基于SolidWorks Simulation的压头热应变分析

张永峰

(太原风华信息装备股份有限公司，山西太原030024)

随着电子信息产业的迅猛发展，电子产品越来越趋向于小型化、薄型化、高精细化。在这种趋势下，微互联技术成了十分关键的技术。各向异性导电膜ACF(anisotropic conductive film)是一种新型的微互联技术，它能够在较低温度下，实现间距在100 μm以下的微连接，并且全过程无铅化，因而广泛应用于液晶显示模组和触摸屏行业中。

各向异性导电膜ACF主要用于玻璃基板与FPC、玻璃基板与IC、FPC与IC、FPC与PCB之间的电气导通和机械连接，与之对应的工艺设备分别为FOG、COG、COF、COB等邦定类设备。随着现代微电子技术和加工技术的发展，IC电极与液晶屏电极越来越细，集成度越来越高，从而对邦定工艺设备的要求也不断提高。

由于ACF粒子非常微小，一般直径为3～5 μm左右，因此ACF粒子对压力非常敏感。当压头工作面不平整时，就会出现一部分ACF粒子完全破碎，而另一部分ACF粒子则无法合理破碎，从而导致ITO玻璃与FPC之间电气导通不良，甚至出现部分引脚无法导通现象，产生废品。同时由于压头工作面不平整，ACF带内受热气体被包裹在压头内部无法释放，当ACF胶固化的时候在ACF带内部产生大量气泡，不但阻止了电气导通，而且降低了剥离强度。因此如何在热态下保证压头平面度要求至关重要。目前实际生产线中的主流设备压头平面度在8 μm以内。

压头平面度受两方面因素影响:一方面为零件自身加工精度;另一方面为加热状态下材料热变形对压头平面度产生的影响。压头长度方向尺寸一般小于100 mm，精密平面磨床加工平面度可达4 μm以内。而热变形的影响却要复杂的多，其与压头材料、形状以及边界条件等均有关系。

现代CAE技术的发展使得对复杂工程问题利用有限元方法解决问题更加方便、快捷。本文详细介绍了利用Solid-Works Simulation有限元分析软件对压头结构进行热应力分析，优化设计的方法。

1 压头有限元分析

本文解决问题的出发点是先对零件进行温度梯度分析计算，得到零件内部的温度分布。再热分析的基础上进一步以温度作为载荷求解因零件内部温度分布引起的压头的热变形量。

1.1 压头结构的热力分析

利用有限元进行温度场分析的基本思想是将一个连续的整体进行离散化，分割成彼此用节点相连接的有限个单元，建立函数的泛函叠加而得到的整个结构的泛函关于温度的表达式，再由求泛函极值的方法，得到以结构节点温度为未知数的线性方程组，解之可以求得结构节点的温度值。

1.1.1压头结构设计

用Solidworks三维软件设计出如图1所示的压头物理模型。

图1 压头结构

1.1.2确定材料、载荷及网格

压头材料选用SUS440C，其材料参数见表1。

表1 材料参数

压头热源接触面设置温度为380℃，其余面设置对流系数为10 W/m2·℃。

网格类型选用实体网格，所选网格器为标准，单元大小为1 mm，公差0.05 mm。

1.1.3温度分布计算结果

图2 压头温度分布云图

图3 压头工作面温度分布曲线图

1.2 压头热变形分析

建立静态分析算例，算例属性中设置热力效应为热算例温度，应变为零时的参考温度设置为25℃。螺钉孔设置为固定约束。设置结束后开始热变形分析，结果如图4，图5所示。

2 数据结果分析

通过分析发现压头中间80%部分温度相对均匀，热变形小于0.002 mm。压头两端受到热对流和约束条件影响，热变形为0.05 mm左右。因此压头中间80%的工作区域满足使用条件。为保证压头有效区域平面度要求，设计过程中应该适当加长压头长度。

图4 压头Z向热变形云图

图5 压头工作面Z向热变形曲线图

3 结论

温度变化会引起机械零件几何尺寸的变化，传统热变形量计算公式是近似和线性的，在精度要求较低时适用，在高精度领域具有很大的局限性。经过多年的研究发现，温度变化时，零件任一尺寸的热变形不遵循传统的线性公式，而与零件其他几何尺寸有关，可表示为其他几何尺寸的非线性函数。

与传统的设计方法相比，利用SolidWorks设计出零件，然后利用SolidWorks Simulation进行热应力、应变等有限元分析，具有如下特点:

(1)操作简单、分析效率高;

(2)力学模型科学合理、分析模型准确可靠;

(3)适用于解决复杂的工程问题;

(4)缩短了产品的研发周期，提高了产品的可靠性，降低了生产成本。

用上述方法设计的各类邦定机压头已投入使用，实测压头有效区域平面度小于0.007 mm，满足使用要求。

［1］刘玉成.有限元法在偏光片磨边机结构设计中的应用［J］.电子工艺技术，2011，32(1):41 －44.

［2］Solidworks公司著.SolidWorks®Simulation高级教程［M］.杭州新迪数字工程系统有限公司译.北京:机械工业出版社，2011.