摘要：通過多層復合電路保護結(jié)構(gòu)、優(yōu)化的模具結(jié)構(gòu)設計以及合理的材料選擇與處理工藝，設計了一種高精度、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)化的實驗驗證結(jié)果表明，該模具在尺寸精度、表面質(zhì)量、熱穩(wěn)定性、抗振動性能等方面均達到或超過了預期目標，實現(xiàn)了上蓋產(chǎn)品的高質(zhì)量批量制造。研究表明，合理運用電氣電路技術，并結(jié)合多學科知識進行優(yōu)化設計，可顯著提升汽車集成電路板上蓋模具的綜合性能，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：電氣電路技術；集成電路板；上蓋模具；可靠性設計

中圖分類號：U462 收稿日期：2024-05-17

DOI：1019999/jcnki1004-0226202407024

1 前言

隨著電子信息技術的發(fā)展，電子電氣產(chǎn)品在汽車工業(yè)中的應用日益廣泛?，F(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計和制造提出了更高的要求。汽車集成電路板作為實現(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、腐蝕等多重考驗[1]。為了保護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措施。

在諸多防護方法中，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，同時還能起到機械防護和電磁屏蔽的作用。上蓋模具是批量生產(chǎn)電路板上蓋的關鍵工藝裝備。模具設計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計研究具有重要意義。

2 電氣電路技術概述

電氣電路技術是現(xiàn)代電子信息領域的核心支柱之一，其主要研究電子元器件和電路系統(tǒng)的理論、設計與應用。隨著半導體工藝的不斷進步，集成電路的集成度和功能密度持續(xù)提升。當前，先進的集成電路制造技術已經(jīng)達到了7 nm乃至5 nm工藝節(jié)點，單個芯片可集成高達數(shù)十億個晶體管。與此同時，電氣電路設計方法也在不斷革新，從傳統(tǒng)的原理圖設計、版圖設計發(fā)展到基于硬件描述語言的設計與驗證。

為了應對日益增長的設計復雜度，電子設計自動化工具得到廣泛應用，其中包括邏輯綜合、時序分析、物理設計、仿真驗證等各個環(huán)節(jié)。高速電路設計技術，如信號完整性分析、時鐘樹綜合、功耗優(yōu)化等，在保證電路性能和可靠性方面發(fā)揮著關鍵作用。此外，先進封裝技術的發(fā)展，如倒裝芯片、硅通孔等，使得芯片尺寸進一步縮小，集成度不斷提高。在汽車電子領域，電氣電路技術的應用更加廣泛，涵蓋了車身控制、動力總成、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、抗電磁干擾性能，這對電路設計提出了嚴苛的要求。

3 汽車集成電路板上蓋模具設計要求

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，并具有良好的機械強度和穩(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計必須嚴格控制上蓋產(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.電路板上蓋還承擔著屏蔽電磁干擾的任務，需要采用導電或?qū)Т挪牧?，并合理設計上蓋的形狀和壁厚，以達到理想的屏蔽效果。同時，為了便于裝配和維護，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計，如預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，對上蓋模具的生產(chǎn)效率和使用壽命提出了很高的要求。模具設計時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)、脫模機構(gòu)等因素，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，兼顧生產(chǎn)效率和模具壽命。

4 模具設計

41 電路保護機制設計

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

首先，在電路板與上蓋之間設置一層導電硅膠墊，其導電率可達到12×10-6 S/m，通過在硅膠墊表面涂覆納米銀顆粒實現(xiàn)。這種導電硅膠墊不僅能夠有效屏蔽外界電磁干擾，還能緩沖振動沖擊，降低電路板的應力水平。在導電硅膠墊之上，添加一層高強度絕緣屏障，材料選用改性聚苯硫醚（PPS），其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高達265 ℃，遠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，其拉伸強度可提升至138 MPa，彎曲強度達172 MPa，足以抵御惡劣工況下的機械損傷。PPS屏障與上蓋之間預留有02 mm的空隙，并填充惰性氣體氮氣，一方面可以進一步提高絕緣性能，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。多層復合保護結(jié)構(gòu)從導電屏蔽、絕緣阻隔、表面強化等多個方面實現(xiàn)了對電路板的全方位防護，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)設計

本文采用一種新型的模具結(jié)構(gòu)設計方案，通過優(yōu)化型腔布局、澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，實現(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，通過在型腔中心設置一個十字形的分流道，將塑料熔體均勻分配到四個子型腔中，有效避免了單腔射入時易出現(xiàn)的填充不平衡問題[3]。同時，在每個子型腔的外圍設置環(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)設計方面，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阻力，提高了填充效率。此外，模具還采用多級頂出機構(gòu)，通過在型腔背面布置多個彈性頂針，實現(xiàn)上蓋產(chǎn)品的自動脫模，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械性能、熱性能、加工性能和經(jīng)濟性等因素[4]。本文選取了三種典型的模具材料進行對比分析，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)異的強度、硬度和耐磨性，但其韌性和導熱性相對較差，加工性能一般。與它們相比，NAK80預硬化塑膠模具鋼在高強度、高硬度的同時，還具備優(yōu)異的韌性和導熱性，尤其適合制造復雜、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，獲得均勻細化的回火馬氏體和彌散碳化物的復合組織，硬度可達40～42 HRC，沖擊韌性達60～80 J/cm2，導熱系數(shù)達29W/（m·K）。

5 實驗驗證

51 實驗方案設計

為了驗證本文設計的基于電氣電路技術的汽車集成電路板上蓋模具的性能，本文設計了一套系統(tǒng)化的實驗方案。實驗的目的在于全面評估上蓋模具的關鍵性能指標，包括尺寸精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)效率和使用壽命等。

a.利用三坐標測量機對上蓋產(chǎn)品進行高精度尺寸檢測，測量精度達2 μm，重點檢查上蓋的平面度、側(cè)壁垂直度以及各項關鍵尺寸，以評價模具加工精度和產(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)品置于高低溫試驗箱中，在-40～150 ℃溫度范圍內(nèi)進行500次熱循環(huán)試驗，評估上蓋結(jié)構(gòu)在極端溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性。

同時，通過振動試驗臺對上蓋進行隨機振動試驗，頻率范圍10～1 000 Hz，加速度峰值達20 g，考核上蓋的抗振動性能。

在模具制造方面，通過在注塑機上連續(xù)生產(chǎn)1 000件上蓋產(chǎn)品，評價模具的生產(chǎn)節(jié)拍和穩(wěn)定性，并統(tǒng)計不合格品數(shù)量，計算生產(chǎn)效率和合格率。為了保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，每個實驗項目都設置多個樣本，并進行多次重復試驗，綜合分析多組實驗數(shù)據(jù)，給出性能評價結(jié)論。實驗全程在恒溫恒濕實驗室內(nèi)進行，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 實驗結(jié)果分析

通過對汽車集成電路板上蓋模具進行系統(tǒng)化的實驗驗證，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/cm2，證實了模具表面處理工藝的有效性，這歸功于采用NAK80預硬化塑膠模具鋼和精密拋光工藝。在高低溫循環(huán)試驗中，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)中設計的多層復合保護結(jié)構(gòu)和高性能絕緣材料的應用。

隨機振動試驗結(jié)果表明，上蓋在20 g加速度、10～1 000 Hz寬頻振動激勵下，結(jié)構(gòu)完整無損，功能正常，驗證了其出色的抗振動性能，這歸因于導電硅膠墊和高強度PPS材料的減震效果。在批量生產(chǎn)試驗中，模具生產(chǎn)節(jié)拍穩(wěn)定在25 s/件，生產(chǎn)效率達到144件/時，產(chǎn)品合格率高達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)設計。

6 結(jié)語

本文針對汽車集成電路板提出了一種創(chuàng)新的上蓋模具設計方案。通過優(yōu)化電路保護機制、模具結(jié)構(gòu)和材料選擇，綜合運用電氣電路技術、機械設計、材料學等多學科知識，成功實現(xiàn)了上蓋產(chǎn)品的高精度、高可靠性和高效率制造。系統(tǒng)化的實驗驗證結(jié)果表明，本文設計的模具在尺寸精度、表面質(zhì)量、熱穩(wěn)定性、抗振動等多項性能指標上均達到或超過了設計目標，展現(xiàn)出廣闊的應用前景。未來，隨著汽車電子技術的不斷發(fā)展，對集成電路板上蓋模具的要求必將越來越高。只有堅持創(chuàng)新驅(qū)動，與時俱進，不斷優(yōu)化設計方案，才能更好地滿足汽車行業(yè)日新月異的需求，推動汽車電子產(chǎn)品的智能化、高可靠性發(fā)展。

參考文獻：

[1]彭鳳麗電力電氣自動化工程中電子器件的應用分析[J]數(shù)字技術與應用，2024，42（1）：73-75

[2]羅賢暉，蔡惠欽，郭杰汽車電池盒上蓋沖壓工藝優(yōu)化及模具結(jié)構(gòu)設計[J]模具制造，2023，23（11）：1-3+6

[3]楊燦微電路在電子設計自動化技術中的應用[J]中國新通信，2023，25（13）：83-85

[4]朱曉東CAD/CAE技術在汽車方向盤上蓋注射模設計中的應用[J]模具制造，2022，22（2）：59-62

[5]何慶林微孔發(fā)泡注塑成型汽車發(fā)動機蓋模具的設計與優(yōu)化研究[D]廣州：華南理工大學，2020

作者簡介：

徐經(jīng)揚，男，2003年生，本科在讀，研究方向為材料加工、電子封裝等。

基金項目：省級大創(chuàng)項目“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)項目“基