Методы включения функциональных элементов, таких как проводящие следы в компрессионных формовочных частях

Введение в функциональное формование сжатия

Эволюция производства привела к увеличению спроса на компоненты, которые не только обеспечивают структурную поддержку. Интеграция функциональных элементов, таких как проводящие следы, непосредственно в детали, формованные сжатием, позволяет инженерам встраивать электрические схемы, датчики и соединительные пути в единую монолитную структуру. Эта способность уменьшает этапы сборки, экономит вес и повышает надежность, устраняя отдельные проводные ремни и разъемы. Поскольку интеллектуальные устройства, автомобильная электроника и медицинские имплантаты продолжают уменьшаться в размерах, увеличиваясь в сложности, способность сочетать механическую и электрическую функциональность в одном процессе формования становится критическим конкурентным преимуществом.

Компрессионное формование, традиционно используемое для высокопрочных термореактивных композитов и резиновых деталей, предлагает уникальные возможности для встраивания проводящих функций из-за его относительно низких сил сдвига и способности обрабатывать различные материалы вставки. Однако включение проводящих следов без ущерба целостности деталей или электрическим характеристикам требует тщательного выбора материалов, параметров процесса и методов встраивания. В этой статье рассматриваются проверенные методы добавления проводящих следов к запчастям, формованным сжатием, включая предварительно встроенные пленки, печать в форме, формование вставки и новые технологии, такие как лазерная прямая структура.

Понимание формования сжатия

Компрессионное формование представляет собой технологию изготовления, в которой предварительно нагретый материал, обычно термореактивная смола, резиновое соединение или композитный препрег, помещают в открытую, нагретую полость формы. Затем формовка закрывается под гидравлическим давлением, заставляя материал течь и заполнять полость, в то время как теплоотверждение или сшивание полимера. Процесс отличается от литья под давлением, потому что материал не вводится через сопло, а просто прижимается к форме. Эта разница уменьшает нагрузку на сдвига на нежные вставки и позволяет использовать большие, толстые детали с отличными механическими свойствами.

Процесс предлагает ряд неотъемлемых преимуществ: высокие темпы производства для средних и больших объемов, отличную точность размеров, низкие отходы материала и способность формировать сложные геометрии со вставками или армирующими волокнами.Общие материалы включают фенольные, эпоксидные, меламиновые, полиэфирные и силиконовые соединения, а также различные резиновые составы. Типичный цикл включает в себя предварительный нагрев заряда, загрузку его в форму, закрытие и нагнетание, удержание для отверждения, затем открытие и выброс готовой детали. Температура колеблется от 120°С до 200°С, а давление от 500 до 3000 пси в зависимости от сложности материала и детали.

Потребность в функциональных элементах в формованных частях

Современные конструкции изделий все чаще требуют, чтобы конструктивные компоненты также выполняли электрические или тепловые функции. Проводящие следы, встроенные в детали с компрессионным формованием, могут служить в качестве контурных путей, антенных элементов, плоскостей заземления или электродов датчиков. Приложения варьируются от автомобильных внутренних панелей, которые интегрируют сенсорные элементы управления, до корпусов медицинских устройств, которые включают емкостные датчики для мониторинга пациента. Аэрокосмические компоненты извлекают выгоду из встроенных нагревательных элементов для деобладания, в то время как потребительская электроника использует формованные структурные рамы со встроенной проводкой для уменьшения размера и повышения долговечности.

Консолидируя несколько функций в одну формованную деталь, производители могут устранить вторичные операции сборки, уменьшить вес и повысить надежность, удалив уязвимые проводные соединения. Кроме того, встраивание следов в материал защищает их от повреждения окружающей среды, коррозии и механического износа. Задача заключается в достижении надежных электрических свойств при сохранении механической прочности и термической стабильности, требуемых от формованного компонента.

Основные проблемы интеграции проводящих следов

Включение проводящих следов в процесс сжатия-формования создает несколько технических препятствий, которые необходимо устранить для обеспечения функционального, повторяемого продукта.

Электрическая непрерывность под давлением и теплом

При формовке материал течет и форма прикладывает высокое давление. Это может растягивать, разрывать или ломать тонкие проводящие следы. Поддержание бесперебойных электрических путей требует следов, которые могут выдерживать процесс без растрескивания или расслоения. Проводящие пленки и чернила должны иметь достаточное удлинение и адгезию, чтобы пережить процесс формирования.

Выравнивание и позиционирование точности

Проводящие следы должны располагаться точно в полости формы для согласования с последующими интерфейсами сборки или для соответствия электрическим спецификациям конструкции. Любое смещение во время закрытия формы или потока материала может привести к неправильному расположению цепи, вызывая шорты или неисправные соединения. Часто необходимы допуски удержания в пределах ±0,1 мм, что требует тщательной конструкции крепления и управления процессом.

Сцепление и совместимость между материалами

Проводящий элемент и формовочное соединение должны надежно связываться. Различия в коэффициенте теплового расширения (CTE), поверхностной энергии и химической совместимости могут привести к расслоению, образованию пустот или коррозии на интерфейсе. Выбор совместимых материалов или применение промоторов сцепления имеет важное значение для предотвращения преждевременного отказа.

Термическое разложение проводящих материалов

Компрессионное формование включает в себя повышенные температуры, которые могут разрушать проводящие чернила или пленки, особенно если они основаны на растворителях или содержат органические связующие вещества.Проводящий материал должен выдерживать пиковую температуру плесени и продолжительность цикла отверждения без значительной потери проводимости или механической целостности. Проводники на основе серебра, меди и углерода имеют разные тепловые пределы.

Повреждение плесени и загрязнение

Проводящие вставки или печатные чернила могут прилипать к поверхности формы, что приводит к накоплению, которое требует частой очистки и может повредить форму. Для предотвращения передачи могут потребоваться покрытия без привязки или пленки для выпуска, но они могут помешать электрической функциональности, если не тщательно интегрированы.

Методы включения проводящих следов

Существует несколько устоявшихся методов встраивания проводящих узоров в компрессионно-формованные детали.Выбор зависит от требуемых электрических характеристик, объема производства, геометрии деталей и системы материалов.

Предварительно встроенные дирижирующие фильмы

Тонкие проводящие пленки, такие как медная или алюминиевая фольга, наложенные на полимерный носитель, могут быть вырезаны в желаемый след и помещены в полость формы перед добавлением формовочного соединения. Пленка расположена с использованием штифтов выравнивания или вакуумных роботов-выборщиков. Во время сжатия расплавленный материал течет вокруг и через любые отверстия в пленке, инкапсулируя его постоянно. Этот метод хорошо работает для жестких схем с относительно грубыми размерами признаков (0,5 мм или больше) и высокой пропускной способностью тока.

Ключевые соображения включают выбор пленки с носителем, который хорошо связывается с литьевой смолой, гарантируя, что пленка не морщится или не сдвинется во время закрытия формы, и обеспечивая достаточную толщину, чтобы избежать коротких замыканий через деталь. Толщина металлической фольги обычно колеблется от 0,018 до 0,1 мм. Для улучшенной адгезии пленки могут быть покрыты теплоактивируемым клеем, который связывается с полимером во время отверждения.

Печать в прессе с помощью проводящих чернил

Проводящие краски, содержащие частицы серебра, меди или углерода, суспендированные в связующем веществе, могут быть напечатаны непосредственно на предварительно сформированной подложке или на самой поверхности формы. Экранная печать, струйное осаждение или аэрозольная струя могут создавать мелкие следы (до 50 мкм) с точной регистрацией. Когда чернила печатаются на пресс-форме, формовочный материал течет и связывается с высушенными чернилами во время сжатия. Альтернативно, чернила могут быть отложены на тонкую пленку или ткань, которая затем помещается в пресс-форму.

Чернила должны быть сформулированы таким образом, чтобы выдерживать температуру формования без полного сгорания связующего, что приведет к потере сцепления проводящих частиц. Многие коммерческие чернила предназначены для высокотемпературных процессов и отверждения для формирования проводящей сети, которая остается гибкой или полугибкой. Этот метод идеально подходит для производства с низким и средним объемом, где ценится гибкость конструкции и быстрая итерация. Для достижения максимальной проводимости может потребоваться постформование спекания или отверждения.

Включить формование проводящих компонентов

Для приложений, требующих прочных электрических соединений или высоких токов, в полость плесени могут быть помещены предварительно сформированные металлические вставки, такие как штифты, штампованные провода или гибкие хвосты контура. Молдинговое соединение обтекает эти вставки, механически блокируя их и создавая герметичный интерфейс. Этот метод похож на традиционную вставку формования, но оптимизирован для процесса сжатия.

Вставки часто включают такие функции, как заусеницы, отверстия или вспыхнувшие концы для улучшения механического удержания. Они могут быть изготовлены из латуни, фосфорной бронзы или нержавеющей стали и могут быть покрыты золотом или оловом для коррозионной стойкости и паяльности. Вставное формование хорошо подходит для соединительных интерфейсов, силовых терминалов и точек заземления, где надежность электрических и механических характеристик имеет решающее значение.

Селективная металлизация и посадка

Альтернативой встраиванию предварительно сформированных следов является создание проводящего рисунка на формованной части после получения базового компонента. При этом двухэтапном подходе сначала формируется стандартная компрессионно-формованная деталь с использованием полимера, который может быть избирательно активирован для нанесения покрытия. Один распространенный метод использует добавку в смолу, чувствительную к лазерному облучению. Лазер записывает желаемый схемный рисунок на поверхность детали, активируя присадку. Затем деталь помещается в безэлектронную обшивочную ванну, где медь, никель или золото отлагаются избирательно на лазерно активированные области.

Этот метод, часто называемый лазерной прямой структуризацией (LDS), широко используется в литьевом формовании, но все чаще адаптируется для компрессионного формования. Он предлагает чрезвычайно тонкое разрешение следов (до 30 мкм), отличную адгезию и способность создавать трехмерные схемы на сложных геометриях. Процесс не требует тонкой обработки пленок или чернил во время формования и подходит для производства большого объема. Однако он требует специального формовочного соединения, которое содержит лазер-активируемую добавку, которая может ограничивать выбор материала.

Аддитивные пост-модулирующие методы

Проводящие следы также могут быть применены после процесса компрессионного формования с использованием методов аддитивного производства. Аэрозольная струйная печать, микрораздача или экранная печать проводящих материалов на поверхности формованной детали могут создавать функциональные схемы. Хотя это добавляет вторичный шаг, это позволяет легко ремонтировать или изменять схему схемы и позволяет избежать воздействия проводящего материала на суровую среду формования. Этот подход часто выбирают для прототипирования, производства с низким объемом или деталей, которые требуют чрезвычайно высокой проводимости, которая не может быть достигнута с помощью методов формования.

Выбор материала и совместимость

Успех любой техники встраивания в значительной степени зависит от совместимости между формовочным соединением и проводящим материалом. Несоответствие теплового расширения является основной проблемой: если металл или чернила расширяются с другой скоростью, чем полимер, повторный тепловой цикл может вызвать трещины или расслоение. Для высокотемпературных применений рекомендуются пленки на основе полиимидов и высокотемпературные серебряные чернила, в то время как низкотемпературные соединения для отверждения позволяют использовать более дешевые проводящие материалы.

Сцепление можно улучшить, применив грунтовку, плазменную обработку или химическое травление к проводящей поверхности перед формованием. Механическое сцепление может быть усилено созданием таких признаков, как отверстия или шероховатые поверхности на проводящем элементе. Дополнительно, формовочное соединение должно иметь достаточно низкую вязкость при температуре обработки, чтобы течь в небольшие промежутки и вокруг деликатных признаков, не вызывая повреждения, вызванного сдвигом.

Предотвращение коррозии имеет важное значение, особенно при использовании меди или серебра во влажных средах. Инкапсуляция следов полностью внутри полимера обеспечивает хорошую защиту, но если какая-либо часть подвергается воздействию, могут потребоваться конформные покрытия или горшок. Данные о материалах от поставщика формовочного соединения и поставщика проводящего материала должны быть проверены на химическую совместимость и характеристики газирования.

Проектирование для надежной электрической производительности

При проектировании сжатой детали со встроенными проводящими следами необходимо сбалансировать несколько электрических и механических факторов. Толщина и ширина следа определяют пропускную способность тока; для применения энергии площадь поперечного сечения должна быть достаточной, чтобы избежать резистивного нагрева. Для высокочастотных сигналов важны диэлектрическая постоянная и тангенс потерь формовочного соединения, равно как и близость следов к другим признакам.

Маршрутизация следов должна избегать острых углов, которые могут концентрировать напряжение и вызывать растрескивание под давлением формования. Щедрые филе и изогнутые пути повышают надежность. В компоновке также должно учитываться направление потока материала, чтобы минимизировать движение следа. Инструменты моделирования, которые моделируют поток смолы и смещения вставки, могут помочь предсказать и оптимизировать позиционирование.

Для подключения встраиваемых следов к внешнему миру требуются надежные точки окончания. Краевые разъемы, штифтовые заголовки или открытые подушки могут быть сконструированы в форму так, чтобы после формования требовалась только простая операция по дефлайсингу. Для компонентов поверхностного монтажа подушки могут быть посажены на встраиваемую схему с использованием постмольдинговых методов.

Тестирование и обеспечение качества

Проверка электрических характеристик встроенных следов имеет решающее значение. Тестирование непрерывности с использованием четырехпроводных измерений может обнаруживать микротрещины, которые могут быть не видны. Следует измерять сопротивление изоляции между следами и рамкой формы, особенно если формовочное соединение не является по своей сути изоляционным или если присутствует углеродный наполнитель. Тепловые циклические испытания (например, от -40 ° C до +125 ° C) и воздействие влажности (85 ° C / 85 % RH) помогают проверить долгосрочную надежность.

Методы неразрушающего контроля, такие как рентгеновская компьютерная томография (КТ), могут выявить пустоты, несоответствие или трещины в части. Для приложений с высокой степенью уверенности сечение партии образца может обеспечить прямое доказательство целостности связи и непрерывности следов. Планы контроля качества должны включать в себя проверку сопротивления следов до и после формования для захвата дрейфа процесса.

Будущие тенденции и приложения

Интеграция проводящих следов в компрессионно-формованные детали продвигается быстрыми темпами. Достижения в гибких проводящих материалах, включая растягиваемые серебряные чернила нанопроволоки и пленки на основе графена, позволят еще более надежно встраиваться. Автоматизация процессов с использованием точных роботов и систем зрения позволит уменьшить ошибки размещения и увеличить пропускную способность для производства большого объема.

Приложения расширяются в корпуса конструкционных батарей со встроенным распределением мощности, медицинские имплантаты со встроенной телеметрией и автомобильные панели кузова, которые удваиваются в качестве антенн.Слияние аддитивного производства с компрессионным формованием может позволить полностью аддитивное изготовление схемных рисунков внутри формы, исключая вторичные этапы.

По мере того, как материаловедение и техническое проектирование сходятся, грань между структурным компонентом и печатной платой будет продолжать размываться. Компании, которые инвестируют в эти гибридные производственные возможности сегодня, будут иметь хорошие возможности для доставки интеллектуальных, легких и надежных продуктов завтрашнего дня.

Краткое изложение лучших практик

Чтобы успешно включить проводящие следы в состав деталей, формованных сжатием, следуйте этим рекомендациям:

Овладев этими методами, производители могут создавать компрессионно-формованные компоненты, которые являются механически надежными и электрически функциональными, открывая новые возможности для интегрированных интеллектуальных систем. Для дальнейшего чтения по основам компрессионного формования, проконсультируйтесь с такими ресурсами, как Продукты Отделка статья по основам компрессионного формования . Подробная информация о проводящих чернилах доступна из NovaCentrix . Для лазерной прямой структурирования руководство LPKF обеспечивает глубокий обзор. Дополнительные сведения о совместимости материалов можно найти в Инженерный раздел ScienceDirect .