模內電子(IME)是傳統(tǒng)的模內裝飾(IMD)技術與柔性印制電路的結合。將機械式多功能控制開關以IME控制開關改換,并通過注塑及散熱分析,得出模內電子產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,最終制作實物并安裝整車測試性能,得到的IME控制開關可以準確完成所有功能的控制,并且相比原先的機械式開關減重近78%,實現(xiàn)了輕量化的目標。

模內電子(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，再通過模內覆膜工藝制成產品。其工藝過程為：

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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 產品既具有模內裝飾工藝的美觀與環(huán)保，又一體成型實現(xiàn)了功能與結構裝飾的無縫結合，因此被廣泛應用于汽車、飛機及家電領域。

本文通過模內電子工藝將車內傳統(tǒng)的機械式開關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)，簡化了功能件和結構件的匹配安裝，實現(xiàn)了輕量化的目的。

一、IME 控制開關設計 

汽車內部控制開關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組件，如圖1 所示，其控制功能:

(1) 后除霜除霧開關信號; 

(2) 前照明燈燈光高度調節(jié)信號; 

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

(4) 危險警告燈開關信號。該多功能控制開關通過機械式結構將物理信號轉變?yōu)殡娦盘枺瑐鬏數(shù)杰囕v控制器中，實現(xiàn)相應功能控制。

開關原理圖如圖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，由車輛電機提供，7 ～ 9 接口對應開關的前照明燈高度調節(jié)的0～3 檔，通過改變不同的電阻值大小來調節(jié)輸出的電壓及電流值。

IME 控制開關是由 IME 功能薄膜經(jīng)過模內注塑工藝實現(xiàn)的，IME 功能薄膜將電子元件、柔性導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合層材料，即與注塑熔體復合良好的材料，在底層薄膜上覆蓋導光膜導光，并在導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、導光層及開孔，較好地對側發(fā)光LED 燈進行導光，基材層上的圖案能準確反應IME控制開關的功能，且美觀。

IME 控制開關由于簡化了機械式開關的結構，因此相應的開關面板也要做出修改。大燈調節(jié)撥盤開關改為按鈕形式，變撥動調節(jié)為觸控調節(jié)，并用4 個LED 燈來表示大燈調節(jié)狀態(tài)。此外，整體背光源采用6 顆側發(fā)光LED 燈配合導光膜實現(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的使用性能。因此，運用Moldflow 對IME 功能薄膜注塑過程進行進一步分析。首先，對分析模型進行處理，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 控制開關的注塑部分與功能薄膜復合，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蕿?. 2 W/(m·K)，如圖6 所示。在注塑模型中心設置注射位置，對IME 控制開關整體進行填充保壓翹曲分析，模具表面溫度設置為75 ℃，注塑原料為PC+ABS，熔體溫度設置為250 ℃。為了進行比較，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，在實際注塑過程中，需加強對功能薄膜分布區(qū)域的冷卻，避免長時間高溫影響電子元件的正常性能。

2）塑件翹曲結果分析

圖8 為含功能薄膜塑件與無薄膜塑件翹曲分析結果。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生相應的熱量，由于功能薄膜有PC+ABS材料的注塑層，其導熱系數(shù)低，電子元件工作產生的熱量難以及時散發(fā)，可能會造成器件因為溫度過高而失效［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率的影響進行分析，再對器件工作溫度進行分析，驗證器件發(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，介質均為FＲ4。分析時，設置電路板厚度方向兩個面的屬性，一個面的外部條件設為恒定溫度，溫度為20 ℃，另一個面的外部條件設置為熱流密度，數(shù)值為50 000W/m2，關閉輻射換熱、傳導及對流計算，僅計算電路板內的熱傳導。

經(jīng)過200 步的迭代計算，結果收斂，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確地反映電路板各向異性的熱導率，銅線面積大的區(qū)域，相應區(qū)域的熱導率比較高，最高熱導率為222. 777 W/(m·K)，而沒有布置銅線、過孔的區(qū)域，熱導率僅為0. 35 W/(m·K)。

首先確認功能薄膜主要發(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。對功能薄膜進行熱場分析，結果如圖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，會導致LED 燈及電阻區(qū)域溫度較高，最高溫度會達到近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現(xiàn)的。

通過對功能薄膜的熱場分析，確認了其在正常工作時，自然散熱條件下功能薄膜不會因為高溫而失效。因此按照設計模型制作功能薄膜實物，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，介質為FＲ4 的，觸控開關只需2 ～ 3 N 的力，就可以完成功能控制。將該功能薄膜通過模內覆膜工藝注塑成IME 控制開關，并安裝上實車驗證控制效果，如圖12 所示。測試結果表明IME 控制開關可以準確控制車內后除霜除霧，前大燈高度調節(jié)，ESC OFF 信號及危險警告燈信號，并且與原機械式開關91 g 質量相對比，IME 控制開關的質量僅為20g，減輕了近78%，完全符合當前輕量化的要求，有較大的應用前景。

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