KR102076961B1 - 캡슐화된 전기 장치 및 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시 예에 따르면, 장치는 적어도 하나의 전기 컴포넌트를 구비하는 전기 어셈블리; 상기 전기 어셈블리의 주위에 등각으로 배치되는 제 1 폴리머 재료를 포함하는 내부 쉘 - 상기 내부 쉘은 제 1 기계적 강도를 포함함 -; 및 상기 내부 쉘의 주위에 등각으로 배치되는 제 2 폴리머 재료를 포함하는 외부 쉘 - 상기 외부 쉘은 상기 제 1 기계적 강도 보다 큰 제 2 기계적 강도를 포함함 - 을 포함할 수 있고, 상기 전기 컴포넌트는 제 1 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 내부 쉘은 제 2 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 외부 쉘은 제 3 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE) 및 제 2 열 팽창 계수(CTE) 사이의 차이는 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE) 및 제 3 열 팽창 계수(CTE) 사이의 차이보다 작다.

Description

캡슐화된 전기 장치 및 제조 방법
실시 예들은 회로 보호 장치들의 분야에 관한 것으로, 특히 서지 보호를 위한 금속 산화물 배리스터에 관한 것이다.
센서들 및 다른 전기 컴포넌트들은 자동차, 가정, 산업, 공공 시설, 사무실 및 기타 환경들에 널리 배치된다. 대부분의 경우, 센서들은 온도, 습도, 먼지 및 기타 조건들의 변화들을 포함한 다양한 조건들에서 사용하도록 설계되었다. 자동차들에서는 사용 온도가 크게 변화하는 환경, 예를 들어, -50℃ 내지 150℃의 환경에서 배치될 수 있다. 일부 예들에서, 센서들 및 다른 컴포넌트들은 인쇄 회로 기판 어셈블리(PCBA)로서 인쇄 회로 기판(PCB) 상에 제공될 수 있다. PCB 컴포넌트를 보호하기 위해, 포팅(potting)은 PCB 컴포넌트를 밀봉하기 위해 사용될 수 있고, 경화되고 고형화되어 PCB 또는 PCB 상의 컴포넌트들 주위에 코팅을 형성하는 액체 재료를 투여(dispense)하는 과정을 포함할 수 있다. 불리하게도, 포팅을 사용하여 밀봉할 때, 자동차의 열악한 작동 환경에서 전기 컴포넌트들이 쉽게 손상될 수 있다. 예를 들어, PCB는 넓은 범위에 걸쳐 온도가 변할 수 있는 자동차의 후드 아래에 배치될 수 있다. 온도 변화는 PCB 컴포넌트들과 포팅 재료 사이의 열 팽창 계수들이 서로 다르기 때문에, 응력, 박리 및 기타 영향들을 초래할 수 있다. PCB의 밀봉에 대한 다른 접근법들은 핫멜트 접착제(hotmelt adhesive)를 사용하는 저압의 적용을 포함할 수 있다. 불리하게도 접착 재료는 포팅 재료와 반응하여 밀봉 재료의 악화(degradation)를 초래할 수 있다.
본 발명은 현재 개선들이 바람직할 수 있는 이러한 이슈들 및 다른 이슈들에 관한 것이다.
일 실시 예에서, 장치는 적어도 하나의 전기 컴포넌트를 구비하는 전기 어셈블리를 포함할 수 있다. 장치는, 상기 전기 어셈블리의 주위에 배치되고 상기 전기 어셈블리에 접촉하는 제 1 폴리머 재료를 포함하는 내부 쉘 - 상기 내부 쉘은 제 1 기계적 강도를 포함함 -; 및 상기 내부 쉘의 주위에 등각으로 배치되고 상기 내부 쉘에 접촉하는 제 2 폴리머 재료를 포함하는 외부 쉘 - 상기 외부 쉘은 상기 제 1 기계적 강도 보다 큰 제 2 기계적 강도를 포함함 - 을 더 포함할 수 있고, 상기 전기 컴포넌트는 제 1 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 내부 쉘은 제 2 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 외부 쉘은 제 3 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE) 및 제 2 열 팽창 계수(CTE) 사이의 차이는 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE) 및 제 3 열 팽창 계수(CTE) 사이의 차이보다 작다.
다른 실시 예에서, 전기 장치를 형성하는 방법은, 적어도 하나의 전기 컴포넌트를 갖는 전기 어셈블리를 제공하는 단계; 상기 전기 어셈블리의 주위에 제 1 폴리머 재료를 포함하는 내부 쉘을 형성하는 단계 - 상기 내부 쉘은 상기 전기 어셈블리에 접촉함 -; 및 상기 내부 쉘의 주위에서 상기 내부 쉘에 접촉하는 제 2 폴리머 재료를 포함하는 외부 쉘을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 전기 어셈블리는 제 1 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 내부 쉘은 제 2 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 외부 쉘은 제 3 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE) 및 제 2 열 팽창 계수(CTE) 사이의 차이는 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE) 및 제 3 열 팽창 계수(CTE) 사이의 차이보다 작다.
또 다른 실시예에서, 센서 장치는, 인쇄 회로 기판; 상기 인쇄 회로 기판에 부착되는 적어도 하나의 센서; 상기 인쇄 회로 기판 및 적어도 하나의 전기 장치의 주위에 배치되고, 상기 인쇄 회로 기판 및 적어도 하나의 전기 장치에 접촉하는 제 1 폴리머 재료를 포함하는 내부 쉘; 및 상기 내부 쉘의 주위에 배치되고, 상기 내부 쉘에 접촉하는 제 2 폴리머 재료를 포함하는 외부 쉘을 포함할 수 있고, 상기 인쇄 회로 기판은 제 1 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 내부 쉘은 제 2 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 외부 쉘은 제 3 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE) 및 제 2 열 팽창 계수(CTE) 사이의 차이는 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE) 및 제 3 열 팽창 계수(CTE) 사이의 차이보다 작다.
도 1은 본 개시의 실시 예에 따른 장치를 도시한다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 개시의 실시 예에 따른 장치의 형성의 다른 스테이지들을 도시한다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 각각 도 2a, 도 2b 및 도 2c에 대응하는 장치의 형성의 스테이지들의 투명한 도면을 도시한다.
도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 본 개시의 다른 실시 예들에 따른 장치의 다른 도면들을 도시한다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 예시적인 공정 순서를 도시한다.
도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 장치를 형성하는 데 사용되는 내부 쉘의 특성들의 예시적인 리스트를 나타낸다.
도 7a는 본 개시의 실시 예에 따른 장치를 형성하는 데 사용되는 외부 쉘의 특성들의 리스트를 제공한다.
도 7b는 사출 성형에 의해 외부 쉘을 형성하기 위한 공정 조건들의 리스트를 나타낸다.
도 7c는 본 개시의 실시 예에 따라 외부 쉘로서 사용하기 위한 열가소성 폴리머의 예시적인 특성들의 리스트를 제공한다.
예시적인 실시 예들이 도시된 첨부된 도면들을 참조하여, 현재 실시 예들이 이하 상세히 설명된다. 실시 예들은 본원에서 설명된 실시 예들에 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 이러한 실시 예들은 본 개시가 철저하고 완전하게 이루어질 수 있도록 제공되며, 그 범위를 통상의 기술자에게 완전히 전달할 것이다. 도면들에서, 동일한 번호는 동일한 요소를 지칭한다.
이하 설명 및/또는 청구범위에서 "상에(on)", "위에 놓임(overlying)", "상에 배치(disposed on)" 및 "위에(over)"라는 용어는 다음의 설명 및 청구범위에서 사용될 수 있다. "상에", "위에 놓임", "상에 배치" 및 "위에"는 2개 이상의 요소들이 서로 직접적으로 물리적으로 접촉하고 있음을 나타내는 데 사용될 수 있다. "상에", "위에 놓임", "상에 배치" 및 "위에"라는 용어는 둘 이상의 요소가 서로 직접 접촉하지 않음을 의미할 수도 있다. 예를 들어, "위에"는 한 요소가 다른 요소 위에 있지만 서로 접촉하지 않고, 두 요소 사이에 다른 요소를 가질 수 있음을 의미할 수 있다. 또한, 청구범위 주제의 범위가 이 점에 국한되지는 않지만, "및/또는"이라는 용어는 "및"을 의미할 수도 있고, "또는"을 의미할 수도 있고, "배타적인" 또는 "하나"를 의미할 수도 있고, "전부는 아니지만 일부"를 의미할 수도 있고, "둘 다 아닌"을 의미할 수도 있고, "둘 다"를 의미할 수도 있다.
예시적인 실시 예들은 센서들을 포함하는 PCB 컴포넌트들과 같은 전기 컴포넌트뿐만 아니라 그러한 컴포넌트들을 보호하기 위한 개선된 방법들에 관한 것이다. 예를 들어, 자동차 엔진 내부, 자동차 엔진 위 또는 근처에서 사용되는 전기 컴포넌트들은 유해한 가스, 먼지, 액체 및 온도의 큰 변화를 겪을 수 있다. 일 실시 예들은 특히 코팅 또는 쉘에 의해 보호되는 다른 전기 장치들의 센서들과 같은 장치들에 관한 것이다.
다양한 실시 예들은 전기 컴포넌트들 또는 전기 어셈블리를 보호하기 위해 다중 레이어들 또는 쉘들을 이용하여 캡슐화(encapsulation)에 의해 보호되는 신규한 장치들을 제공한다. 이러한 전기 어셈블리의 예들은 적어도 하나의 전기 컴포넌트를 지지 또는 수용하는 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함한다. 일 실시 예에 따르면, 장치는 제 1 폴리머 재료의 내부 쉘 및 제 2 폴리머 재료의 외부 쉘을 포함할 수 있고, 내부 쉘은 전기 어셈블리의 주위에 배치되고 전기 어셈블리에 접촉하고, 외부 쉘은 내부 쉘의 주위에 배치되고 내부 쉘에 접촉한다. 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 내부 쉘 및 외부 쉘은 기계적인 응력에 대한 내성, 균열에 대한 내성, 박시 및 다른 물리적 퇴화 및 장치 외부 물질에 의한 침투에 대한 내성과 같은 특성들의 조합을 생성하도록 맞춰질 수 있다. 이러한 배열은 센서와 같은 전기 장치의 더 나은 보호, 개선된 성능 및 장치의 증가된 수명을 포함하는 다양한 이점을 제공할 수 있다.
다른 실시 예들에서, 개선된 자동차 센서들은 적어도 -50℃ 내지 150℃의 범위에서 작동하도록 제공될 수 있다. 특정 실시 예들에서, 내부 쉘의 특성들은 적어도 하나의 전기 컴포넌트를 지지하도록 구성된 PCB와 같이 보호되어야 할 전기 어셈블리와의 호환성을 위해 맞춰진다. 외부 쉘은 외부 기계적 교란들로부터 전기 어셈블리를 보호하기 위해 맞춰질 수 있다. 또한, 내부 쉘 및 외부 쉘은 가스, 액체, 먼지 및 다른 환경적 요소들의 외부로부터 보호를 증가시키도록 유리하게 배치될 수 있다.
도 1은 본 개시의 실시 예에 따른 장치(100)를 도시한다. 일부 실시 예들에서 장치(100)는 자동차의 센서로서 기능할 수 있다. 실시 예들은 문맥에 제한되지 않는다. 장치(100)는 내부 쉘(108) 및 외부 쉘(110)에 의해 캡슐화된 전기 어셈블리(102)를 포함한다. 일 실시 예에서, 전기 어셈블리(102)는 PCB(104) 및 검출기 칩(106)을 포함할 수 있다. 내부 쉘(108)은 전기 어셈블리(102) 주위에 배치되고 전기 어셈블리(102)에 접촉하는 제 1 폴리머 재료를 포함할 수 있다. 다시 말하면, 내부 쉘(108)은 전기 어셈블리(102)의 외부 표면(들)과의 계면(interface)을 형성하는 내부 표면을 구비하는 고체 재료일 수 있다. 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 내부 쉘(108)은 내부 쉘(108)에 대한 액체 전구체(liquid precursor) 및 전기 어셈블리(102)가 제 1 몰드에 배치되어 압력 및 온도의 적용을 받는 사출 성형 공정(injection molding process)에 의해 형성될 수 있다. 이 공정은 액체 전구체가 내부 쉘(108)의 형성 동안 전기 어셈블리(102)를 코팅하게 한다. 따라서, 응고 후, 내부 쉘(108)의 내부 표면(122)은 PCB(104) 및 검출기 칩(106)과 같은 전기 어셈블리(102)의 부품들의 외부 표면들과 매칭될 수 있다. 이러한 방식으로, 내부 쉘(108)은 전기 어셈블리(102)에 본딩될 수 있다.
장치(100)에서, 외부 쉘(110)은 내부 쉘(108)의 주위에 배치될 수 있고, 내부 쉘(108)에 접촉할 수 잇고, 외부 쉘(110)의 내부 표면은 내부 쉘(108)의 외부 표면에 매칭된다. 예를 들어, 표면(120)은 외부 쉘(110)의 내부 표면 및 내부 쉘(108)의 외부 표면으로 작용할 수 있다. 내부 쉘(108)과 마찬가지로, 외부 쉘(110)은 고체 재료일 수 있다. 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 외부 쉘(110)은, 외부 쉘(110)에 대한 액체 전구체뿐만 아니라 전기 어셈블리(102) 및 내부 쉘(108)이 제 2 몰드에 배치되어, 압력 및 온도의 적용으로 형성될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따라, 내부 쉘(108) 및 외부 쉘(110)은 물리적 특성들, 조성 및 형성 조건들을 포함하는 적어도 하나의 인자로 서로 다를 수 있다. 내부 쉘(108) 및 외부 쉘(110)의 조합은 이러한 전기 컴포넌트들을 보호하기 위한 공지된 공정들과 비교하여 유리하게도 전기 어셈블리(102)에 보다 견고한 보호를 제공할 수 있다. 하나의 양태에서, 내부 쉘(108)의 물리적 및 기계적 특성들은 전기 어셈블리(102)와의 호환성을 위해 맞춰질 수 있다. 예를 들어, 내부 쉘(108)은 열가소성 재료들을 사용하는 공지된 사출 성형 공정들과 비교하여 비교적 낮은 온도 및 낮은 압력에서 사출 성형에 의한 형성에 적합한 재료를 포함할 수 있다. 내부 쉘(108)을 형성하기 위한 사출 성형을 위한 적절한 온도 범위의 예들은 150℃ 내지 200℃의 온도 범위를 포함한다. 적절한 압력 범위의 예들은 20kgf/cm2 내지 100kgf/cm2, 일 예시들에서는 30kgf/cm2 내지 60kgf/cm2을 포함한다(1kgf/cm2 = 98.0665kPa). 내부 쉘(108)을 상대적으로 낮은 온도 및 압력으로 형성함으로써, 전기 어셈블리(102)의 전기 컴포넌트들은 고온 또는 고압에 노출될 가능성이 있는 손상으로부터 보호될 수 있다.
외부 쉘(110)은 우수한 기계적 및 열적 보호를 제공하도록 구성된 재료를 포함할 수 있고, 비교적 높은 온도 및 압력에서 사출 성형을 사용하여 형성하기에 적합하다. 외부 쉘(110)의 형성의 적합한 온도 범위의 예는 275℃ 내지 315℃이고, 적합한 압력 범위의 예는 700kgf/cm2 내지 1100kgf/cm2이다.
다양한 실시 예들에서, 내부 쉘(108)은 열경화성 폴리머로부터 형성될 수 있고, 여기서 "열경화성(thermoset)" 또는 "열경화성 폴리머(thermoset polymer)"는 폴리머 체인들 사이에서의 가교(cross-linking)에 의해 특징지어지고, 비가역 경화를 겪는 재료를 칭한다. 액체 전구체의 사출 성형에 의해 형성된 열경화성 재료는 사출 성형 중에 열을 가함으로써 경화될 수 있다. 일단 경화되면, 열경화성 재료는 몰드의 형상을 유지할 수 있다. 후속 열처리는 열경화성 재료를 용융시키지 않으며, 열경화성 재료는 경화 프로세스 중에 형성된 형상을 유지하는 경향이 있다. 내부 쉘(108)에 적합한 열경화성 재료의 예는 에폭시 몰딩 화합물과 같은 에폭시 기반 재료들을 포함한다. 적절하게 에폭시 몰딩 화합물의 예로는 EME 1200D 및 EME E500HAC를 포함한다(공급자: Chang Chun Plastics.Co.,Ltd. (Hsin-Chu factory) 8, Chung Hua Rd., Fong Shan Village, Hu-Kou Industrial Park, Hsin-Chu 303, Taiwan). 다양한 실시 예들에서, 에폭시 기반 재료는 에폭시 수지 및 실리카 필러를 포함할 수 있고, 에폭시 농도는 10% 내지 30%의 범위일 수 있고, 실리카 농도는 60% 내지 90%일 수 있고, 페놀 수지 농도는 5% 내지 20%일 수 있다. 실시 예들은 이 문맥에 제한되지 않는다.
다양한 실시 예에서, 외부 쉘(110)은 열가소성 재료로부터 형성될 수 있고, 여기서 "열가소성 재료(thermoplastic material)" 또는 "열가소성 폴리머(thermoplastic polymer)"는 주어진 형상으로 고체로서 형성될 수 있는 폴리머 재료를 의미하고, 열의 적용에 의해 다른 형상의 고체로 개질될 수 있다. 많은 열가소성 재료들은 용융 거동을 특징으로 하고, 폴리머 체인들 사이의 가교의 정도가 낮거나 0인 것으로 특징지어진다. 외부 쉘(110)의 적합한 열가소성 재료들의 예들은 유리 강화 폴리아미드 폴리머들(glass reinforced polyamide polymers)을 포함하는 폴리아미드 폴리머들을 포함한다. 적합한 열가소성 재료들의 예들은 Zytel® 70G33HS1L BK031 또는 Zytel®70G30HSLRBK099를 포함한다(Zytel은 듀폰트 주식회사의 등록 상표임).
다양한 실시 예들에서, 내부 쉘(108)의 특성들은 전기 어셈블리(102)의 특성들과 일치하도록 추가로 맞춰질 수 있다. 일부 예들에서, 전기 어셈블리(102)는 내부 쉘(108)의 제 2 열팽창 계수(CTE)와 밀접하게 일치하는 제 1 열팽창 계수(CTE)를 가질 수 있다. 전기 어셈블리(102)의 제 1 CTE 및 내부 쉘의 제 2 CTE의 차이가 작은 또는 0인 내부 쉘(108)을 제공하는 이점은, 장치(100)가 큰 온도 변화를 겪을 때 발생하는 감소된 응력이다. 예를 들어, 자동차의 센서 장치로서 구현되는 경우, 장치(100)는 유리하게는 200℃의 온도 범위에서 작동할 수 잇다. 일 예로, 장치(100)는 -50℃ 내지 150℃의 온도 범위에서 작동하도록 구성될 수 있어서, 자동차 엔진과 가까운 환경에서의 작동에 특히 적합하다. 전기 어셈블리(102)의 제 1 CTE 및 내부 쉘의 제 2 CTE가 근접하게 매칭되기 때문에, 전기 어셈블리(102) 및 내부 쉘(108)의 팽창 또는 수축의 차이는 장치(100)의 온도가 증가 또는 감소할 때 작을 수 있다. 이러한 팽창의 작은 차이는 전기 어셈블리(102) 및 내부 쉘(108) 사이의 계면에 존재하는 열 응력을 감소시킨다. 감소된 열 응력은, 내부 쉘(108)과 전기 어셈블리(102) 사이의 박리 경향을 감소시키고, 내부 쉘(108)의 균열 및 기타 결합들을 감소시키고, 전기 어셈블리(102)에 응력에 의해 발생되는 손상을 감소시킨다. 장치(100)가 상이한 온도들 사이에서 반복되는 사이클링을 겪을 수 있기 때문에, 이러한 감소된 열 응력은 공지된 센서 장치들에 비해 장치(100)의 신뢰성 및 수명을 증가시킬 수 있다.
외부 쉘(110)은 전기 어셈블리(102)의 제 1 CTE와 덜 잘 매칭된 제 3 CTE를 가질 수 있다. 외부 쉘(110)이 전기 어셈블리(102)에 직접적으로 접촉하지 않기 때문에, 제 1 CTE 및 제 3 CTE의 차이는 전기 어셈블리(102) 부근에서 해로운 응력을 생성하지 않을 수 있다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 본 개시의 실시 예에 따른 장치(200)의 형성의 다른 스테이지들을 도시한다. 일부 실시 예들에서, 장치(200)는 자동차 센서로서 기능한다. 장치(200) 및 그 전구체들은 이해를 돕기 위해 투시도로 도시되어 있다. 이해를 돕기 위해, 도 3a, 도 3b 및 도 3c는 각각 도 2a, 도 2b 및 도 2c에 대응하는 장치의 형성의 스테이지들의 투명한 도면을 도시한다. 도 2a 및 도 3a는 전기 어셈블리(202)를 도시한다. 전기 어셈블리(202)는 PCB(204)를 포함한다. 검출기 칩(206), 커패시터(208), 커패시터(210) 및 저항기(212)는 PCB(204)에 부착된다. 또한, 리드 어셈블리(214)는 PCB(204)에 부착되고, 외측(하방)으로 연장되어 외부 장치들에 전기 접속들을 제공한다.
보호를 위해, 전기 어셈블리(202)는 도 2b, 3b 및 도 3b, 3c에서 제안되는 2가지 몰딩 작업들을 받는다. 도 2b, 3b에서, 내부 쉘(220)은 전기 어셈 블리(202) 주위에 배치되고, PCB(204)를 보호하고, 전기 컴포넌트들은 검출기 칩(206), 커패시터(208), 커패시터(210) 및 저항기(212)를 포함한다. 내부 쉘(220)은 사출 성형 공정에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 전기 어셈블리(202)는 내부 쉘(220)의 외부 표면(226)에 대응하는 형상을 갖는 제 1 사출 몰드(미도시)에 배치될 수 있다. 사출 성형 기계(미도시)는 내부 쉘(220)의 액체 전구체(미도시)를 제 1 사출 몰드에 사출시킬 수 있다. 내부 쉘(220)의 액체 전구체는 전기 어셈블리(202)와 접촉하여 전기 어셈블리(202)를 코팅할 수 있다. 온도 및 압력이 가해질 때, 액체 전구체는 응고될 수 있고, 도시된 바와 같이 외부 표면(226)을 갖는 내부 쉘(220)이 된다. 도 2b에는 보이지 않지만, 내부 쉘(220)의 내부 표면은 전기 어셈블리(202)와 접촉할 수 있고, 따라서 전기 어셈블리(202)에 결합될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따라, 내부 쉘(220)은 PCB(204)의 CTE와 매칭되는 열 팽창 계수(CTE)를 갖는 폴리머 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, FR4로 명명된 상업용 유리 에폭시 인쇄 회로 기판은 1.3x10-5/K의 평균 평면 CTE를 가질 수 있다. 다양한 실시 예들에서, 내부 쉘(220)은 1x10-5 내지 1.5x10-5의 범위의 CTE를 가질 수 있고, 특정 실시 예들에서, 내부 쉘(220)의 CTE는 1.3x10-5일 수 있다. 특히, 내부 쉘(220)에 대한 필러 재료의 농도뿐만 아니라 정확한 폴리머 재료 및 제형은 내부 쉘(220) 및 PCB(204)의 CTE의 긴밀한 매칭을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 많은 열경화성 폴리머들은 PCB(204)의 것과 거의 매칭되지 않는 CTE를 가질 수 있고, PCB(204)의 CTE에 양호한 매칭을 제공하기에는 너무 놓거나 또는 너무 낮은 CTE를 가질 수 있다. 일 실시 예에서, 내부 쉘(220)로서 사용하기에 적합한 재료는 EME 1200D 또는 EME E500HAC와 같은 열경화성 재료, 또는 열경화성 폴리머들 및 실리카(silica)와 같은 필러를 포함하는 다른 복합재들을 포함한다. 바람직하게는, 내부 쉘(220)과 PCB(204)의 CTE 사이의 매칭은 장치(200)가 일정 범위의 온도에 걸쳐 작동될 때 발생하는 열 응력을 회피하거나 최소화할 수 있다. 따라서, 장치(200)는 예를 들어, 자동차의 센서 장치로서 향상된 성능을 제공할 수 있다.
도 2B, 3B에서 더 도시된 바와 같이, 내부 쉘(220)은 내부 쉘을 형성하는 데 사용되는 몰드의 형상을 갖는 다양한 구조들을 포함할 수 있다. 특히, 내부 쉘(220)을 형성하기 위한 몰드는 전기 어셈블리(202)의 성능, 수명 또는 신뢰성을 향상시키기 위해 내부 쉘(220)의 외부에 구조들을 생성하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 내부 쉘(220)은 구조물(222) 및 구조물(224)을 포함할 수 있고, 구조물들은 바깥쪽으로 돌출한다. 이러한 구조들 또는 다른 구조들은 내부 쉘(220)과 외부 쉘(230) 사이의 기계적인 커플링을 증가시키고, 내부 쉘(220) 및 외부 쉘(230) 사이의 밀봉을 증가시키기 위해, 또는 다른 이유들로 사용될 수 있다.
도 2c 및 도 3c를 참조하면, 외부 쉘(230)의 형성 후에 완성된 장치인 장치(200)가 도시된다. 외부 쉘(230)은 또한 사출 성형 공정에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 전기 어셈블리(202) 및 내부 쉘(220)은 단일 캡슐화된 장치(229)를 구성하는 것으로 간주될 수 있다. 단일 캡슐화된 장치(229)는 외부 쉘(230)의 외부 표면(238)에 대응하는 형상을 갖는 제 2 사출 성형 고정(미도시)에 배치될 수 있다. 사출 성형 기계(미도시)는 외부 쉘(230)의 액체 전구체(미도시)를 제 2 사출 몰드에 사출시킬 수 있다. 외부 쉘(230)의 액체 전구체는 내부 쉘(220)과 접촉하게 되고, 내부 쉘(220)을 코팅할 수 있다. 온도 및 압력이 가해질 때, 액체 전구체는 응고되어, 도시된 바와 같이 외부 표면(238)을 갖는 외부 쉘(230)을 형성할 수 있다. 특히, 외부 쉘(230)의 외부 표면(238)은 도 2b 및 도 2c의 비교에 의해 알 수 있는 바와 같이, 내부 쉘(228)의 외부 표면(226)의 외형과 다른 외형을 가질 수 있다. 또한, 외부 쉘(230)의 내부 표면은 내부 쉘(220)의 외부 표면과 접촉할 수 있고, 따라서 내부 쉘(220)에 결합될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따라, 외부 쉘(230)은 기계적 강도가 내부 쉘(220)의 기계적 강도 보다 큰 폴리머 재료로부터 제조될 수 있다. 본원에서 사용되는 용어 "기계적 강도(mechanical strength)"는 굴곡 강도(flexural strength) 및 충격 강도(impact strength)를 포함하는 재료의 특성을 지칭할 수 있다. 이러한 보다 큰 기계적 강도는 장치(200)를 충격, 응력 및 다른 섭동들로부터 양호하게 보호할 수 있다. 일부 예들에서, 외부 쉘(230)은 250MPa 내지 300MPa의 굴곡 강도와, 23℃에서 10-15 kJ/m2의 노치 샤르피 노치 충격 강도(notched Charpy notched impact strength)를 가질 수 있다. 실시 예들은 이 문맥에 제한되지 않는다. 내부 쉘(220)은 140MPa 내지 170Mpa의 굴곡 강도와 같은 비교적 작은 기계적 강도를 가질 수 있다.
특히 다양한 실시 예들에서, 외부 쉘(230)에 적합한 재료는 열가소성 폴리머들을 포함할 수 있다. 외부 쉘(230)이 열가소성 폴리머로 형성되는 몇몇 예들에서, 외부 쉘(230)은 5x10-5/K 내지 1.2x10-4/K의 범위일 수 있다. 이는 외부 쉘(230) 및 전기 어셈블리(2020)의 CTE에서 대략 4x10-5/K 내지 11x10-5/K의 차이를 생성한다. 바람직하게는, 외부 쉘(230)이 전기 어셈블리(202)에 직접적으로 결합되지 않기 때문에, CTE의 이러한 차이는 장치(200)의 성능에 악영향을 미치지 않을 수 있다.
장치(200)의 2개의 쉘들은 공지된 센서들과 관련하여 장치(200)의 성능, 수명 또는 신뢰성을 증가시키는 특성들의 조합을 제공할 수 있다. 예를 들어, 공지된 센서들에서, 전기 어셈블리는 쉘의 CTE가 전기 어셈블리의 CTE와 일치하지 않는 열가소성 재료 또는 다른 재료와 같은 단지 하나의 코팅 또는 쉘 내에 캡슐화될 수 있다. 열가소성 재료와 PCB 사이의 CTE의 차이로 인해, 열 응력은 위에서 언급한 바와 같이 그러한 장치의 전기 컴포넌트들의 균열, 박리 또는 악화를 발생시킬 수 있다. 본 실시 예들에서, 전기 어셈블리는 CTE가 전기 어셈블리의 PCB의 CTE와 가깝거나 정확하게 일치할 수 있는 내부 쉘에 의해 캡슐화된다. CTE에서의 이와 같은 일치로 인해 위에서 언급한 문제들이 제거되거나 감소된다. 또한, 외부 쉘은 보다 우수한 기계적 강도의 이점을 제공하며, 본 실시 예들의 이중 캡슐화된 장치들에 대해 보다 견고한 보호를 형성한다.
상술한 바와 같이, 본 개시의 다양한 실시 예들에서, 이중 캡슐화된 장치의 내부 쉘 및 외부 쉘은, 내부 쉘 및 외부 쉘 사이의 강화된 기계적 커플링뿐만 아니라 강화된 밀봉을 제공하도록 상호 구성될 수 있다. 도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 본 개시의 다른 실시 예들에 따른 장치의 다른 도면들을 도시한다. 장치(400)는 어떤 경우에는 장치(200)와 유사하게 구성될 수 있다. 도 4a에서, 내부 쉘(404) 및 외부 쉘(302)을 도시하는 상부 투명도가 도시된다. 내부 쉘에 의해 캡슐화된 전기 어셈블리는 도시되지 않았다. 그러나, 전기 어셈블리는, 예를 들어, 도 3a에 도시된 전기 어셈블리(202)와 유사할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 외부 쉘(402)은 외부 쉘(402)의 원통형 부분(412)으로부터 바깥쪽으로 연장하는 피쳐(406)를 포함한다. 이제 도 4c를 참조하면, 내부 쉘(404)의 기둥 부분(408)의 사시도가 도시된다. 내부 쉘(404)은 하나 이상의 포스트 부분(408)을 포함할 수 있고, 포스트 부분은 외부 쉘(402)에 연결될 수 있고, 외부 쉘(402)에 대해 내부 쉘(404)을 배향시키는데 사용될 수 있다. 기둥 부분(408)은 밀봉 리브들(414)로 도시된 밀봉 리브 어셈블리를 포함하는 밀봉 어셈블리(410)를 포함할 수 있다. 도 4d는 도 4b에 도시된 A-A를 따라 절개한 단면도이다. 도시된 바와 같이, 기둥 부분(408)의 밀봉 리브들(414)은 외부 쉘(402)의 기둥 부분(408)의 서로 맞물림(interlock)을 용이하게 한다. 이것은 특히 먼지, 가스, 액체, 습기 또는 다른 물질이 장치(400) 내에 배치된 전기 어셈블리 상의 공격으로부터 보호되도록 장치(400)의 밀봉을 증가시킬 수 있다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 예시적인 공정 순서를 도시한다. 블록(502)에서, 적어도 하나의 전기 컴포넌트를 갖는 전기 어셈블리가 제공된다. 일부 예들에서, 전기 어셈블리는 PCB와, PCB 상에 배치되는 적어도 하나의 전기 컴포넌트를 포함할 수 있다. 전기 어셈블리는 제 1 열팽창 계수(CTE)를 가질 수 있다.
블록(504)에서, 제 1 폴리머 재료를 포함하는 내부 쉘이 전기 어셈블리 주위에 형성되고, 여기서 내부 쉘은 전기 어셈블리와 접촉한다. 일부 실시 예들에서, 내부 쉘은 제 1 열팽창 계수와 거의 일치하는 제 2 열팽창 계수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 열팽창 계수와 제 1 열팽창 계수 사이의 차이는 몇몇 경우들에서, 1x10-5/K 미만일 수 있고, 특히, 어떤 경우들에서는 2x10-6/K 미만일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 내부 쉘은 전기 어셈블리가 제 1 몰드에 배치되고, 제 1 온도 및 제 1 압력에서 내부 쉘의 액체 전구체의 사출을 받는 사출 성형에 의해 형성될 수 있다. 일부 예들에서, 제 1 온도는 150℃ 내지 200℃의 범위일 수 있고, 제 1 압력은 20kg/cm2 내지 100kg/cm2의 범위일 수 있다.
블록(506)에서, 외부 쉘은 전기 어셈블리 주위에 형성되는 제 2 폴리머 재료를 포함하고, 내부 쉘은 전기 어셈블리와 접촉한다. 일부 실시 예들에서, 외부 쉘은 내부 쉘 및 전기 어셈블리로 만들어진 단일 캡슐화된 장치가 제 2 몰드에 배치되는 사출 성형에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 외부 쉘은 제 1 열팽창 계수와 거의 일치하지 않는 제 3 열팽창 계수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 3 열팽창 계수와 제 1 열팽창 계수 사이의 차이는 일부 경우들에서 5x10-5/K보다 클 수 있다. 단일 캡슐화된 장치는 제 2 온도 및 제 2 압력에서 외부 쉘의 액체 전구체를 주입할 수 있고, 제 2 온도 및 제 2 압력 중 적어도 하나는 제 1 온도 및 제 1 압력보다 크다. 일부 실시 예들에서, 제 2 온도는 275℃ 내지 315℃의 범위일 수 있고, 제 2 압력은 700kg/cm2 내지 1100kg/cm2의 범위일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 제 2 사출 성형 공정에서의 몰드 온도(mold temperature)는 액체의 온도의 몰드 온도와 다를 수 있다. 일부 실시 예들에서, 몰드에 사출되는 액체의 온도는 275℃ 내지 315℃의 범위일 수 있고, 특히 285℃ 내지 315℃의 범위일 수 있고, 일부 예들에서는, 몰드 온도가 285℃ 내지 305℃의 범위일 수 있다.
유리하게도, 도 5의 예시적인 방법은 전기 어셈블리를 캡슐화하는 내부 쉘을 형성하기 위한 공정의 부가적인 이점들을 제공한다. 앞서 언급한 바와 같이, 내부 쉘을 형성하기 위한 제 1 형성 공정들은 150℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 열경화성 폴리머를 형성하기 위한 사출 성형 공정일 수 있다. 더 낮은 온도 범위는 외부 쉘을 형성하는데 사용되는 제 2 온도 범위보다 훨씬 낮다. 내부 쉘의 형성을 위한 보다 낮은 온도 범위는 수용되는 전기 어셈블리에 대한 손상을 피하기에 충분히 낮을 수 있다. 마찬가지로, 내부 쉘을 형성하기 위해 20kg/cm2 내지 100kg/cm2의 더 낮은 압력 범위를 사용하는 것은, 외부 쉘을 형성하는데 사용되는 보다 높은 압력에 전기 어셈블리가 노출되는 것을 피함으로써 손상으로부터 전기 어셈블리를 보호할 수 있다. 이어서, 고온 및 고압이 사출 성형 공정에서 외부 쉘을 형성하도록 사용될 때, 내부 쉘은 전기 어셈블리의 손상을 방지하기 위한 차폐물(shield)로서 작용할 수 있다. 또한, 내부 쉘의 CTE가 전기 어셈블리의 CTE와 동일할 수 있기 때문에, 외부 쉘을 형성하기 위한 고온 사출 성형 공정 중에 내부 쉘과 전기 어셈블리 사이의 계면에서 열 응력이 회피되거나 최소화된다.
도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 장치를 형성하는 데 사용되는 내부 쉘의 특성들의 예시적인 리스트(600)를 나타낸다. 도 6의 예시에서, 내부 쉘의 재료는 열경화성 폴리머이다. 도 6은 사출 성형에 의해 내부 쉘을 형성하기 위한 공정 조건들의 리스트(602)를 제공한다. 도 6의 재료의 조성은, 약 5% 내지 20%의 페놀 수지(phenolic resin), 60% 내지 90% 실리카 필러(silica filler) 및 10% 내지 30%의 에폭시(epoxy)일 수 있다.
도시된 바와 같이, 내부 쉘의 형성 온도는 195℃를 초과하지 않으며, 압력은 100kg/mm2을 초과하지 않는다.
도 7a는 본 개시의 실시 예에 따른 장치를 형성하는 데 사용되는 외부 쉘의 특성들의 리스트(700)를 제공한다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 외부 쉘의 재료는 열가소성 폴리머이다. 분명히, CTE(CLTE)는 PCB에 대한 일반적인 값인 1.3x10-5보다 높을 수 있다. 도 7b는 사출 성형에 의해 외부 쉘을 형성하기 위한 공정 조건들의 리스트(702)를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 외부 쉘의 형성을 위한 용융 온도는 약 295℃이고, 압력은 100kg/mm2을 초과하지 않는다.
도 7c는 본 개시의 실시 예에 따라 외부 쉘로서 사용하기 위한 열가소성 폴리머의 예시적인 특성들의 리스트(710)를 제공한다. 명백한 바와 같이, 모듈러스 및 충격 강도는 외부 응력으로부터 장치를 보호하는 데 유용한 우수한 기계적 특성들을 제공한다.
본 실시 예들이 특정 실시 예들을 참조하여 개시되었지만, 첨부된 청구 범위들에서 정의된 바와 같이, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시 예에 대한 많은 수정, 변경 및 대체가 가능하다. 따라서, 본 실시 예들이 설명된 실시 예들에 한정되는 것이 아니라, 다음의 청구범위의 언어 및 그 균등물에 의해 정의된 전체 범위를 갖는다.

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 전기 컴포넌트를 구비하는 전기 어셈블리;
    상기 전기 어셈블리의 주위에 배치되고 상기 전기 어셈블리에 접촉하는 제 1 폴리머 재료를 포함하는 내부 쉘 - 상기 내부 쉘은 제 1 기계적 강도를 포함함 -; 및
    상기 내부 쉘의 주위에 등각으로 배치되고 상기 내부 쉘에 접촉하는 제 2 폴리머 재료를 포함하는 외부 쉘 - 상기 외부 쉘은 상기 제 1 기계적 강도 보다 큰 제 2 기계적 강도를 포함함 - 을 포함하고,
    상기 전기 컴포넌트는 제 1 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 내부 쉘은 제 2 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 외부 쉘은 제 3 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE)와 제 2 열 팽창 계수(CTE) 사이의 차이는 0.5x10-5/K 보다 작고, 제 3 열 팽창 계수(CTE)는 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE)를 4x10-5/K 내지 11x10-5/K 만큼 초과하는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 어셈블리는 제 1 외부 형상을 규정하는 제 1 외부 표면을 구비하고,
    상기 내부 쉘은 상기 제 1 외부 형상과 다른 제 2 외부 형상을 규정하는 제 2 외부 표면을 포함하고,
    상기 외부 쉘은 상기 제 1 외부 형상과 다른 제 3 외부 형상을 규정하는 제 3 외부 표면을 포함하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 쉘은 열경화성 재료를 포함하고, 상기 외부 쉘은 열가소성 재료를 포함하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 어셈블리는 인쇄 회로 기판(PCB)과, 상기 인쇄 회로 기판 상에 배치되는 적어도 하나의 전기 컴포넌트를 포함하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 쉘 및 외부 쉘은 -50℃ 내지 150℃의 온도 범위에서 작동하는 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 내부 쉘의 상기 제 2 외부 표면은,
    상기 외부 쉘에 기계적으로 커플림함으로써 상기 내부 쉘 및 외부 쉘 사이의 밀봉을 증가시키는 밀봉 리브 어셈블리를 포함하는 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 외부 형상은 상기 제 2 외부 형상과 다른 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 쉘은 상기 외부 쉘에 커플링하는 기둥 부분을 포함하는 장치.
  9. 삭제
  10. 전기 장치를 형성하는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 전기 컴포넌트를 갖는 전기 어셈블리를 제공하는 단계;
    상기 전기 어셈블리의 주위에 제 1 폴리머 재료를 포함하는 내부 쉘을 형성하는 단계 - 상기 내부 쉘은 상기 전기 어셈블리에 접촉함 -; 및
    상기 내부 쉘의 주위에서 상기 내부 쉘에 접촉하는 제 2 폴리머 재료를 포함하는 외부 쉘을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 전기 어셈블리는 제 1 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 내부 쉘은 제 2 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 외부 쉘은 제 3 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE) 및 제 2 열 팽창 계수(CTE) 사이의 차이는 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE) 및 제 3 열 팽창 계수(CTE) 사이의 차이보다 작으며,
    상기 내부 쉘을 형성하는 단계는,
    상기 전기 어셈블리를 제 1 몰드에 제공하는 단계;
    상기 내부 쉘의 제 1 액체 전구체를 상기 제 1 몰드 내로 투여하는 단계; 및
    제 1 온도 및 제 1 압력에서 상기 제 1 액체 전구체 및 전기 컴포넌트 상에 제 1 사출 성형 공정을 수행하는 단계를 포함하고,
    단일 캡슐화된 장치는 상기 내부 쉘 및 전기 어셈블리를 포함하며,
    상기 외부 쉘을 형성하는 단계는,
    상기 단일 캡슐화된 장치를 제 2 몰드에 제공하는 단계;
    상기 제 2 폴리머 재료의 제 2 액체 전구체를 상기 제 2 몰드 내로 투여하는 단계; 및
    상기 제 1 압력 보다 큰 제 2 압력 및 제 2 온도로 상기 단일 캡슐화된 장치 상에 제 2 사출 성형 공정을 수행하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도 보다 높은 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 내부 쉘은 열경화성 재료를 포함하고, 상기 외부 쉘은 열가소성 재료를 포함하는 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 온도는 150℃ 내지 200℃이고, 상기 제 1 압력은 20kgf/cm2 내지 100kgf/cm2인 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 온도는 275℃ 내지 315℃이고, 상기 제 1 압력은 700kgf/cm2 내지 1100kgf/cm2인 방법.
  17. 인쇄 회로 기판;
    상기 인쇄 회로 기판에 부착되는 적어도 하나의 센서;
    상기 인쇄 회로 기판 및 적어도 하나의 전기 장치의 주위에 배치되고, 상기 인쇄 회로 기판 및 적어도 하나의 전기 장치에 접촉하는 제 1 폴리머 재료를 포함하는 내부 쉘 -상기 내부 쉘은 제 1 기계적 강도를 포함함-; 및
    상기 내부 쉘의 주위에 배치되고, 상기 내부 쉘에 접촉하는 제 2 폴리머 재료를 포함하는 외부 쉘 -상기 외부 쉘은 상기 제 1 기계적 강도 보다 큰 제 2 기계적 강도를 포함함 -;을 포함하고,
    상기 인쇄 회로 기판은 제 1 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 내부 쉘은 제 2 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 외부 쉘은 제 3 열 팽창 계수(CTE)를 포함하고, 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE) 및 제 2 열 팽창 계수(CTE) 사이의 차이는 0.5x10-5/K 보다 작고, 제 3 열 팽창 계수(CTE)는 상기 제 1 열 팽창 계수(CTE)를 4x10-5/K 내지 11x10-5/K 만큼 초과하는, 센서 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 내부 쉘은 열경화성 재료를 포함하고, 상기 외부 쉘은 열가소성 재료를 포함하는 센서 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 내부 쉘 및 외부 쉘은 -50℃ 내지 150℃의 온도 범위에서 작동하는 센서 장치.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 내부 쉘은,
    상기 외부 쉘에 기계적으로 커플링함으로써 상기 내부 쉘 및 외부 쉘 사이의 밀봉을 증가시키는 밀봉 리브 어셈블리; 및
    상기 외부 쉘에 커플링하는 기둥 부분을 포함하는 센서 장치.
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