键合机夹持头刚度失效分析

摘 要：使用ANSYS对全自动LED引线键合机夹持头的变形问题进行强度和刚度分析，根据分析结果从材料、结构和导轨选用等方面对模块进行优化设计。

关键词：夹持台 刚度 强度 优化

中图分类号：TG75 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0125-02

引线键合是在超声波、热和压力的共同作用下对芯片和载体进行引线焊接的封装工艺，为半导体后封装中重要一环。本文主要对垂直支架引线键合机夹持台进行优化分析。

1 键合机简介

LED引线键合机主要部件为基座、XY平台、夹持台和键合头，其中夹持台由传送模块、夹持模块和加热模块组成，对料条进行传送、定位、夹持和加热。要求夹持模块能精确定位料条以保证焊线精度。图1是键合机主要部件示意图。

2 夹持头模块

2.1 夹持头简介

夹持头在夹持料条时要求管脚不能松动，当管脚在Z向的高度误差超过工艺要求时，焊接所需时间增加、效率变低。夹持头结构简图如图2所示，夹持头模块安装在下方导轨上，沿导轨滑动来实现对料条的压紧和松开。夹持头在拉簧的作用下沿导轨滑动压紧料条，在凸轮的作用下反向运动松开料条。在实际使用中我们测得当夹持头压向料条管脚时，使得夹持头在Z向的形变较大，料条随之抬起，且沿X向抬起的高度不一致，导致料条管脚在Z向高度误差超过工艺要求（0.06 mm），降低焊接效率。这主要是夹持臂和滑块的刚度较低引起的。

2.2 夹持头模块受力分析

横力弯曲时弯矩随截面位置变化，一般情况下最大正应力σmax发生于弯矩最大的界面上，且离中性轴最远处。即：

（1）

若截面是高为h、宽为b的矩形，则：

（2）

可见对于矩形截面弯曲应力与截面的宽度b、截面高度的平方h2成反比。所以增强矩形截面的强度一般选择增加高度方向的尺寸。

夹持头模块失效的主要原因为刚度不够，在纯弯曲的情况下，形变与弯矩之间的关系公式：

（3）

其中E为材料弹性模量，I为横截面对中性轴的惯性矩。若结构的横截面是高为h，宽为b的矩形，则：

（4）

可见在弯矩一定的情况下，提高零件刚度一般通过选用弹性模量大的材料或者增加结构横截面高度h的尺寸。[1]

夹持头模块由5个零部件组成，零件之间通过螺钉连接，通过换算将螺钉扭矩转换成零件间预紧力F’，模型中均使用M4螺钉。

拧紧公称直径为d的螺钉需要的预紧力矩T是螺纹阻力矩T1和螺钉与螺纹孔摩擦力矩T2之和，即T=T1+T2，螺纹阻力矩：

T1=F’tan（ψ+ρv）d2/2

T2=1/3fcF’（D03-d03）/（D02-d02）

所以螺钉的拧紧力矩为：

式中ψ为螺纹升角；

ρv为三角螺纹的当量摩擦角；

fc为螺钉头与支撑面的摩擦因数；

d0为螺孔直径；

D0为螺钉头支撑面的外径；

d2为螺纹中径。

取d2=0.9d，d0=1.1d，ρv=arctan1.155，f=0.1～0.2，D0≈1.5d，fc=0.15，ψ=3.6°，代入上式则可得：

T≈0.2 F’d （5）

模型中M4螺钉拧紧扭矩为300 cN.m。通过公式（5）可得单个螺钉引起压力F’=3750 N，根据零件间螺钉数量计算出零件相互作用力，根据模块三维图形、材料和载荷建立ANSYS模型。[2]

3 夹持头模块有限元分析

3.1 强度分析

夹持头模块建立ANSYS模型如图3所示，对模块进行静力学分析，校核其强度，分析结果如图4所示。

从有限元分析结果得出，最大应力为76 MP，最小安全系数为3.02，因此模块强度足够。

3.2 变形分析

首先对夹持模块进行静力学分析，校核其刚度，分析结果如图5所示，可以看出夹持模块在Z向最大变形为0.15 mm，且夹持头两端的变形位移不一致，结果与实际检测结果是相符。

从材料和结构方面对模块进行优化。首先，将模块中滑块零件材料从铝改为碳钢，再计算模块的变形量，结果如图6所示。可以看出Z向变形0.1 mm（>0.06 mm）相对之前0.15 mm虽有所改善，但仍未达到使用要求。

其次，根据之前受力分析，对模块零件结构（增大h）重新设计，并根据X向变形不一致导致相对误差大的特点，在空间允许的情况下使模块在X向尽量结构对称。优化后分析结果如图7所示。

结果可以看出在Z向最大位移为 0.009 mm（

3.3 模态分析

对结构进行模态分析，计算模块固有振动频率，找出刚度薄弱方向。模态分析结果如图8所示。分析结果为：模块一阶固有频率为346.5 Hz，为X向的振动。说明模块在X方向上刚度最低，通过放大视频发现X向刚度低主要原因为滑块与导轨接触面积小。因此，将普通导轨滑块换成交叉滚子导轨滑块，使滑块与导轨接触面积变大，从而增强刚度。优化后计算得一阶固有频率为531.9 Hz，如图9所示，模块刚度得到明显加强。

4 结论

本文使用ANSYS软件对夹持头模块进行强度分析、变形分析和模态分析，根据分析结果分别从材料、结构和导轨选用三方面进行优化。优化后模块刚度大大改善，提高了夹持精度，满足机器性能要求。

参考文献

[1] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2] 龙振宇.机械设计[M].北京：机械工业出版社，2002.