基于模內(nèi)電子(IME)工藝的汽車多功能控制開關(guān)設(shè)計及研究

模內(nèi)電子(IME)是傳統(tǒng)的模內(nèi)裝飾(IMD)技術(shù)與柔性印制電路的結(jié)合。將機(jī)械式多功能控制開關(guān)以IME控制開關(guān)改換,并通過注塑及散熱分析,得出模內(nèi)電子產(chǎn)品在注塑成型的充填、溫度分布、翹曲以及穩(wěn)定工作下散熱的特點(diǎn),最終制作實(shí)物并安裝整車測試性能,得到的IME控制開關(guān)可以準(zhǔn)確完成所有功能的控制,并且相比原先的機(jī)械式開關(guān)減重近78%,實(shí)現(xiàn)了輕量化的目標(biāo)。

模內(nèi)電子(IME)工藝將電氣功能通過印刷和表面貼裝集成于柔性薄膜上制備功能化薄膜，再通過模內(nèi)覆膜工藝制成產(chǎn)品。其工藝過程為:

(1) 在薄膜上印刷裝飾層; 

(2) 在薄膜上制造電路、傳感器等;

(3) 在薄膜表面貼裝電子元件;

(4) 薄膜熱壓/高壓成型;

(5) 薄膜與塑膠材料注塑成為零件。IME 產(chǎn)品既具有模內(nèi)裝飾工藝的美觀與環(huán)保，又一體成型實(shí)現(xiàn)了功能與結(jié)構(gòu)裝飾的無縫結(jié)合，因此被廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)及家電領(lǐng)域。

本文通過模內(nèi)電子工藝將車內(nèi)傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)的功能集成于功能化柔性薄膜上，并注塑為最終成品，減少了所需零件數(shù)，簡化了功能件和結(jié)構(gòu)件的匹配安裝，實(shí)現(xiàn)了輕量化的目的。

汽車內(nèi)部控制開關(guān)一般控制著車輛除行駛外的其他輔助功能，在車輛的正常工作中起著重要作用［1－3］。本文選用某車型多功能開關(guān)組件，如圖1 所示，其控制功能:

(1) 后除霜除霧開關(guān)信號; 

(2)前照明燈燈光高度調(diào)節(jié)信號; 

(3) 電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)關(guān)閉(ESC OFF) 信號控制; 

(4) 危險警告燈開關(guān)信號。該多功能控制開關(guān)通過機(jī)械式結(jié)構(gòu)將物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，傳輸?shù)杰囕v控制器中，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能控制。

開關(guān)原理圖如圖2 所示，1、3、5、7、10和11 分別為電壓輸入端，輸入電壓9～16 V，由車輛電機(jī)提供，7 ～ 9 接口對應(yīng)開關(guān)的前照明燈高度調(diào)節(jié)的0～3 檔，通過改變不同的電阻值大小來調(diào)節(jié)輸出的電壓及電流值。

IME 控制開關(guān)是由 IME 功能薄膜經(jīng)過模內(nèi)注塑工藝實(shí)現(xiàn)的，IME 功能薄膜將電子元件、柔性導(dǎo)電線路及控制芯片集成于底層PET 薄膜上，然后在底層薄膜下覆蓋注塑復(fù)合層材料，即與注塑熔體復(fù)合良好的材料，在底層薄膜上覆蓋導(dǎo)光膜導(dǎo)光，并在導(dǎo)光膜上增加印刷有油墨圖案的基材層，如圖3 所示。IME薄膜上的透明區(qū)域、導(dǎo)光層及開孔，較好地對側(cè)發(fā)光LED 燈進(jìn)行導(dǎo)光，基材層上的圖案能準(zhǔn)確反應(yīng)IME控制開關(guān)的功能，且美觀。

IME 控制開關(guān)由于簡化了機(jī)械式開關(guān)的結(jié)構(gòu)，因此相應(yīng)的開關(guān)面板也要做出修改。大燈調(diào)節(jié)撥盤開關(guān)改為按鈕形式，變撥動調(diào)節(jié)為觸控調(diào)節(jié)，并用4 個LED 燈來表示大燈調(diào)節(jié)狀態(tài)。此外，整體背光源采用6 顆側(cè)發(fā)光LED 燈配合導(dǎo)光膜實(shí)現(xiàn)，整體面板布置如圖4 所示。

IME 功能薄膜上含有電子元器件、導(dǎo)光材料和裝飾油墨，其注塑性能相較于普通薄膜以及傳統(tǒng)IMD薄膜發(fā)生了巨大的變化，其注塑性能的好壞，會直接影響控制開關(guān)的使用性能。因此，運(yùn)用Moldflow 對IME 功能薄膜注塑過程進(jìn)行進(jìn)一步分析。首先，對分析模型進(jìn)行處理，忽略薄膜上相對較小的電子元件，并將所有元件簡化為規(guī)則的長方體，便于計算分析，功能薄膜簡化模型如圖5a 所示。并且IME 控制開關(guān)的注塑部分與功能薄膜復(fù)合，因此注塑部分是與功能薄膜形狀相同，但電子元件部位有凹槽的模型，如圖5b 所示。

首先對兩部模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格選擇為雙層面網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為2 mm，經(jīng)修整網(wǎng)格匹配率達(dá)到97. 3%，縱橫比小于6，符合分析要求［4－5］。定義功能薄膜為零件鑲件表面，材料為聚碳酸酯( PC) 樹脂，其厚度為2 mm，初始溫度為20 ℃，界面?zhèn)鲗?dǎo)率為0. 2 W/(m·K)，如圖6 所示。在注塑模型中心設(shè)置注射位置，對IME 控制開關(guān)整體進(jìn)行填充保壓翹曲分析，模具表面溫度設(shè)置為75 ℃，注塑原料為PC+ABS，熔體溫度設(shè)置為250 ℃。為了進(jìn)行比較，同時分析沒有功能薄膜特征的注塑模型，在同樣條件下對其進(jìn)行充填保壓翹曲分析。

1）充填時間及流動前沿溫度

由于增加功能薄膜層并沒有改變注塑部分的體積大小，因此不含功能薄膜的塑件的充填時間為0. 663 0 s，含功能薄膜的塑件充填時間為0. 668 1 s，兩者無明顯區(qū)別。圖7 為兩種注塑件注塑過程中2. 3s 時塑件的總體溫度，從圖中可以看出，增加功能薄膜層與無薄膜塑件溫度分布明顯不同，有功能薄膜塑件的中間部分溫度普遍較高，溫度在195. 2 ℃左右，而無薄膜塑件中間部分溫度普遍較低，溫度在164 ℃左右。分析原因主要是功能薄膜主要材料是PC 樹脂，導(dǎo)熱效率比模具鋼低很多，塑料熔體的熱量不能夠及時散出，導(dǎo)致含薄膜塑件中間部分溫度分布較高［6－7］，而邊緣位置由于與模具相接觸，塑件又可以通過模具散熱，所以邊緣部分的溫度又與圖7b 中的溫度相近。因此，由于含功能薄膜塑件薄膜的部分傳熱相對較慢，在實(shí)際注塑過程中，需加強(qiáng)對功能薄膜分布區(qū)域的冷卻，避免長時間高溫影響電子元件的正常性能。

2）塑件翹曲結(jié)果分析

圖8 為含功能薄膜塑件與無薄膜塑件翹曲分析結(jié)果。從圖中可以看出，這兩個塑件的翹曲趨勢基本相似，都是以澆口位置為中心向兩側(cè)有少量翹曲［8］。但含功能薄膜塑件的翹曲相對較小，功能薄膜塑件的最大翹曲量為0. 475 7 mm，無薄膜塑件的最大翹曲量為0. 533 0 mm，相差0. 057 3 mm，這是由于功能薄膜在冷卻過程中要收縮，阻止了塑件的部分翹曲，但是功能薄膜上材料的熱膨脹系數(shù)不同，因此冷卻后的收縮也不同，造成了圖8a 中塑件靠近兩側(cè)部分翹曲變化較大。

IME 功能薄膜在正常工作過程中，電子元件長時間工作會產(chǎn)生相應(yīng)的熱量，由于功能薄膜有PC+ABS材料的注塑層，其導(dǎo)熱系數(shù)低，電子元件工作產(chǎn)生的熱量難以及時散發(fā)，可能會造成器件因?yàn)闇囟冗^高而失效［9－10］。因此，先通過ANSYS Icepak 對各層線路過孔的分布及尺寸對熱導(dǎo)率的影響進(jìn)行分析，再對器件工作溫度進(jìn)行分析，驗(yàn)證器件發(fā)熱及散熱是否能滿足正常工作。

將功能薄膜柔性電路模型及過孔布線方式導(dǎo)入，柔性電路面板共分3 層，頂層及底層厚度均為0. 03mm，中間層厚度為0. 2 mm，材料均為純銅，介質(zhì)均為FＲ4。分析時，設(shè)置電路板厚度方向兩個面的屬性，一個面的外部條件設(shè)為恒定溫度，溫度為20 ℃，另一個面的外部條件設(shè)置為熱流密度，數(shù)值為50 000W/m2，關(guān)閉輻射換熱、傳導(dǎo)及對流計算，僅計算電路板內(nèi)的熱傳導(dǎo)。

經(jīng)過200 步的迭代計算，結(jié)果收斂，如圖9 所示。從圖中可以看出，電路板各向異性的熱導(dǎo)率分布與各層銅線過孔的分布、走向相吻合，布線和過孔可以較為準(zhǔn)確地反映電路板各向異性的熱導(dǎo)率，銅線面積大的區(qū)域，相應(yīng)區(qū)域的熱導(dǎo)率比較高，最高熱導(dǎo)率為222. 777 W/(m·K)，而沒有布置銅線、過孔的區(qū)域，熱導(dǎo)率僅為0. 35 W/(m·K)。

首先確認(rèn)功能薄膜主要發(fā)熱元件為LED 燈及其串聯(lián)電阻，LED 燈每個功率為0. 06 W，電阻的發(fā)熱功率通過計算可得為0. 18 W。對功能薄膜進(jìn)行熱場分析，結(jié)果如圖10 所示。由圖中可知，由于IME 功能薄膜注塑后沒有良好的散熱系統(tǒng)，因此整個樣件屬于自然散熱狀態(tài)，同時考慮輻射換熱［11］，其LED 燈與電阻發(fā)熱較大，會導(dǎo)致LED 燈及電阻區(qū)域溫度較高，最高溫度會達(dá)到近80 ℃，而LED 最高工作溫度不宜超過150 ℃，因此自然散熱條件下該系統(tǒng)長時間工作是可以實(shí)現(xiàn)的。

通過對功能薄膜的熱場分析，確認(rèn)了其在正常工作時，自然散熱條件下功能薄膜不會因?yàn)楦邷囟АＲ虼税凑赵O(shè)計模型制作功能薄膜實(shí)物，其如圖11 所示。功能薄膜整體厚度為2 mm，由11 個LED燈作為光源及控制信號，電路板里有兩層材料為純銅，介質(zhì)為FＲ4 的，觸控開關(guān)只需2 ～ 3 N 的力，就可以完成功能控制。將該功能薄膜通過模內(nèi)覆膜工藝注塑成IME 控制開關(guān)，并安裝上實(shí)車驗(yàn)證控制效果，如圖12 所示。測試結(jié)果表明IME 控制開關(guān)可以準(zhǔn)確控制車內(nèi)后除霜除霧，前大燈高度調(diào)節(jié)，ESC OFF 信號及危險警告燈信號，并且與原機(jī)械式開關(guān)91 g 質(zhì)量相對比，IME 控制開關(guān)的質(zhì)量僅為20g，減輕了近78%，完全符合當(dāng)前輕量化的要求，有較大的應(yīng)用前景。

目前，IME 功能薄膜及其產(chǎn)品還很少，文章闡述了將機(jī)械式多功能控制開關(guān)重新設(shè)計及分析，在不改變開關(guān)控制功能的前提下，用IME 工藝實(shí)現(xiàn)替代。

通過Moldflow 注塑分析，IME 注射成型工藝與常規(guī)注射成型工藝相比，充填時間基本無明顯區(qū)別，需加強(qiáng)對功能薄膜分布區(qū)域的冷卻，減少功能薄膜收縮，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品的翹曲。同時，通過對IME 功能薄膜的熱場分析，證明在自然散熱條件下IME 控制開關(guān)長時間工作是可以實(shí)現(xiàn)的。

最后，將設(shè)計方案制作成實(shí)際的功能薄膜并通過模內(nèi)覆膜工藝注塑成產(chǎn)品，安裝實(shí)車檢測。檢測結(jié)果IME 控制開關(guān)可以準(zhǔn)確完成所有功能的控制，并且相比原先的機(jī)械式開關(guān)減重近78%，實(shí)現(xiàn)了輕量化的目標(biāo)。

本文來自：知網(wǎng)  作者：柏秋陽，王輝，危學(xué)兵...

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