设定射出压力过大，导致射出成形之实验值，无法很明确被区分，对此将安排实验，以厘清射出压力影响程度为何，故田口规划法L9直交表内之第二组实验数据最佳化成形之组合，虽然未符合不超过0.050mm目标值内、但与三、四组均相当接近，仅差0.001mm，如图8所示，此实验仍具有参考性，从仿真射出中可得到LCP所须之压力较小，如图9-图11所示，在此可得知，射出温度为最重要，次之为射出时间，再者为射出压力。 
图8. 实际与仿真射出之平坦度结果 (LCP)。 图9. 充填100%之熔胶波前图 (LCP)。
 
图10. 充填100%之压力图 (LCP)。 图11. 充填100%之翘曲图 (LCP)
因射出压力所呈现之斜率趋势却是相当不明显的，并且其值已相当接近S/N标准值(红色虚线)，这显示在此射料LCP中，射出压力所扮演的参数，并不属于关键参数，但反之也可以说，因设定之射出压力太高，导致斜率趋势不明显，如果调降射出压力的话，或许可以找出更有利找出射出压力之最佳参数，为此，再次以仿真方式，将9组压力参数全部调降70 MPa，然射出温度与时间均维持不变，来反推压力是否有影向到塑料平坦度品质，仿真结果发现，压力经全部调降60 MPa后，再次仿真，所得之塑料平坦度数据，均与未降调射出压力之时，所得之塑料平坦度数据是相同的，这显示压力在LCP塑料而言，不是重要的因子，这也映证即有之基础理论，因为LCP塑料其流动性高，故其所使用之射出压力，远比PA 6T塑料，来得低许多。此时面临到，成形参数已无法再作调整时，又为了找出如何优化LCP所射出之塑料平坦度时，特别安排一仿真实验，于LCP塑料中，增加其玻璃纤维含量，藉由不同比例之玻璃纤维含量，来优化塑料平坦度，实验方式，安排四组不同比例玻璃纤维成量，含原先30%之玻璃纤维含量，增加为40%、50%与60%，实验结果发现，LCP塑料，随着增加玻璃纤维至40%、50%及60%之后，其塑料平坦度愈来愈更好了，这是因为玻璃纤维有助于加强塑料的强度，可有效改善了塑料平坦度，60%玻璃纤维含量，最大可改善0.00723mm，如表9、图12所示。
在随着玻璃纤维含量增多的同时，也要注意到，玻璃纤维含量增多，相对的实际射出成形也会变得较不易，系因玻璃纤维本身具有韧性，会影响熔料流动的顺畅性，进而造成实际射出成形不易。在此仿真射出成形中，射出温度其斜率相当明显，次者为射出时间，射出压力在LCP料中，并不是关键参数之一，故可得知在此LCP仿真射出中，射出温度最为重要，再者为射出时间及射出压力。 
表9. 仿真四种不同含量的玻璃纤维之射出塑料平坦度结果 (LCP) 图12 仿真四种不同含量的玻璃纤维之射出平坦度折线图 (LCP)
综合上述之结果讨论，PA 6T与LCP经过仿真分析与射出实验，实际射出之连结器可改善至0.05mm以下，这是藉由田口法与仿真所得之结果。在本研究中，为了追求更好之平整度效果，特此增加一仿真试验，以增加塑料本身之玻璃纤维含量，可使平整度更佳。这可带给设计工程师另一观念，在选用适当的塑料，及其配合之玻璃纤维含量的多寡，都是相当重要的，这也是一门学问。从这个研究当中，可得知在射出制程参数上，无论是实际射出或仿真射出，均显示射出温度是最重要的因子；然在射出压力中，PA 6T所须之射出压力相较于LCP所须之射出压力来得大，因为LCP流动性较佳；在此研究中可得知，最适合的材料为PA 6T，因其射出成形所得之塑料平整度为最佳。PA 6T从S/N(讯号/噪声比)，可观察出，不论是射出温度、射出压力、充填时间，均有相当明显的趋势，且实际所射出之数据，差异性明显，故PA 6T适合高精度之产品；LCP从S/N(讯号/噪声比)，可观察出，除了射出温度、充填时间外，射出压力并未有明显的趋势，且实际所射出之数据，差异性不甚明显，故LCP适合高稳定性之产品制作。
四、参考文献
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[8] 丁志华、戴宝通 ” 田口实验计划法(I) ” 毫微米通讯、第八卷、第三期。
[9] 张旭铭博士 “板形与平坦度最佳化田口式分析” 高苑技术学院 自动化工程学系。(end)
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