飛針測試機探頭裝夾零件的有限元分析與參數優化

黃韜 董遠川 王野平

1. 南京泊納萊電子科技有限公司 江蘇 南京 211102；2. 同濟大學機械與能源工程學院 上海 201804

1 飛針測試機及其探頭

近年來電子產品、工控、航天等行業飛速發展，推動PCB（Printed Circuit Board）制造水平迅速提高，同時客戶對PCB產品的電性能質量要求也越來越高，因此PCB板的電性能測試難度也越來越大。目前PCB電測方法主要有飛針測試和通用測試架測試，飛針測試機能針對不同PCB板進行測試，市場反應速度快，適合頻繁產品更新，在市場上所占比重越來越大，飛針測試機結構主要設計難點包括探針裝夾部分、側向驅動部分等[1-2]。

探針是飛針測試機的核心部件，探針與PCB板接觸良好后，才能進行準確的電性能檢測，因為探針材料主要為合金鋼或刀具鋼，硬度和強度大，變形量非常小，所以探針在測試過程中的縮進量主要是由裝夾探針的POM塑料卡引起的。因為探針不能扎壞所測PCB板，所以在相同接觸力下，Z方向變形量要大，保證足夠的讓刀量；因為要保證探針在來回快速運動過程中能正常回彈不至于對沖，所以在相同接觸力下，Z方向變形量要小，保證探針測試完某個焊點后快速回彈且振動微小，下次扎針前保持穩定且前后兩次運動不發生對沖[3]。上述兩點相互制約，形成一大技術難點。公司常用的探針裝夾形式主要有兩種一是在同一位置上下成對固定兩個探針，二是在同一位置只固定一個探針，前者用于四線式電測試，后者用于二線式電測試，四線式飛針測試機可以完成二線式的測試功能但是其加工難度也更大，兩探針在測試過程中不能互相短路所以需要隔開一定安全距離并做涂層或烤漆等絕緣保護。本文選用后者進行裝夾探針的POM塑料卡力學性能分析和關鍵參數優化[4]。

圖1 飛針測試機四根探針分布圖

圖2 探針裝夾部分模型圖

2 探頭部分靜力學分析

POM塑料卡有兩個關鍵參數分別是圓弧切邊半徑R和兩圓弧間最小壁厚H，如下圖3中所示。經實驗分析和公司客戶反饋，在電測過程中這兩個參數對塑料卡的縮進量會產生重要影響進而影響電測精度。本文首先通過靜力學分析，找出R和H的變化對POM塑料卡剛度的影響規律，進而給出R和H合理的取值范圍。仿真平臺采用ANSYS Workbench搭建，探針測試過程中所受壓力根據工程實際在0.3~0.6N范圍內，考慮極限狀態要求測試壓力在0.6N時塑料卡在Z方向變形量達到1mm以上，保證讓刀量，同時為能夠快速穩定回彈Z≤1.5mm，同時留下0.2mm的振動量，綜上塑料卡在Z方向的變形量1mm≤Z≤1.3mm；同時還要保證最大應力σ不超過POM材料的屈服極限65MPa[5-6]。初步選定R的范圍為0.35~0.85mm，H的范圍為0.25~0.4mm，仿真時保持力F為0.6 N不變，H不變R在0.35~0.85mm之間變化，得到不同R下對應的變形量Z和最大應力σ如圖4，通過判斷Z和σ是否在合理范圍之內，確定R的取值范圍；R不變H在0.25~0.4mm之間變化，得到不同H下對應的變形量Z和最大應力σ如圖5，通過判斷Z和σ是否在合理范圍之內，確定H的取值范圍。根據ANSYS仿真結果可以得出當H=0.25mm不變R在0.35~0.85mm之間變化時，變形量Z均在合理范圍之內，最大應力σ在R=0.370mm處達到最小值60.193Mpa，為保證不超過POM材料的屈服極限65MPa，R的合理取值范圍為0.370mm≤R≤0.375mm；當R=0.370mm不變H在0.25~0.4mm之間變化時，總的來說H越大應力集中程度越小，變形量Z又均在合理范圍之內，但考慮到剛性不能太大，H的合理取值范圍為0.380mm≤H≤0.385mm[7]。

圖3 POM塑料卡模型圖

圖5 H-Z圖和H-σ圖

3 探頭部分模態分析

公司飛針測試機效率較高，每秒與PCB板接觸10-20次，為此還要進行模態分析求得塑料卡固有頻率，通過優化R和H的取值，使飛針測試機工作頻率（在10~20Hz范圍）在塑料卡固有頻率之前或之后，避免發生共振[8]。根據前面的靜力學分析，R和H分別取中間值0.3725mm和0.3825mm，進行模態分析。ANSYS模態分析的結果如下圖6所示，發生共振的條件有兩個：達到固有頻率和振動方向相同，因為若只是達到固有頻率但振動方向正交也是不會發生共振的[9]。Z方向是POM塑料卡的敏感方向，該振動方向上對應的固有頻率為0.880506×10-2Hz，遠不在10~20Hz范圍內，所以不會引起共振。綜上，0.370mm≤R≤0.375mm且0.380mm≤H≤0.385mm滿足振動穩定性要求[10]。

圖6 模態分析結果

4 結束語

POM塑料卡是裝夾飛針測試機探針的關鍵零件，對飛針機電測精度有很重要的影響。POM塑料卡有兩個關鍵參數分別是圓弧切邊半徑R和兩圓弧間最小壁厚H，找出這兩個參數的合理取值范圍是本文的目標。筆者首先對塑料卡進行靜力學分析，保證Z方向的變形量和最大應力σ在合理范圍之內，得到R的合理取值范圍為0.370mm≤R≤0.375mm，H的合理取值范圍為0.380mm≤H≤0.385mm；之后考慮飛針測試機扎針頻率較快，為保證振動穩定性進行模態分析，驗證R和H在上述取值范圍內POM塑料卡Z方向固有頻率，可以避開飛針測試機工作頻率，滿足振動穩定性要求。本文可為POM塑料卡的結構優化提供理論依據。