采用MuCell注塑模工艺降低连接器成本

2023-11-24 10:10:55 来源:《国际线缆与连接》投稿人闻春国编译 点击:4263

摘要:采用一种全新的塑料加工技术,可以有效减小计算机、通信设备和汽车用电连接器、插孔、引线框等元件的制造成本。

关键词:MuCell注塑模工艺;连接器;成本;模块

1 引言

MuCell注塑模工艺正在被各大电子连接器制造商用来降低经营成本和资金成本,提高生产能力,并加快其产品的开发和上市进度。与传统的工艺相比,MuCell是一种热塑性注塑模工艺,它可以使电连接器、插孔和绝缘安装板塑模引线框架等元件在极高的环境和焊接温度下获得较高的尺寸稳定性,同时保持较低的残存应力。

MuCell工艺采用惰性气体(氮气或二氧化碳)的超临界液体(SCF)以便在整个元件中产生一种均匀的、在显微镜下近似于细胞并具有固体壁的结构。MuCell工艺加强了薄壁式连接器的设计,提高了加工效率并可以将其产品成本平均降低12%~20%。

目前,MuCell工艺正广泛地应用于连接系统中,包括线束连接器、电子控制模块H、绝缘安装板塑模引线框架、IC插孔(如DIMM、RIMM和背板连接器)以及 LGA和BGA 插孔。MuCell工艺作为一种降低成本的战略性技术已经广泛应用于汽车、办公设备、工业以及电气/电子市场。

2 MuCell 注塑模工艺介绍

MuCell即Microcellular,微发泡成型技术最早是由美国麻省理工学院首先提出来的。该技术的专利持有者是美国Trexel公司。该技术的基本原理是在较低而平均的压力下,依靠气泡的膨胀来填充产品。MuCell技术的使用先从美国、欧洲开始,随后延伸到日本及东南亚等地区。

采用玻璃纤维增强型工程塑料如PBT、尼龙66和高温尼龙(HTN),MuCell的电连接器元件具有三个重要特点:降低循环时间,加快产品的开发以及可用低成本材料替代。与传统的注塑模技术相比,MuCell工艺由于减少了P-H阶段的工序过程,并且减少了冷却时间,可以将其循环时间平均降低20% ~ 30%,见图1所示。

由于采用MuCell工艺大幅减少了保压时间和冷却时间, 其循环时间平均减少20%~30%

传统注塑工艺:开始注射 → 保压 → 冷却;

MuCell工艺:开始注射 →保压(由4s降为0.5s)→冷却

图1 由于采用MuCell工艺大幅减少了保压时间和冷却时间,其循环时间平均减少20%~30%

对于连接器制造商来说,MuCell循环时间减少的经济重要性包括降低经营成本,避免生产能力的闲置,从而降低资金成本。采用MuCell工艺后,采用玻璃增强型PBT加工汽车电子控制模块插孔(H)绝缘子的循环时间从传统工艺的32秒钟降低到现在的24秒钟。

采用MuCell工艺技术,改进它与模具的尺寸符合度,消除残存应力可以在较短的时间内得到合格的元件尺寸。更为一致和可预测的零件尺寸可以加快part-to-steel的速度,减少工模具迭代的次数,从而能够在更短的时间内启动新的连接器研发程序。使用MuCell工艺和消除残余应力,在玻璃填充尼龙中模制的插入式模制汽车连接器壳体的长度上的平面度变化从传统模制中的0.06“减小到0.008”。

随着电连接器的小型化发展趋势,MuCell工艺通过减小熔融粘度和压力来产生较宽的加工窗,以达到完全填充薄壁部分和柔性部位,而不会产生压应力。采取MuCell工艺扩展了原来仅适用于特定应用领域的低廉材料的选择范围。在某种情况下,可以采用MuCell塑模成型的HTN来代替用传统方法塑模成型的液晶聚合物(LCP) ,采用MuCell技术可以使HTN改进流量,并可以提高其尺寸稳定性。众所周知,液晶聚合物是唯一一种不适合采用MuCell注塑模技术的热塑性材料。不过,LCP与其它高温热塑性材料的混合物正在成功地运用MuCell技术进行加工。

3 MuCell工艺基本原理

这种工艺方法首先是在螺杆松退过程中将超临界流体(SCF)的氮气或二氧化碳精确地注入机筒。然后,经过特殊设计的MuCell螺杆将SCF分散到聚合物熔体中,形成一种单相融体(液体)。SCF用作临时聚合物增塑剂,可将树脂的粘度降低35%,改善了薄壁部分和柔性构件的注入。

SCF氮气或二氧化碳注射机筒示意图

(Shut Off Nozzle:截流射嘴;Front Check Ring:前止回环;Gas Injector:气体注射器;Hopper:料斗;Single phase solution:单相溶液;Special wiping & mixing section:专用擦拭和混合部分;Middle Check Ring:中间止回环)

图2 SCF氮气或二氧化碳注射机筒示意图

需要注意的是,使用Mucell工艺时必须在注塑机上装上特别的螺杆和机筒:

1. 螺杆具有特殊的螺纹设计——超临界流体(SCF)被射入搅拌区后需要特别的螺纹来切碎超临界流体使之与热熔胶充分溶解从而形成单相融体;

2. 单相融体必须保持在一定的高压下才不会离析, Trexel机筒有单向止逆阀和开关式(截流)射嘴设计,从而在机筒前端的射出段形成了一个密闭高压的区间。当注射时,开关式射嘴打开,单相融体瞬间注入模具型腔,开始发泡。

在注射和冷却过程中,模腔内便产生了微泡,由此产生了完全填充零件所需的内压,因此省去了构成生产周期的填充和保压阶段,这一阶段也是传统模塑工艺中模塑件应力的常见来源。据分析,其模腔峰值压力降幅最高可达65%,并且由于体积减小以及采用较低的模具温度,其冷却时间一般可以大大缩短。结果,制作出来的低应力零件尺寸稳定性增强,大幅度减少了翘曲变形,泡孔成长也消除了缩痕,而且在聚合物中不会留下任何化学残留物。

采用MuCell技术可以大大节省传统制程的保压时间而减少了制程周期,同时也解决了传统射出产品不均匀收缩与翘曲变形等问题,从而大幅度提升了产品的尺寸精度。据测算,采用这一工艺技术可以将产品的机械尺寸最多减少50%,并通过降低每小时机器折旧费率有效降低了产品的运营成本。

用MuCell微发泡成型工艺代替传统注塑成型工艺的填充-保压制程可以大大改进位于薄流道末端的厚壁部分的注射效果。在传统注塑工艺中,最佳零件设计含有浇口,这样薄壁部分的填充就必须安排在最后,而有了这一浇口位置就难以完全填满常见的电子连接器零件几何结构,如薄的挠性构件;而MuCell工艺的微发胞可以完全填充那些壁厚的构件,从而形成一个细部更清晰且无残余应力的零件。

通过MuCell模板的升级几乎可以为任何注塑机增加模塑能力

图3 通过MuCell模板的升级几乎可以为任何注塑机增加模塑能力

MuCell模升级版(MMU)代表了MuCell技术的重大成果,因为可以在几乎所有的现行电动或液压注塑机(见图3)直接增强MuCell工艺能力。MMU可允许更换现有的螺杆和螺筒,而无须采用复杂而高昂的机械配置。

传统技术塑压的PBT GF 30 DSC曲线(上图) 与采用MuCell工艺的PBT GF30 DSC曲线(下图)对照情况

图4 传统技术塑压的PBT GF 30 DSC曲线(上图)与采用MuCell工艺的PBT GF30 DSC曲线(下图)对照情况

图4表示通过传统工艺技术塑压的PBT GF 30(80℃模具)DSC曲线与采用MuCell工艺的PBT GF 30 (80℃模具)DSC曲线对照情况。从图4中可以看出,两条曲线是相同的。由此可见,采用MuCell工艺不仅可以将其模具温度降低了60%,而且还保持了其最大的结晶度。

材料制造商认为,对于具有较低模塑温度的大多数半晶体热塑性材料(包括PBT、 SPS/PA、PA 66和HTN)可以采用MuCell工艺,而不会影响其结晶度,详见图4所示。这就为采用MuCell工艺来大幅度地降低冷却时间提供可能性,参见图5。

传统的注塑成型方法

用强化玻璃纤维PBT注塑成型的元件通过MuCell工艺方法

图5 采用传统的注塑成型方法(上图)无法在风道端注入的用强化玻璃纤维PBT注塑成型的元件通过MuCell工艺方法(下图)完全可在相同的熔化和注模温度下完成

根据汽车电连接器系统的SAE/USCAR性能标准,MuCell汽车连接器(包括密封在发动机罩下的连接器)已经通过相关试验鉴定。对于计算机、消费类和通信电子产品来说,采用MuCell工艺加工的所有UL认证的塑料元件也得到了UL认可,而其强度降低了5%。

通过在260℃波焊所测得的在MuCell工艺技术中端子保持力与传统塑模电子控制模块的端子保持力对比可以看出,采用MuCell技术可以得到较高的平均和最小端子保持力值。MuCell技术中端子保持力与传统塑模电子控制模块的平均和最小端子保持力分别是28.3 N、41.4 N 和25.5 N、31.6 N。在这种情况下,MuCell工艺所采用的较高的端子保持力施加于较低的残存应力上,这样一来就可以在围绕针孔四周的薄壁上产生极好的尺寸稳定性。

带有0.64mm 和1.50mm 端子的MuCell汽车线束连接器的端子保持力值(无TPA)大大地超过了USCAR/SAE-2 性能标准。MuCell最小端子保持力值76 N 也大大高于USCAR/SAE-2 标准规定的30 N。对于1.5mm的端子来说,MuCell的最小端子保持力值134 N也大大高于标准规定的50 N。这些特性结果值在玻璃纤维增强型尼龙、HTN、SPS/PA和 PBT塑模成型的MuCell汽车连接器中属于典型特性。

4 结语

采用MuCell工艺可以降低电子连接系统的成本结构,节约开发和推出新产品的时间及其费用。通过经营成本、材料成本和资金成本的节约,电子连接系统MuCell技术的投资可以将其平均投资回收期降低到18个月以下。

从板连接器到汽车线束连接器的一系列电连接器中,MuCell工艺可以使得制造商压塑出尺寸稳定的无应力元件,同时可以大大降低其经营成本和资金成本。

另外,MuCell制程较一般射出制程具有较短的生产周期,其产品因使用气体作为发泡剂而兼具制程环保、产品轻量化的优点且产品塑料可回收。

 

参考文献:

[1] J.H.Lau, “Thermal stress analysis of SMT PQFP package and interconnections,” ASME J. Electron. Package, vol.111, pp.2-8, Mar.

[2] W.Bolton, Engineering Materials Handbook. Boca Raton, FL: CRC, 1989.

[3] P van Dijk, Å.Kassman Rudolphi and D.Klaffke: Investigations on Electrical Contacts Subjected to Fretting Motion, Proc ICEC Conf., 2002.

[4] Pendleton W.E., Tackett A., Korzeniowski L., Cvijanovich G.B., Williams R.T., Jones W.C. : Computer Simulation of Topographical Changes on Gold Contact Surfaces Caused by Loading, , Proc. Holm Conf., 1998, pp. 120-126.

[5] Deeg E.W.: New Algorithms for Calculating Hertz Stresses, Deformations, and Contact Zone Parameters AMP Journal of Technology, Nr 2, 1992, pp. 14-24.

声明:转载此文是出于传递更多信息之目的。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益,请与我们联系,我们将及时更正、删除,谢谢。
Big-Bit 商务网
新连接器网站新闻详情页广告 广告

请使用微信扫码登陆