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(kāi)關(guān)以IME控制開(kāi)關(guān)改換,并通過(guò)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(cè)試性能,得到的IME控制開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)模內(nèi)覆膜工藝制成產(chǎn)品。其工藝過(guò)程為：

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(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(wú)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(guò)模內(nèi)電子工藝將車內(nèi)傳統(tǒng)的機(jī)械式開(kāi)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(jiǎn)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。

一、IME 控制開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì) 

汽車內(nèi)部控制開(kāi)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(kāi)關(guān)組件，如圖1 所示，其控制功能:

(1) 后除霜除霧開(kāi)關(guān)信號(hào); 

(2) 前照明燈燈光高度調(diào)節(jié)信號(hào); 

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

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

開(kāi)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(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)的前照明燈高度調(diào)節(jié)的0～3 檔，通過(guò)改變不同的電阻值大小來(lái)調(diào)節(jié)輸出的電壓及電流值。

IME 控制開(kāi)關(guān)是由 IME 功能薄膜經(jīng)過(guò)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(kāi)孔，較好地對(duì)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(kāi)關(guān)的功能，且美觀。

IME 控制開(kāi)關(guān)由于簡(jiǎn)化了機(jī)械式開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)，因此相應(yīng)的開(kāi)關(guān)面板也要做出修改。大燈調(diào)節(jié)撥盤開(kāi)關(guān)改為按鈕形式，變撥動(dòng)調(diào)節(jié)為觸控調(diào)節(jié)，并用4 個(gè)LED 燈來(lái)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(huì)直接影響控制開(kāi)關(guān)的使用性能。因此，運(yùn)用Moldflow 對(duì)IME 功能薄膜注塑過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步分析。首先，對(duì)分析模型進(jìn)行處理，忽略薄膜上相對(duì)較小的電子元件，并將所有元件簡(jiǎn)化為規(guī)則的長(zhǎng)方體，便于計(jì)算分析，功能薄膜簡(jiǎn)化模型如圖5a 所示。并且IME 控制開(kāi)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(duì)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(shù)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(duì)IME 控制開(kāi)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(shí)分析沒(méi)有功能薄膜特征的注塑模型，在同樣條件下對(duì)其進(jìn)行充填保壓翹曲分析。

1）充填時(shí)間及流動(dòng)前沿溫度

由于增加功能薄膜層并沒(méi)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(shí)間為0. 663 0 s，含功能薄膜的塑件充填時(shí)間為0. 668 1 s，兩者無(wú)明顯區(qū)別。圖7 為兩種注塑件注塑過(guò)程中2. 3s 時(shí)塑件的總體溫度，從圖中可以看出，增加功能薄膜層與無(wú)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(wú)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(shù)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(shí)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(guò)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(duì)較慢，在實(shí)際注塑過(guò)程中，需加強(qiáng)對(duì)功能薄膜分布區(qū)域的冷卻，避免長(zhǎng)時(shí)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(wú)薄膜塑件翹曲分析結(jié)果。從圖中可以看出，這兩個(gè)塑件的翹曲趨勢(shì)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(duì)較小，功能薄膜塑件的最大翹曲量為0. 475 7 mm，無(wú)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(guò)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(guò)程中，電子元件長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)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(shí)散發(fā)，可能會(huì)造成器件因?yàn)闇囟冗^(guò)高而失效［9－10］。因此，先通過(guò)ANSYS Icepak 對(duì)各層線路過(guò)孔的分布及尺寸對(duì)熱導(dǎo)率的影響進(jìn)行分析，再對(duì)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(guò)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(shí)，設(shè)置電路板厚度方向兩個(gè)面的屬性，一個(gè)面的外部條件設(shè)為恒定溫度，溫度為20 ℃，另一個(gè)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(duì)流計(jì)算，僅計(jì)算電路板內(nèi)的熱傳導(dǎo)。

經(jīng)過(guò)200 步的迭代計(jì)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(guò)孔的分布、走向相吻合，布線和過(guò)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(méi)有布置銅線、過(guò)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L(zhǎng)ED 燈及其串聯(lián)電阻，LED 燈每個(gè)功率為0. 06 W，電阻的發(fā)熱功率通過(guò)計(jì)算可得為0. 18 W。對(duì)功能薄膜進(jìn)行熱場(chǎng)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(méi)有良好的散熱系統(tǒng)，因此整個(gè)樣件屬于自然散熱狀態(tài)，同時(shí)考慮輻射換熱［11］，其LED 燈與電阻發(fā)熱較大，會(huì)導(dǎo)致LED 燈及電阻區(qū)域溫度較高，最高溫度會(huì)達(dá)到近80 ℃，而LED 最高工作溫度不宜超過(guò)150 ℃，因此自然散熱條件下該系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作是可以實(shí)現(xiàn)的。

通過(guò)對(duì)功能薄膜的熱場(chǎng)分析，確認(rèn)了其在正常工作時(shí)，自然散熱條件下功能薄膜不會(huì)因?yàn)楦邷囟?。因此按照設(shè)計(jì)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(gè)LED燈作為光源及控制信號(hào)，電路板里有兩層材料為純銅，介質(zhì)為FＲ4 的，觸控開(kāi)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(guò)模內(nèi)覆膜工藝注塑成IME 控制開(kāi)關(guān)，并安裝上實(shí)車驗(yàn)證控制效果，如圖12 所示。測(cè)試結(jié)果表明IME 控制開(kāi)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(hào)及危險(xiǎn)警告燈信號(hào)，并且與原機(jī)械式開(kāi)關(guān)91 g 質(zhì)量相對(duì)比，IME 控制開(kāi)關(guān)的質(zhì)量?jī)H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。

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