聚合物-石墨烯电子部件外壳

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年12月16日提交的美国临时申请号63/290,139的权益，该申请通过引用其整体并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及聚合物部件外壳，更具体地，涉及用于电子设备的聚合物部件外壳。

背景技术

本文提供的背景描述是为了一般地呈现本公开的背景。在可能在本背景部分中描述的范围内的当前命名的发明人的工作，以及在申请时可能不符合现有技术条件的描述方面，既不明确也不默示地被承认为针对本技术的现有技术。

诸如电动机、电力传动系统、雷达传感器、车速传感器、电锁、收音机、控制台等的电子设备的电子电路发射电磁(EM)辐射。此外，这种EM辐射会干扰其他电子设备，例如靠近发射EM辐射的电子设备的电子控制单元(ECU)。EM辐射干扰称为电磁干扰(EMI)，并且EMI屏蔽件用于通过反射和/或吸收来衰减EM辐射。由于静电积聚，电子设备还可能需要消散静电荷或防止静电放电(ESD)。

针对EMI和ESD的传统保护策略包括导电金属外壳、具有无电金属涂层或电镀金属涂层的聚合物外壳、具有导电喷涂涂层的聚合物外壳和具有金属化涂层(例如，真空沉积或溅射涂层)的聚合物外壳。但是，导电金属外壳可能具有重量、尺寸和设计灵活性限制，具有无电金属、电镀金属或金属化涂层的聚合物外壳可能具有环境健康与安全(EHS)和废物处理限制，并且具有导电喷涂涂层的聚合物外壳可能具有涂层附着力限制。

本公开解决了与EMI和ESD外壳相关的问题，以及与EMI屏蔽和ESD保护相关的其他问题。

发明内容

本部分提供了本公开的一般概述，而不是对其全部范围或所有特征的全面公开。

在本公开的一种形式中，提供了一种具有聚合物芯和包覆成型的外层的电子部件外壳。聚合物芯由第一聚合物材料形成并且包覆成型的外层由具有石墨烯的第二聚合物材料形成。此外，包覆成型的外层限定设置在聚合物芯上的外壳表皮。

在本公开的另一种形式中，限定EMI屏蔽件和ESD保护盖的电子部件外壳包括由具有增强材料的第一聚合物材料形成的聚合物芯和由第二聚合物材料和约2wt.％至约30wt.％之间的石墨烯形成的包覆成型的外层。增强材料为电子部件外壳提供结构增强并且是碳纤维、玻璃、滑石、矿物填料及其组合中的至少一个，并且包覆成型的外层限定设置在聚合物芯上的外壳表皮。

在本公开的又一形式中，一种制造限定EMI屏蔽件和ESD保护盖的电子部件外壳的方法包括使用二次注射成型机器注射成型具有增强材料的第一聚合物材料并形成聚合物芯，以及使用二次注射成型机器注射成型具有约2wt.％至约30wt.％之间的石墨烯的第二聚合物材料并在聚合物芯上形成限定外壳表皮的包覆成型的外层。增强材料是碳纤维、玻璃、滑石、矿物填料及其组合中的至少一个，并且为电子部件外壳提供结构增强。此外，聚合物芯的厚度在约1mm至约10mm之间，外壳表皮的厚度在约0.5mm至约5mm之间，具有外壳表皮的聚合物芯的屏蔽效率对于约1GHz至约40GHz之间的EM辐射频率在约35dB至约90dB之间，和/或具有外壳表皮的聚合物芯具有大于约10

进一步的应用领域和增强上述技术的各种方法将从本文提供的描述中变得显而易见。本发明内容中的描述和具体示例仅用于说明目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本教导将从详细描述和附图中变得更加充分地理解，其中：

图1是具有电子控制单元(ECU)的车辆的立体图；

图2是根据本公开的教导的具有EMI屏蔽件和/或ESD保护盖的图1中的ECU的分解图；

图3是图2中的截面3-3的横截面视图；

图3A是图3中的区段3A的放大图；

图4A是根据本公开的教导的在第一模具组中形成的ECU外壳的聚合物芯的横截面视图；

图4B是根据本公开的教导的定位在第二模具组中的图4A中的聚合物芯的横截面视图；

图4C是根据本公开的教导的在第二模具组中的聚合物芯上形成的包覆成型的外层的横截面视图；

图5是根据本公开的教导的用二次注射成型工艺形成的用于EMI屏蔽和/或ESD保护的ECU外壳的横截面视图；和

图6是根据本公开的教导的制造用于EMI屏蔽和/或ESD保护的ECU外壳的方法的流程图。

具体实施方式

本公开提供了一种电子部件外壳(在本文中也被简称为“外壳”)，其具有聚合物芯(在本文中也被称为或认为“聚合物层”和/或“聚合物基底”)和包覆成型的外层，该外层限定设置在聚合物芯上的外壳表皮。聚合物芯可以由添加了增强材料的第一聚合物材料形成，包覆成型的外层可以由添加了石墨烯和/或炭黑的第二聚合物材料形成，并且外壳提供电子设备的EMI屏蔽和/或ESD保护。例如，外壳为至少部分地包含在外壳内并且位于发射EM辐射的其他电子设备附近的ECU提供EMI屏蔽和/或ESD保护。以这种方式，提供了用于车辆的一个或多个ECU的轻型EMI屏蔽件和/或ESD保护盖。

在本公开的一些变型中，将富含石墨烯和/或炭黑的导电聚合物层二次注射成型或包覆成型到聚合物芯上用于形成外壳，并且外壳克服了传统屏蔽解决方案的问题。例如，与金属或金属纤维增强的聚合物外壳相比，外壳重量轻，并且经由大批量二次成型工艺制造，从而可以消除诸如接合、焊接等的二次操作。通过对聚合物芯和外壳表皮使用相同的基础树脂系统，也可以消除粘附和耐久性问题。注射成型适用于复杂的几何形状，并且可以自由设计具有不同石墨烯和/或炭黑密度和/或壁厚的零件，以优化性能。

除了EMI屏蔽和/或ESD保护之外，还可以获得石墨烯和/或炭黑的其他功能的额外益处，例如耐热性、抗紫外线性、抗摩擦性和耐磨性以及阻燃性。在一些变型中，石墨烯和/或炭黑仅包含在外壳表皮中，从而降低了在外壳中使用导电填料的成本。

参考图1和2，图1中显示了具有ECU 10的车辆“V”的立体图，图2中显示了ECU10的分解图。虽然在图1和图2中仅示出了一个ECU 10，但是多于一个的ECU可以并且通常存在于车辆中。控制或协助控制车辆的各种部件的ECU的非限制性示例包括用于发动机控制、巡航控制、顶置控制台控制、电子可调方向盘控制等的ECU。还应该理解，一个或多个车辆部件的控制可以分配给单个ECU并由单个ECU执行。例如，发动机控制单元ECU(也称为发动机控制模块(ECM))可以包括来自凸轮轴位置传感器、质量空气流量传感器、加热氧传感器、歧管绝对压力(MAP)传感器、排气再循环(EGR)传感器、冷却剂温度传感器、节气门位置传感器、曲轴位置传感器、车速传感器和爆震传感器(knock sensor)等的输入。

特别参考图2，ECU 10包括下面更详细描述的外壳100、电子电路板150(例如，印刷电路板(PCB))和基座170。电子电路板150包括若干电子部件，例如核心152(即，微控制器)和存储器154等，其被构造为接收传感器信号输入并提供设备信号输出，使得一个或多个车辆设备的期望功能得以实现。基座170为待安装的电子电路板150提供平台或支撑结构。此外，基座170可以安装到另一结构，例如，使用延伸穿过基座170的孔172的螺纹紧固件(未示出)，使得ECU 10牢固地安装到车辆V。虽然外壳100在图1和图2中被示为车辆部件外壳，但是外壳100可以是用于不包括在车辆中的ECU 10的电子部件外壳。

参照图3和图3A，图3中示出了外壳100的横截面视图，并且图3A中示出了图3中的区段3A的放大图。在一些变型中，外壳100由一个或多个平面区段110和凸缘120形成或包括一个或多个平面区段110和凸缘120。此外，外壳包括聚合物芯112和包覆成型的外层114。如本文所用，术语“包覆成型”是指在先前形成的层、基底或芯体(其可以或可以不是注射成型的)上或“上方”形成注射成型的层，并且术语“外”是指表面或层背离至少部分地包含或定位在外壳100和基座170内或之间的ECU的电子电路板。聚合物芯112由第一聚合物材料形成并且包覆成型的外层114由第二聚合物材料形成。第一聚合物材料和第二聚合物材料可以是或可以不是相同的聚合物材料。在一些变型中，第一和/或第二聚合物材料是热塑性塑料、热固性环氧树脂和酚醛聚合物中的至少一种。例如，在一些变型中，第一聚合物材料和/或第二聚合物材料是聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)及其组合等中的至少一种。在本公开的至少一个变型中，第一聚合物材料和第二聚合物材料是聚丙烯。

在一些变型中，聚合物芯112由添加了增强材料的第一聚合物材料形成，该增强材料为外壳100提供结构增强。增强材料的非限制性示例包括玻璃(例如，玻璃纤维和/或玻璃珠)、滑石、一种或多种矿物填料(例如，碳酸钙、二氧化硅、硅灰石、粘土、硫酸钙纤维、云母和三水合氧化铝)，以及它们的组合。

在至少一个变型中，包覆成型的外层114由添加了石墨烯和/或炭黑的第二聚合物材料形成。在一些变型中，包覆成型的外层114由具有大约2wt.％和30wt.％之间的石墨烯的第二聚合物材料形成。在这样的变型中，包覆成型的外层114限定为电子电路板150提供EMI屏蔽和/或ESD保护的外壳表皮。也就是说，聚合物芯112和包覆成型的外层114限定EMI屏蔽件和/或ESD保护盖。

聚合物芯112具有第一厚度‘t1’并且包覆成型的外层114具有第二厚度‘t2’。在一些变型中，聚合物芯112具有约1毫米(mm)和约10mm之间的第一厚度t1，并且在至少一个变型中，第一厚度t1在约2mm和约5mm之间。此外，在一些变型中，包覆成型的外层114具有约0.5mm和约5mm之间的第二厚度t2，并且在至少一个变型中，第二厚度t2在约1mm和约2.5mm之间。

如上所述，在一些变型中，聚合物芯112和包覆成型的外层114，即外壳100，限定反射和/或吸收EM辐射的EMI屏蔽件。在这样的变型中，外壳100对于大约1kHz和大约100GHz之间的EM辐射频率具有至少30分贝(dB)的屏蔽效率。例如，在至少一个变型中，外壳100对于约1kHz和约100GHz之间的EM辐射频率具有至少35dB的屏蔽效率，并且在一些变型中，外壳100对于约1kHz和约100GHz之间的EM辐射频率具有约40dB和约60dB之间的屏蔽效率。应当理解，屏蔽效率是指由外壳100提供的衰减水平，并且衰减(以dB为单位)是指通过同轴传输线测试和/或屏蔽盒测试测量的在有和没有外壳100存在的情况下的EM场强度之间的比率。

还如上所述，在一些变型中，聚合物芯112和包覆成型的外层114，即外壳100，限定消散静电的ESD保护盖。在这样的变型中，外壳100具有大于约10

在一些变型中，外壳100限定EMI屏蔽件，其中包覆成型的层114由具有约12.5wt.％至约30wt.％之间的石墨烯(例如，约15wt.％至约30wt.％之间的石墨烯)的第二聚合物材料形成。在至少一个变型中，外壳100限定了ESD保护盖，该ESD保护盖被构造用于静电消散，其中包覆成型的层114由具有约5wt.％至约17.5wt.％之间的石墨烯(例如，约5wt.％至约15wt.％之间的石墨烯)的第二聚合物材料形成。并且在一些变型中，外壳100限定ESD保护盖，该ESD保护盖被构造用于抗静电传导，其中包覆成型的层114由具有约2wt.％至约12.5wt.％之间的石墨烯(例如，约2wt.％至约10wt.％之间的石墨烯)的第二聚合物材料形成。

现在参考图4A-4C，显示了根据本公开的一种形式的使用包覆成型工艺形成外壳100。具体地，并且参考图4A，聚合物芯112通过将具有增强材料112p的第一聚合物材料(即，第一聚合物材料和增强材料的机械混合物)注射到限定在第一模具组20的第一模具200和第二模具210之间的模具腔205中而形成。聚合物芯112从模具腔205中取出并放置在另一个模具腔215中，另一个模具腔215限定在如图4B所示的第二模具组22的另一个第一模具220和另一个第二模具230之间，并且具有石墨烯和/或炭黑114p的第二聚合物材料(即，第二聚合物材料与石墨烯和/或炭黑的机械混合物)被注射成型到模具腔215中以形成如图4C所示的包覆成型的外层114。在一些变型中，第一模具220是与第一模具200相同的模具，而在其他变型中，第一模具220是与第一模具200不同的模具。

参考图5，示出了根据本公开的另一种形式的使用二次注射成型工艺或机器30来形成外壳100。二次注射成型机器30包括可旋转的第一模具300、具有第一模具腔310和第二模具腔320的第二模具302、第一注射单元312和第二注射单元314。第一注射单元312将具有增强材料112p的第一聚合物材料注射到第一模具腔310中并形成聚合物芯112。然后具有聚合物芯112的可旋转的第一模具300围绕模具轴线‘D’旋转，使得聚合物芯112定位在第二模具腔320内。第二注射单元314将具有石墨烯114p的第二聚合物材料注射到第二模具腔中并且在聚合物芯112上形成包覆成型的外层114，并且第一注射单元312将具有增强材料112p的第一聚合物材料注射到第一模具腔310中并形成另一个聚合物芯112。在二次注射成型的外层114形成后，即外壳100形成后，可旋转的第一模具300和第二模具302彼此分离(x方向)，推动(移除)外壳100离开可旋转的第一模具300，并且可旋转的第一模具300围绕模具轴线D旋转，使得另一个聚合物芯112定位在第二模具腔320内。该循环，即，在第一模具腔310中形成聚合物芯112，在第二模具腔中在聚合物芯112上形成包覆成型的外层114，从可旋转的第一模具300移除外壳100，以及旋转可旋转的第一模具300，继续，从而形成多个外壳100。

参考图6，示出了形成外壳100的方法40的流程图。方法40包括在410处注射成型具有增强材料112p的第一聚合物材料并形成聚合物芯112，以及在420处注射成型具有石墨烯114p的第二聚合物材料并在聚合物芯112上形成包覆成型的外层114。具有增强材料112p的第一聚合物材料可以是热塑性粒料和具有增强材料粒料的热塑性塑料的混合物，其被进料到第一注射单元的第一料斗和桶中，使得具有增强材料112p的第一聚合物材料在被注射成型以形成聚合物芯112之前具有所需的增强材料含量。此外，具有石墨烯114p的第二聚合物材料可以是热塑性粒料和具有石墨烯粒料的热塑性塑料的混合物，其被进料到第二注射单元的第二料斗和桶中，使得具有石墨烯114p的第二聚合物材料在被注射成型以形成包覆成型的外层114之前具有所需的石墨烯含量。

虽然图3-5仅显示了通过注射成型聚合物芯并将包覆成型的外层注射成型到聚合物芯上来形成外壳100，但在一些变型中，基座170以类似的方式形成。也就是说，在一些变型中，基座170限定EMI屏蔽件，具有由具有增强材料的第一聚合物材料形成的聚合物芯和由具有石墨烯的第二聚合物材料形成的包覆成型的外层。

鉴于本公开的教导，具有聚合物芯112和包覆成型的外层114(即，外壳表皮)的外壳100提供EMI屏蔽件，而没有传统EMI屏蔽件的一个或多个限制。例如，与金属外壳相比，具有增强材料112p的第一聚合物材料和具有石墨烯114p的第二聚合物材料的注射成型提供了具有减轻的重量和增加的设计灵活性的EMI屏蔽件和/或ESD保护盖，并且与具有无电金属、电镀金属和/或金属化涂层的聚合物外壳相比，提供了具有减少的EHS和废物处置限制的EMI屏蔽件和/或ESD保护盖。此外，外壳100不像具有导电喷涂涂层的聚合物外壳那样具有涂层粘附限制，因为石墨烯设置在形成包覆成型的外层114并且不作为聚合物芯112上的涂层存在的第二聚合物材料内。

前面的描述在本质上仅仅是说明性的并且决不旨在限制本公开、其应用或使用。如本文所用，短语A、B和C中的至少一个应被解释为表示逻辑(A或B或C)，使用非排他的逻辑“或”。在不改变本公开的原理的情况下，可以以不同的顺序执行方法内的各个步骤。范围公开包括公开所有范围和整个范围内的细分范围。

本文使用的标题(例如“背景技术”和“发明内容”)和子标题仅旨在用于本公开内的主题的一般组织并且不旨在限制技术或其任何方面的公开。具有所述特征的多个实施例的叙述并不旨在排除具有附加特征的其他实施例，或结合所述特征的不同组合的其他实施例。

如本文所用，术语“约”在本文中涉及数值时是指已知的商业和/或实验测量变化或参考量的容差。在一些变型中，此类已知的商业和/或实验测量容差为测量值的+/-10％，而在其他变型中，此类已知的商业和/或实验测量容差为测量值的+/-5％，而在还有的其他变型中，此类已知的商业和/或实验测量容差是测量值的+/-2.5％。并且在至少一个变型中，此类已知的商业和/或实验测量容差是测量值的+/-1％。

如本文所用，术语“包括”、“包含”和它们的变体旨在是非限制性的，使得连续引用项目或列表不排除也可能在该技术的设备和方法中是有用的其他类似项目。类似地，术语“可以”和“能够”及其变体旨在是非限制性的，使得实施例可以或能够包括某些元件或特征的叙述不排除不包含那些元件或特征的本技术的其他实施例。

本公开的广泛教导可以多种形式实施。因此，尽管本公开包括示例，但本公开的真实范围不应如此限制，因为其他修改对于本领域技术人员在研究说明书和所附权利要求后将变得显而易见。本文提及一个方面或各个方面意味着结合实施例或系统描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例或方面中。短语“在一个方面”(或其变体)的出现不一定指相同的方面或实施例。还应该理解，这里讨论的各种方法步骤不必以与所描绘的相同的顺序执行，并且在每个方面或实施例中也不需要每个方法步骤。

为了说明和描述的目的，已经提供了实施例的前述描述。其并非旨在详尽无遗或限制本公开。实施例的各个元件或特征通常不限于该特定实施例，而是在适用的情况下是可互换的并且可以在选定的实施例中使用，即使没有具体示出或描述。相同的也可以以多种方式变化。此类变化不应被视为背离本公开，并且所有此类修改旨在包含在本公开的范围内。