本文来自：塑料工业2018年07期
作者：柏秋阳； 王辉； 危学兵； 冯陈泽芳； 李德群
标题：基于模内电子(IME)工艺的汽车多功能控制开关设计及研究
Design and Research of Automotive Multi-function Control Switch Based on In-Mold Electron (IME) Technology
关键词：模内电子 模内装饰 功能薄膜 注塑分析 热分析
keywords：IME IMD Functional film Injection molding analysis Thermal analysis
模内电子(IME)是传统的模内装饰(IMD)技术与柔性印制电路的结合。将机械式多功能控制开关以IME控制开关改换,并通过注塑及散热分析,得出模内电子产品在注塑成型的充填、温度分布、翘曲以及稳定工作下散热的特点,最终制作实物并安装整车测试性能,得到的IME控制开关可以准确完成所有功能的控制,并且相比原先的机械式开关减重近78%,实现了轻量化的目标。
模内电子(IME)工艺将电气功能通过印刷和表面贴装集成于柔性薄膜上制备功能化薄膜，再通过模内覆膜工艺制成产品。其工艺过程为:
(1) 在薄膜上印刷装饰层;
(2) 在薄膜上制造电路、传感器等;
(3) 在薄膜表面贴装电子元件;
(4) 薄膜热压/高压成型;
(5) 薄膜与塑胶材料注塑成为零件。IME 产品既具有模内装饰工艺的美观与环保，又一体成型实现了功能与结构装饰的无缝结合，因此被广泛应用于汽车、飞机及家电领域。
本文通过模内电子工艺将车内传统的机械式开关的功能集成于功能化柔性薄膜上，并注塑为最终成品，减少了所需零件数，简化了功能件和结构件的匹配安装，实现了轻量化的目的。
一、IME 控制开关设计
汽车内部控制开关一般控制着车辆除行驶外的其他辅助功能，在车辆的正常工作中起着重要作用［1－3］。本文选用某车型多功能开关组件，如图1 所示，其控制功能:
(1) 后除霜除雾开关信号;
(2)前照明灯灯光高度调节信号;
(3) 电子稳定控制系统关闭(ESC OFF) 信号控制;
(4) 危险警告灯开关信号。该多功能控制开关通过机械式结构将物理信号转变为电信号，传输到车辆控制器中，实现相应功能控制。
开关原理图如图2 所示，1、3、5、7、10和11 分别为电压输入端，输入电压9～16 V，由车辆电机提供，7 ～ 9 接口对应开关的前照明灯高度调节的0～3 档，通过改变不同的电阻值大小来调节输出的电压及电流值。
IME 控制开关是由 IME 功能薄膜经过模内注塑工艺实现的，IME 功能薄膜将电子元件、柔性导电线路及控制芯片集成于底层PET 薄膜上，然后在底层薄膜下覆盖注塑复合层材料，即与注塑熔体复合良好的材料，在底层薄膜上覆盖导光膜导光，并在导光膜上增加印刷有油墨图案的基材层，如图3 所示。IME薄膜上的透明区域、导光层及开孔，较好地对侧发光LED 灯进行导光，基材层上的图案能准确反应IME控制开关的功能，且美观。
IME 控制开关由于简化了机械式开关的结构，因此相应的开关面板也要做出修改。大灯调节拨盘开关改为按钮形式，变拨动调节为触控调节，并用4 个LED 灯来表示大灯调节状态。此外，整体背光源采用6 颗侧发光LED 灯配合导光膜实现，整体面板布置如图4 所示。
IME 功能薄膜上含有电子元器件、导光材料和装饰油墨，其注塑性能相较于普通薄膜以及传统IMD薄膜发生了巨大的变化，其注塑性能的好坏，会直接影响控制开关的使用性能。因此，运用Moldflow 对IME 功能薄膜注塑过程进行进一步分析。首先，对分析模型进行处理，忽略薄膜上相对较小的电子元件，并将所有元件简化为规则的长方体，便于计算分析，功能薄膜简化模型如图5a 所示。并且IME 控制开关的注塑部分与功能薄膜复合，因此注塑部分是与功能薄膜形状相同，但电子元件部位有凹槽的模型，如图5b 所示。
首先对两部模型划分网格，网格选择为双层面网格，网格尺寸为2 mm，经修整网格匹配率达到97. 3%，纵横比小于6，符合分析要求［4－5］。定义功能薄膜为零件镶件表面，材料为聚碳酸酯( PC) 树脂，其厚度为2 mm，初始温度为20 ℃，界面传导率为0. 2 W/(m·K)，如图6 所示。在注塑模型中心设置注射位置，对IME 控制开关整体进行填充保压翘曲分析，模具表面温度设置为75 ℃，注塑原料为PC+ABS，熔体温度设置为250 ℃。为了进行比较，同时分析没有功能薄膜特征的注塑模型，在同样条件下对其进行充填保压翘曲分析。
1）充填时间及流动前沿温度
由于增加功能薄膜层并没有改变注塑部分的体积大小，因此不含功能薄膜的塑件的充填时间为0. 663 0 s，含功能薄膜的塑件充填时间为0. 668 1 s，两者无明显区别。图7 为两种注塑件注塑过程中2. 3s 时塑件的总体温度，从图中可以看出，增加功能薄膜层与无薄膜塑件温度分布明显不同，有功能薄膜塑件的中间部分温度普遍较高，温度在195. 2 ℃左右，而无薄膜塑件中间部分温度普遍较低，温度在164 ℃左右。分析原因主要是功能薄膜主要材料是PC 树脂，导热效率比模具钢低很多，塑料熔体的热量不能够及时散出，导致含薄膜塑件中间部分温度分布较高［6－7］，而边缘位置由于与模具相接触，塑件又可以通过模具散热，所以边缘部分的温度又与图7b 中的温度相近。因此，由于含功能薄膜塑件薄膜的部分传热相对较慢，在实际注塑过程中，需加强对功能薄膜分布区域的冷却，避免长时间高温影响电子元件的正常性能。
2）塑件翘曲结果分析
图8 为含功能薄膜塑件与无薄膜塑件翘曲分析结果。从图中可以看出，这两个塑件的翘曲趋势基本相似，都是以浇口位置为中心向两侧有少量翘曲［8］。但含功能薄膜塑件的翘曲相对较小，功能薄膜塑件的最大翘曲量为0. 475 7 mm，无薄膜塑件的最大翘曲量为0. 533 0 mm，相差0. 057 3 mm，这是由于功能薄膜在冷却过程中要收缩，阻止了塑件的部分翘曲，但是功能薄膜上材料的热膨胀系数不同，因此冷却后的收缩也不同，造成了图8a 中塑件靠近两侧部分翘曲变化较大。
IME 功能薄膜在正常工作过程中，电子元件长时间工作会产生相应的热量，由于功能薄膜有PC+ABS材料的注塑层，其导热系数低，电子元件工作产生的热量难以及时散发，可能会造成器件因为温度过高而失效［9－10］。因此，先通过ANSYS Icepak 对各层线路过孔的分布及尺寸对热导率的影响进行分析，再对器件工作温度进行分析，验证器件发热及散热是否能满足正常工作。
将功能薄膜柔性电路模型及过孔布线方式导入，柔性电路面板共分3 层，顶层及底层厚度均为0. 03mm，中间层厚度为0. 2 mm，材料均为纯铜，介质均为FＲ4。分析时，设置电路板厚度方向两个面的属性，一个面的外部条件设为恒定温度，温度为20 ℃，另一个面的外部条件设置为热流密度，数值为50 000W/m2，关闭辐射换热、传导及对流计算，仅计算电路板内的热传导。
经过200 步的迭代计算，结果收敛，如图9 所示。从图中可以看出，电路板各向异性的热导率分布与各层铜线过孔的分布、走向相吻合，布线和过孔可以较为准确地反映电路板各向异性的热导率，铜线面积大的区域，相应区域的热导率比较高，最高热导率为222. 777 W/(m·K)，而没有布置铜线、过孔的区域，热导率仅为0. 35 W/(m·K)。
首先确认功能薄膜主要发热元件为LED 灯及其串联电阻，LED 灯每个功率为0. 06 W，电阻的发热功率通过计算可得为0. 18 W。对功能薄膜进行热场分析，结果如图10 所示。由图中可知，由于IME 功能薄膜注塑后没有良好的散热系统，因此整个样件属于自然散热状态，同时考虑辐射换热［11］，其LED 灯与电阻发热较大，会导致LED 灯及电阻区域温度较高，最高温度会达到近80 ℃，而LED 最高工作温度不宜超过150 ℃，因此自然散热条件下该系统长时间工作是可以实现的。
通过对功能薄膜的热场分析，确认了其在正常工作时，自然散热条件下功能薄膜不会因为高温而失效。因此按照设计模型制作功能薄膜实物，其如图11 所示。功能薄膜整体厚度为2 mm，由11 个LED灯作为光源及控制信号，电路板里有两层材料为纯铜，介质为FＲ4 的，触控开关只需2 ～ 3 N 的力，就可以完成功能控制。将该功能薄膜通过模内覆膜工艺注塑成IME 控制开关，并安装上实车验证控制效果，如图12 所示。测试结果表明IME 控制开关可以准确控制车内后除霜除雾，前大灯高度调节，ESC OFF 信号及危险警告灯信号，并且与原机械式开关91 g 质量相对比，IME 控制开关的质量仅为20g，减轻了近78%，完全符合当前轻量化的要求，有较大的应用前景。
目前，IME 功能薄膜及其产品还很少，文章阐述了将机械式多功能控制开关重新设计及分析，在不改变开关控制功能的前提下，用IME 工艺实现替代。
通过Moldflow 注塑分析，IME 注射成型工艺与常规注射成型工艺相比，充填时间基本无明显区别，需加强对功能薄膜分布区域的冷却，减少功能薄膜收缩，进一步优化产品的翘曲。同时，通过对IME 功能薄膜的热场分析，证明在自然散热条件下IME 控制开关长时间工作是可以实现的。
最后，将设计方案制作成实际的功能薄膜并通过模内覆膜工艺注塑成产品，安装实车检测。检测结果IME 控制开关可以准确完成所有功能的控制，并且相比原先的机械式开关减重近78%，实现了轻量化的目标。
本文来自：知网 作者：柏秋阳，王辉，危学兵...
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