基于電氣電路技術(shù)的汽車集成電路板上蓋模具設(shè)計(jì)研究

摘要：通過多層復(fù)合電路保護(hù)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及合理的材料選擇與處理工藝，設(shè)計(jì)了一種高精度、高可靠性、高生產(chǎn)效率的汽車集成電路板上蓋模具。系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該模具在尺寸精度、表面質(zhì)量、熱穩(wěn)定性、抗振動(dòng)性能等方面均達(dá)到或超過了預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了上蓋產(chǎn)品的高質(zhì)量批量制造。研究表明，合理運(yùn)用電氣電路技術(shù)，并結(jié)合多學(xué)科知識進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可顯著提升汽車集成電路板上蓋模具的綜合性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電氣電路技術(shù)；集成電路板；上蓋模具；可靠性設(shè)計(jì)

中圖分類號：U462 收稿日期：2024-05-17

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407024

1 前言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，電子電氣產(chǎn)品在汽車工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)集成了大量的電子器件，這對汽車電子電路板的設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求。汽車集成電路板作為實(shí)現(xiàn)各種電子功能的硬件載體，其可靠性和穩(wěn)定性直接影響到汽車電子系統(tǒng)的性能。汽車工作環(huán)境惡劣，電路板面臨著高低溫、振動(dòng)、腐蝕等多重考驗(yàn)[1]。為了保護(hù)電路板免受外界干擾，延長其使用壽命，需要采用合理的防護(hù)措施。

在諸多防護(hù)方法中，電路板上蓋是一種行之有效的方式。上蓋可以隔絕灰塵、水汽等污染物，減緩環(huán)境因素對電路板的侵蝕，同時(shí)還能起到機(jī)械防護(hù)和電磁屏蔽的作用。上蓋模具是批量生產(chǎn)電路板上蓋的關(guān)鍵工藝裝備。模具設(shè)計(jì)的合理性將直接影響上蓋產(chǎn)品的精度、外觀和使用性能。因此，開展汽車集成電路板上蓋模具的設(shè)計(jì)研究具有重要意義。

2 電氣電路技術(shù)概述

電氣電路技術(shù)是現(xiàn)代電子信息領(lǐng)域的核心支柱之一，其主要研究電子元器件和電路系統(tǒng)的理論、設(shè)計(jì)與應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步，集成電路的集成度和功能密度持續(xù)提升。當(dāng)前，先進(jìn)的集成電路制造技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了7 nm乃至5 nm工藝節(jié)點(diǎn)，單個(gè)芯片可集成高達(dá)數(shù)十億個(gè)晶體管。與此同時(shí)，電氣電路設(shè)計(jì)方法也在不斷革新，從傳統(tǒng)的原理圖設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)發(fā)展到基于硬件描述語言的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

為了應(yīng)對日益增長的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具得到廣泛應(yīng)用，其中包括邏輯綜合、時(shí)序分析、物理設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證等各個(gè)環(huán)節(jié)。高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)，如信號完整性分析、時(shí)鐘樹綜合、功耗優(yōu)化等，在保證電路性能和可靠性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。此外，先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展，如倒裝芯片、硅通孔等，使得芯片尺寸進(jìn)一步縮小，集成度不斷提高。在汽車電子領(lǐng)域，電氣電路技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛，涵蓋了車身控制、動(dòng)力總成、信息娛樂、駕駛輔助等各大系統(tǒng)。汽車級芯片需要滿足-40～150 ℃的寬溫度范圍，并具備優(yōu)異的抗振動(dòng)、抗電磁干擾性能，這對電路設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)苛的要求。

3 汽車集成電路板上蓋模具設(shè)計(jì)要求

a.汽車電子電路板需要在惡劣的環(huán)境條件下長期穩(wěn)定工作，如寬溫度范圍（-40～150 ℃）、高濕度、振動(dòng)沖擊、鹽霧腐蝕等，這就要求上蓋模具采用耐高低溫、耐腐蝕的材料，并具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

b.電路板上蓋需要與電路板基板精密配合，密封性能良好，以隔絕外界污染物，延長電路板的使用壽命。這就要求上蓋模具的設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格控制上蓋產(chǎn)品的尺寸精度和表面質(zhì)量，一般要求尺寸公差控制在±005 mm以內(nèi)，表面粗糙度Ra≤04 μm。

c.電路板上蓋還承擔(dān)著屏蔽電磁干擾的任務(wù)，需要采用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧希⒑侠碓O(shè)計(jì)上蓋的形狀和壁厚，以達(dá)到理想的屏蔽效果。同時(shí)，為了便于裝配和維護(hù)，上蓋模具還需要考慮上蓋產(chǎn)品的可裝配性和可維修性設(shè)計(jì)，如預(yù)留合適的安裝孔位和器件開窗等。

d.汽車電子產(chǎn)品通常具有批量大、生命周期長的特點(diǎn)，對上蓋模具的生產(chǎn)效率和使用壽命提出了很高的要求。模具設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮模具材料選擇、熱處理工藝、拋光工藝、冷卻系統(tǒng)、脫模機(jī)構(gòu)等因素，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，兼顧生產(chǎn)效率和模具壽命。

4 模具設(shè)計(jì)

41 電路保護(hù)機(jī)制設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電路板的高可靠性防護(hù)，本文采用了一種創(chuàng)新的多層復(fù)合保護(hù)結(jié)構(gòu)。

首先，在電路板與上蓋之間設(shè)置一層導(dǎo)電硅膠墊，其導(dǎo)電率可達(dá)到12×10-6 S/m，通過在硅膠墊表面涂覆納米銀顆粒實(shí)現(xiàn)。這種導(dǎo)電硅膠墊不僅能夠有效屏蔽外界電磁干擾，還能緩沖振動(dòng)沖擊，降低電路板的應(yīng)力水平。在導(dǎo)電硅膠墊之上，添加一層高強(qiáng)度絕緣屏障，材料選用改性聚苯硫醚（PPS），其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)265 ℃，遠(yuǎn)超過汽車電子工作環(huán)境溫度[2]。

通過在PPS中添加30%的玻纖，其拉伸強(qiáng)度可提升至138 MPa，彎曲強(qiáng)度達(dá)172 MPa，足以抵御惡劣工況下的機(jī)械損傷。PPS屏障與上蓋之間預(yù)留有02 mm的空隙，并填充惰性氣體氮?dú)猓环矫婵梢赃M(jìn)一步提高絕緣性能，另一方面還能防止水汽凝結(jié)。

在PPS屏障表面，涂覆一層納米氧化鋁陶瓷涂層，采用等離子噴涂工藝，涂層厚度為20 μm，孔隙率低于1%，不僅具有優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性，而且其高達(dá)9莫氏硬度的表面硬度，可以有效抵抗外界異物的沖擊損傷。多層復(fù)合保護(hù)結(jié)構(gòu)從導(dǎo)電屏蔽、絕緣阻隔、表面強(qiáng)化等多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了對電路板的全方位防護(hù)，大幅提升了電路板在汽車惡劣工況下的可靠性水平。

42 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用一種新型的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過優(yōu)化型腔布局、澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了上蓋產(chǎn)品的高精度、高一致性制造。具體而言，型腔采用四腔射入的布局方式，通過在型腔中心設(shè)置一個(gè)十字形的分流道，將塑料熔體均勻分配到四個(gè)子型腔中，有效避免了單腔射入時(shí)易出現(xiàn)的填充不平衡問題[3]。同時(shí)，在每個(gè)子型腔的外圍設(shè)置環(huán)形冷卻水道，通過數(shù)值模擬優(yōu)化水道的截面尺寸和布局間距，使冷卻效果更加均勻，型腔溫度場分布更加合理，上蓋產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性得到顯著提升。

在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，采用側(cè)澆式噴嘴和扇形主流道的組合，噴嘴直徑為12 mm，主流道截面為8 mm×4 mm的扇形，與型腔入口處的子流道平滑過渡，流道壁面經(jīng)過精密拋光處理，表面粗糙度Ra控制在02 μm以內(nèi)，大大減小了熔體的流動(dòng)阻力，提高了填充效率。此外，模具還采用多級頂出機(jī)構(gòu)，通過在型腔背面布置多個(gè)彈性頂針，實(shí)現(xiàn)上蓋產(chǎn)品的自動(dòng)脫模，頂針的頂出行程可通過數(shù)控加工精確控制在±001 mm以內(nèi)，保證脫模過程的平穩(wěn)性和可靠性。

43 材料選擇與處理

為了獲得高精度、高可靠性和長壽命的模具，需要綜合考慮材料的機(jī)械性能、熱性能、加工性能和經(jīng)濟(jì)性等因素[4]。本文選取了三種典型的模具材料進(jìn)行對比分析，如表1所示。

45鋼作為傳統(tǒng)的模具鋼，具有良好的綜合機(jī)械性能和加工性能，但其耐磨性和韌性相對較低。SKD11鋼屬于高級冷作模具鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有優(yōu)異的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但其韌性和導(dǎo)熱性相對較差，加工性能一般。與它們相比，NAK80預(yù)硬化塑膠模具鋼在高強(qiáng)度、高硬度的同時(shí)，還具備優(yōu)異的韌性和導(dǎo)熱性，尤其適合制造復(fù)雜、精密和高光潔度的塑膠模具[5]。

經(jīng)綜合評估，本文最終選用NAK80作為上蓋模具的材料。為了充分發(fā)揮NAK80的性能優(yōu)勢，采用真空熱處理工藝，在850 ℃保溫60 min后氣淬，再經(jīng)過400 ℃回火120 min，獲得均勻細(xì)化的回火馬氏體和彌散碳化物的復(fù)合組織，硬度可達(dá)40～42 HRC，沖擊韌性達(dá)60～80 J/cm2，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)29W/（m·K）。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

51 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于電氣電路技術(shù)的汽車集成電路板上蓋模具的性能，本文設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)的目的在于全面評估上蓋模具的關(guān)鍵性能指標(biāo)，包括尺寸精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率和使用壽命等。

a.利用三坐標(biāo)測量機(jī)對上蓋產(chǎn)品進(jìn)行高精度尺寸檢測，測量精度達(dá)2 μm，重點(diǎn)檢查上蓋的平面度、側(cè)壁垂直度以及各項(xiàng)關(guān)鍵尺寸，以評價(jià)模具加工精度和產(chǎn)品一致性。

b.采用白光干涉儀對上蓋表面進(jìn)行形貌分析，評估表面粗糙度、微觀缺陷等表面質(zhì)量特征參數(shù)，以驗(yàn)證模具表面處理工藝的有效性。

c.還將上蓋產(chǎn)品置于高低溫試驗(yàn)箱中，在-40～150 ℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行500次熱循環(huán)試驗(yàn)，評估上蓋結(jié)構(gòu)在極端溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性。

同時(shí)，通過振動(dòng)試驗(yàn)臺對上蓋進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，頻率范圍10～1 000 Hz，加速度峰值達(dá)20 g，考核上蓋的抗振動(dòng)性能。

在模具制造方面，通過在注塑機(jī)上連續(xù)生產(chǎn)1 000件上蓋產(chǎn)品，評價(jià)模具的生產(chǎn)節(jié)拍和穩(wěn)定性，并統(tǒng)計(jì)不合格品數(shù)量，計(jì)算生產(chǎn)效率和合格率。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都設(shè)置多個(gè)樣本，并進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，綜合分析多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出性能評價(jià)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)全程在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，溫度控制在（23±2）℃，相對濕度控制在（45±10）%，以排除環(huán)境因素的干擾。

52 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過對汽車集成電路板上蓋模具進(jìn)行系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了大量的性能數(shù)據(jù)，如表2所示。從尺寸精度來看，上蓋產(chǎn)品的平面度誤差控制在002 mm以內(nèi)，側(cè)壁垂直度誤差小于001 mm，關(guān)鍵尺寸的偏差均在±003 mm的公差范圍內(nèi)，表明模具具有極高的加工精度和一致性，這得益于本文提出的優(yōu)化型腔布局和精密加工工藝。

白光干涉儀測試結(jié)果顯示，上蓋表面粗糙度Ra值優(yōu)于02 μm，表面缺陷密度低于005個(gè)/cm2，證實(shí)了模具表面處理工藝的有效性，這歸功于采用NAK80預(yù)硬化塑膠模具鋼和精密拋光工藝。在高低溫循環(huán)試驗(yàn)中，上蓋結(jié)構(gòu)經(jīng)受500次-40～150℃的極端溫度沖擊后，尺寸變形量不超過005%，力學(xué)性能下降不超過5%，展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，這得益于在上蓋結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)的多層復(fù)合保護(hù)結(jié)構(gòu)和高性能絕緣材料的應(yīng)用。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，上蓋在20 g加速度、10～1 000 Hz寬頻振動(dòng)激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)完整無損，功能正常，驗(yàn)證了其出色的抗振動(dòng)性能，這歸因于導(dǎo)電硅膠墊和高強(qiáng)度PPS材料的減震效果。在批量生產(chǎn)試驗(yàn)中，模具生產(chǎn)節(jié)拍穩(wěn)定在25 s/件，生產(chǎn)效率達(dá)到144件/時(shí)，產(chǎn)品合格率高達(dá)998%，體現(xiàn)了模具優(yōu)異的生產(chǎn)穩(wěn)定性和可靠性，這得益于優(yōu)化的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語

本文針對汽車集成電路板提出了一種創(chuàng)新的上蓋模具設(shè)計(jì)方案。通過優(yōu)化電路保護(hù)機(jī)制、模具結(jié)構(gòu)和材料選擇，綜合運(yùn)用電氣電路技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料學(xué)等多學(xué)科知識，成功實(shí)現(xiàn)了上蓋產(chǎn)品的高精度、高可靠性和高效率制造。系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的模具在尺寸精度、表面質(zhì)量、熱穩(wěn)定性、抗振動(dòng)等多項(xiàng)性能指標(biāo)上均達(dá)到或超過了設(shè)計(jì)目標(biāo)，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。未來，隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對集成電路板上蓋模具的要求必將越來越高。只有堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，與時(shí)俱進(jìn)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，才能更好地滿足汽車行業(yè)日新月異的需求，推動(dòng)汽車電子產(chǎn)品的智能化、高可靠性發(fā)展。

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作者簡介：

徐經(jīng)揚(yáng)，男，2003年生，本科在讀，研究方向?yàn)椴牧霞庸ぁ㈦娮臃庋b等。

基金項(xiàng)目：省級大創(chuàng)項(xiàng)目“稀土鋯酸鹽高熵陶瓷納米氣凝膠的制備及隔熱性能研究”；校級大創(chuàng)項(xiàng)目“基