KR20030019424A - 미세 발포 재료를 사용하는 캡슐화 - Google Patents

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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

미세 발포 재료 내에 물체 또는 물체들을 패키징하기 위한 사출 성형 캡슐화 방법이며, 주형 공동을 갖는 주형을 제공하는 단계와, 주형 공동 내에 적어도 하나의 물체를 위치시키는 단계와, 패키징 재료를 제공하는 단계와, 초임계 유체-패키징 재료 용액을 생성하기에 충분한 조건하에서 패키징 재료에 유체를 도입하는 단계와, 주형 공동 내로 용액을 도입하는 단계와, 용액을 미세 발포 재료로 변화시키는 단계를 포함한다. 이러한 방법은 전자 또는 전기 부품의 캡슐화에 유리하게 채용된다. 이로부터 패키징된 물체들은 완전히 또는 부분적으로 캡슐화될 수 있다.

Description

미세 발포 재료를 사용하는 캡슐화 {ENCAPSULATION USING MICROCELLULAR FOAMED MATERIALS}
열경화성 또는 열가소성 재료를 사용하여 물체를 패키징 또는 캡슐화하는 것은 와이어 코일, 강성, 가요성, 리드 프레임, 또는 성형된 상호 연결 디바이스를 기반으로 한 인쇄 회로, 반도체 디바이스, 전기 전력 셀 및 성형된 쉘 부품 내의 도전성 리드 또는 와이어와 같은 부품을 패키징하도록 전자 및 전기 산업에 통상 사용된다. 여기에 사용된 바와 같이, "패키징" 또는 "캡슐화"는 상호 교환적으로 사용되며 이 분야의 통상의 지식을 가진 사람에 의해 이해되는 바와 같이 "오버몰딩(overmolding)" 또는 "삽입 성형"과 같은 용어와 의미가 동일하다.
기술적인 곤란성(설계, 성능, 제조), 경제적 절충성(기계 생산성, 수지 가격, 사이클 시간, 기계 비용) 및 시스템 복잡성(2차 작업, 전체 시스템 비용) 모두는 캡슐화 재료의 가장 경제적인 선택에 기여한다. 통상, 동일한 성능 특성이 주어진다면, 열가소성 재료로 사출 성형을 사용하는 캡슐화 공정이 가장 높은 생산성을 제공하여 가장 큰 경제적인 이익을 제공한다.
사출 성형 공정은 높은 성형 온도와 높은 사출 압력의 조건하에서 통상 수행된다. 불행히도, 이러한 작업 조건은 패키징될 전자 또는 전기 또는 다른 민감한 물체를 종종 손상시킨다. 결과적으로, 이는 성능 및 공정 생산성에 손실을 주거나 또는 공정에 악영향을 주어, 사출 성형 캡슐화 공정을 경제적으로 덜 매력적이게 한다.
따라서, 캡슐화될 물체에 대해 손상을 방지하도록 낮은 온도 및 압력 조건하에서 물체를 패키징할 수 있는 사출 성형 캡슐화 공정을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 분야는 통상 물체의 패키징에 관한 것으로, 특히 미세 발포 재료를 사용하는 전자 및 전기 부품의 캡슐화에 관한 것이다.
도1은 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 바람직한 실시예를 나타내는 일반적인 다이어그램이다.
도2는 완전히 캡슐화된 물체를 생성하는데 사용되는 주형의 바람직한 실시예를 나타내는 일반적인 다이어그램이다.
도3은 부분적으로 캡슐화된 물체를 생성하는데 사용되는 주형의 바람직한 실시예를 나타내는 일반적인 다이어그램이다.
본 발명은 주형 공동을 포함하는 주형을 제공하는 단계와, 주형 공동 내에 적어도 하나의 물체를 위치시키는 단계와, 패키징 재료를 제공하는 단계와, 초임계 유체-패키징 재료 용액을 생성하기에 충분한 조건하에서 패키징 재료에 유체를 도입하는 단계와, 주형 공동 내로 용액을 도입하는 단계와, 용액을 미세 발포 재료로 변화시키는 단계를 포함하는 미세 발포 재료 내에 적어도 하나의 물체를 패키징하기 위한 사출 성형 캡슐화 방법을 포함한다. 또한, 이러한 방법에 의해 생성된 패키징된 물체(들)도 포함된다.
본 발명의 공정을 수행하기 위한 바람직한 실시예는 도1을 참조하여 가장 잘 설명된다. 도1은 이하의 요소를 예시한다.
10: 종래 사출 성형 장치의 배럴과 스크루
11: 리트로핏(retrofit)
12: 노즐
13: 유체 공급원
14: 호퍼
15: 주형
16: 물체(들)
17: 주형 표면
주형(15)과 물체(들)(16)외에, 도2 및 도3은 이하의 요소를 예시한다.
18: 주형 공동
19: 완전히 캡슐화된 물체(도2)
20: 부분적으로 캡슐화된 물체(도3)
도1 내지 도3을 참조하면, 캡슐화될 물체 또는 물체들(16)은 주형(15) 내측, 특히 주형 공동(18)에 위치된다(도2 및 도3 참조). 주형 공동(18)은 용융된 재료가 유동하고 충전되도록 하는 주형(15)의 영역이다. 사출 성형 공정에 사용되는 임의의 종래 주형이 채용될 수 있다. 도1에 도시된 것은 소위 "수직" 클램프 주형으로, 이는 사출 성형 캡슐화를 수행할 때 매우 바람직하다. 바람직하게는, 물체(들)(16)는 적어도 하나의 전자 또는 전기 부품이다. 여기에 사용된 바와 같이, 전자 또는 전기 부품은 (예컨대, 솔레노이드, 센서, 변압기, 모터, 토로이드, 계전기, 점화 코일을 위한) 와이어 코일, (예컨대, 센서, 제어기, 조절기, 컴퓨터 주변 보드, 중앙 처리 유닛을 위한) 강성, 가요성, 리드 프레임, 또는 성형된 상호 연결 디바이스를 기반으로 한 인쇄 회로, (예컨대, 능동, 수동 및 맞춤 집적 회로를 위한) 반도체 디바이스, (예컨대, 배터리 팩을 위한) 전기 전력 셀, 또는 (예컨대, 성형된 열가소성 부분 내에 전기 연결을 위한) 성형된 쉘 부품 내의 상호 연결 디바이스, 도전성 리드 또는 와이어와 같은, 전압이 가해질 때 전류를 운반하는 임의의 부품을 포함한다.
도1을 참조하면, 물체(들)(16)는 주형 표면(17) 상에서 직접 지지될 수 있거나, 그리고/또는 물체(들)(16)로부터 돌출하는 (도시되지 않은) 탭에 의해 주형 표면(17)으로부터 지지될 수 있거나, 그리고/또는 (도1에는 도시되지 않고, 도2에 18로 표시된) 주형 공동(들)으로부터 (도시되지 않은) 하나 이상의 지지 돌출부에 의해 지지될 수 있다. 주형 공동(들)으로부터의 지지 돌출부는 정지 또는 이동 가능할 수 있다. 이동 가능한 지지 돌출부는 물체(들)(16)의 임의의 부분을 노출시키지 않는 중실 단일편의 패키지를 생성할 때 특히 유용하다. 이러한 탭과 지지 돌출부의 사용은 이 분야의 통상의 지식을 가진 사람에게 잘 공지되어 있다.
물체(들)(16)는 주형 공동(18) 내측에 완전히 위치될 수 있거나(도2 참조) 또는 주형 공동(18) 내에 부분적으로 위치될 수 있다(도3 참조). 전자는 물체(들)가 패키징 재료 내에 완전히 캡슐화되게 되고, 후자는 물체(들)가 부분적으로만 캡슐화되게 한다. 완전한 캡슐화는 특히 무선 통신 디바이스를 위해 또는 주위로부터 물체의 특히 효율적인 패키징 시일을 제공하는데 유용할 때 바람직하다. 부분적인 캡슐화는 전자 및 전기 부품에 특히 바람직한데, 이는 다른 디바이스와의 인터페이스를 위해 (전기 신호 및/또는 전력의 부품으로 및/또는 이로부터의 통신의 목적을 위해) 노출되어 있는 부품의 특정 부분에 필요할 수 있다.
도2는 주형 공동(18) 내에 완전히 위치된 물체(16)를 패키징할 때, 주형(15)과, 주형 공동(18)과, 결과적인 완전히 캡슐화된 물체(19)를 도시한다. 도3은 주형 공동(18) 내에 부분적으로 위치된 물체(16)를 패키징할 때, 주형(15)과, 주형 공동(18)과, 결과적인 부분적으로 캡슐화된 물체(20)를 도시한다.
도1을 참조하면, 본 발명의 사출 성형 캡슐화 공정을 수행하기 위한 바람직한 기계는 (이하에 더 상세히 설명되는) 리트로핏(11)으로 변경된 종래 사출 성형 장치의 배럴과 스크루(10)와 노즐(12)을 포함하는데, 이는 (도시되지 않은) 공지된 러너 및 케이트 시스템을 통해 주형(15)[그리고 주형 공동(18)]에 차례로 연결된다.
호퍼(14)는 물체(들)(16)를 캡슐화하는데 사용되는 패키징 재료를 종래 사출 성형 장치의 배럴과 스크루(10)에 제공한다. 패키징 재료는 고체 펠릿(solid pellet)의 형태로 통상 제공된다. 바람직하게는, 패키징 재료는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 전체 및 부분 방향족 액정 폴리머 및 폴리에테르 에스테르 폴리머와 같은 폴리에스테르, 폴리아세탈, 폴리아미드 66, 폴리아미드 6, 폴리아미드 46 및 폴리아미드 612와 같은 폴리아미드, 폴리탈라미드, 폴리페놀 술폰(PPS), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 스티렌, 비닐 폴리머, 아크릴 폴리머, 셀룰로우스, 폴리카보네이트, 열가소성 엘라스토머(예컨대, 올레핀, 스티렌, 우레탄, 코폴리아미드, 코폴리에스테르) 및 이들의 혼합물로부터 선택된 적어도 하나의 재료를 포함한다. 특히, 패키징 재료는 임의의 반-결정 재료 또는 이의 혼합물을 포함한다. 패키징 재료는 패키징 재료를 적절히 용융 및 처리하기 위해 요구되는 배럴과 스크루(10)의 실제 설계와 작동 조건을 지시한다. 이러한 설계 및 작동 조건은 이 분야의 통상의 지식을 가진 사람에게 공지되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 종래 사출 성형 장치(10)는 리트로핏(11)으로 변경된다. 대조적으로, 종래 사출 성형 장치(10)에는 리트로핏(11)이 존재하지 않고, 패키징 재료는 배럴과 스크루(10)로부터 노즐(12)을 통해 주형(15)[그리고 주형 공동(18)]으로 지나간다. 리트로핏(11)은 섹션을 포함하여 유체가 유체 공급원(13)으로부터 도입되고 초임계 유체-패키징 재료 용액을 생성하기에 충분한 조건 하에서 패키징 재료와 조합되는데, 이는 노즐(12)을 통해 주형(15)[그리고 주형 공동(18)]으로 후속적으로 도입된다.
유체 공급원(13)은 바람직하게는 초임계 유체를 리트로핏(11)에 공급한다. 유체 공급원(13)은 리트로핏(11)에 도입하기 위한 초임계 유체를 생성하도록 이 분야의 통상의 지식을 가진 사람에게 잘 공지된 기술에 따라 변경될 수 있다. 이와 달리, 유체 공급원(13)은 유체, 바람직하게는 가스를 리트로핏(11)에 공급할 수 있는데, 이는 초임계 유체를 액체로 변환시키기에 충분한 조건하에서 작동된다.
여기에 사용된 바와 같이, "초임계 유체"는 재료를 초임계 유체 상태로 두도록 임계 온도를 초과하는 온도와 임계 압력을 초과하는 압력에서 유지되는 재료를 의미한다. 이러한 상태에서, 초임계 유체는 가스와 액체 모두로서 유효하게 작용하게 하는 특성을 갖는다. 재료를 초임계 상태로 유지하기 위한 이러한 온도 및 압력은 잘 공지되어 있다.
바람직하게는, 초임계 유체 또는 유체는 이산화탄소, 질소, 에탄, 에틸렌, 프레온-12, 산소, 암모니아 또는 물이다.
리트로핏(11)에서, 패키징 재료는 초임계 유체-패키징 재료 용액을 생성하기에 충분한 조건하에서 초임계 유체 또는 가스와 혼합된다. 이러한 용액을 이루기 위한 기술은, 예컨대 각각이 여기에 참조로 포함된 미국 특허 제4,473,665호, 제5,160,674호, 제5,158,986호, 제5,334,356호, 제5,866,053호, 제6,005,013호 및 제6,051,174호에 개시된 바와 같이 압출 성형 분야에 잘 공지되어 있다.
통상, 리트로핏(11)은 패키징 재료와 초임계 유체의 혼합을 더 잘 이루도록 설계된 혼합 블레이드 및/또는 정적 혼합기 섹션과 같은 다양한 혼합 요소로 변경된 추가 섹션을 포함하도록 종래 사출 성형 장치의 배럴과 스크루(10) 구역을 연장시킨다. 리트로핏(11)은 내부에서 패키징 재료와 초임계 유체의 혼합이 바람직하게는 단일 상의 초임계 유체-패키징 재료 용액을 형성할 수 있는 발산 구역을 포함할 수도 있다.
리트로핏(11)에 걸쳐, 작동 조건은 초임계 유체가 초임계가 아닌 상태로 복귀하는 것을 방지하기에 충분한 압력 및 온도에서 유지되어야 한다.
초임계 유체-패키징 재료 용액은 이어서 노즐(12)과 (도시되지 않은) 공지된 러너 및 게이트 시스템을 통해 주형(15)[그리고 주형 공동(18)]으로 도입된다. 초임계 유체-패키징 재료 용액이 바람직하게는 노즐(12)을 통해 리트로핏(11)을 떠남에 따라, 결과적인 압력 강하는 용액 내에 열역학적 불안정성을 생성하여 셀 핵형성을 유도하고 용액이 미세 발포 재료로 바뀌게 한다. 충분한 압력 강하를 달성하기 위한 특정 노즐 설계는 이 분야에 잘 공지되어 있다. 바람직하게는, 노즐(12)은 능동 차단 설계이다. 온도 변화는 열역학적 불안정성의 유도를 도울 수도 있다. 예컨대, 리트로핏(11)의 단부에서, 큰 발포의 형성을 방지하기에 충분히 높은 수준에서 압력을 여전히 유지하면서 제어된 셀 핵형성 공정을 시작하게 하도록 온도를 변경하는 것이 바람직할 수 있다.
주형(15) 그리고 더 중요하게는 주형 공동(18)은 주형(15)으로부터 제거되기 전에 미세 발포 재료가 고결되게 하기에 충분한 온도, 필요하다면 압력에서 유지될 수 있다. 이들 온도 및 압력 조건은 사용되는 패키징 재료에 의존하고 이 분야의 통상의 지식을 가진 사람에게 잘 공지되어 있다.
상기 공정들의 최종 결과물은 미세 발포 재료 내에 캡슐화된 물체(들)(16)이다. 바람직하게는, 미세 발포 재료는 10 ㎛보다 작은 완전히 성장한 셀 크기를 갖는 109셀/㎤보다 큰 핵 밀도를 갖는다. 더욱 바람직하게는, 미세 발포 재료는 0.1과 1 ㎛사이의 완전히 성장한 셀 크기를 갖는 1012와 1015셀/㎤ 사이의 핵 밀도를 갖는다.
본 발명의 공정에 의해 달성되는 장점은 패키징 재료만을 비교한 초임계 유체-패키징 재료의 감소된 용융 점도이어서, 낮은 용융 온도와 낮은 사출 압력을 야기할 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 전술된 바와 같이 캡슐화될 전자, 전기 또는 다른 민감한 물체를 종종 손상 또는 변위시키는 현존하는 사출 성형 캡슐화 공정에서 통상적인 높은 용융 온도와 높은 사출 압력의 문제점을 해결한다. 다른 장점은 주형 내에서 보유/포장 압력 횟수의 감소 또는 제거, 기계 소형화 및 사이클 시간의 감소이며, 이들 모두는 캡슐화된 장치의 제조 비용을 낮춘다.
예
[미국 코네티컷주 뉴잉톤 소재의 어버그 인크(Arburg, Inc.)로부터 입수 가능한] AllRounder 66 ton 320C로서 공지된 사출 성형 캡슐화 기계는 [매사추세츠주 워번 소재의 트렉셀 인크(Trexel, Inc.)로부터 입수 가능한] SCF(Super Critical Fluid; 초임계 유체) TR10 5000G System으로 갱신되었다. 기계는 초임계 유체로서 질소를 사용하여 [미국 델라웨어주 웰밍톤 소재의 이 아이 듀 폰 디 네모아 앤드 캄파니(E. I. du Pont de Nemours and Company)로부터 입수 가능한] CrastinSK605를 사용하여 권취 코일을 캡슐화하는데 사용되었다.
45개의 권취 코일이 각각 15개의 코일로 나누어서 3번의 개별 공정 설정으로제조되었다. 또한, 12개의 권취 코일이 대조 표준으로서 표준 사출 성형 공정을 사용하여 제조되었다. 시험 코일에서 캡슐화된 재료 중량 감소는 대조 표준의 캡슐화된 재료 중량과 비교할 때 대략 5％ 내지 27％로 관찰되었다. 코일의 저항 수준(옴 단위)은 캡슐화 전과 캡슐화 바로 후에 측정되었다. 캡슐화 바로 후에 저항 수준의 상승은 주형으로부터 방출된 후 캡슐화된 권취 코일의 코어 온도의 표시 측정치로서 잘 공지된다. 또한, 패키징 플라스틱의 온도를 주기적으로 측정하는 것은 저항 측정의 확인으로서 캡슐화된 코일이 방출된 직후에 이루어졌다. 열가소성 물질의 공칭 용융 온도는 실험에 걸쳐 기계에 일정한 배럴 및 노즐 온도를 유지함으로써 일정하게 유지된다.
갱신된 기계를 사용하여 제조된 권취 코일은 종래 사출 성형 캡슐화 공정을 사용하는 권취 코일에서 관찰된 저항 수준의 상승과 비교하여, 저항 수준의 상승의 감소를 나타내어 코일 온도 상승의 감소를 나타낸다. 이는 낮은 플라스틱 캡슐화 온도로도 확인된다.
갱신된 기계를 사용하여 제조된 시험 코일의 평균 저항은 공정 설정에 의존하여 캡슐화 전에 약 4.7 옴이고 캡슐화 후에 약 4.7 옴(4.4 내지 5.1 옴의 범위)이었다. 플라스틱 패키징 온도는 공정 설정에 의존하여 130 F(54.4 ℃)와 135 F(57.2 ℃) 사이의 범위였다. 대조적으로, 대조 표준 코일의 평균 저항은 캡슐화 전에 약 4.7 옴이고 캡슐화 후에 약 5.7 옴이었다. 플라스틱 패키징 온도는 135 F(57.2 ℃)와 158 F(70 ℃) 사이의 범위로 관찰되었다.
2.5 인치/초(63.5 mm/초)의 일정한 램 속도(45 cc/초의 충전 속도)에서 열가소성 물질을 사출시키는데 요구되는 피크 유압에 의해 측정된 바와 같은 사출 압력이 또한 관찰되었다. 대조 표준 코일에 대해 1000 psi(6.9 MPa)의 피크 사출 압력 평균이 관찰되었다. 시험 코일에 대해 피크 사출 압력 평균은 공정 설정에 의존하여 840 psi(5.8 MPa)[860 psi(5.9 MPa) 내지 800 psi(5.5 Mpa) 평균 압력 범위]였다. 이는 유압 사출 압력에서 대략 15 ％ 강하는 주형 내의 공동 압력의 강하를 확인하는데 사용되었다. 시험 코일은 10 톤의 클램프 힘으로 성형될 수 있는 한편, 대조 표준 코일은 40 톤의 클램프 힘을 요구한다.
본 발명에 여기에 고려된 바람직한 실시예에 대해 설명되더라도, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지 않는다는 것을 알 것이다. 이와는 달리, 본 발명은 첨부된 청구의 범위의 기술 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 변경 및 동등물 배열을 포괄하는 것을 의도한다. 이하의 청구의 범위는 이러한 변경, 동등물 표시 및 기능을 포함하도록 가장 광범위한 해석을 따른다.

Claims (14)

  1. 미세 발포 재료 내에 적어도 하나의 물체를 패키징하기 위한 사출 성형 캡슐화 방법이며,
    주형 공동을 갖는 주형을 제공하는 단계와,
    주형 공동 내에 적어도 하나의 물체를 위치시키는 단계와,
    패키징 재료를 제공하는 단계와,
    초임계 유체-패키징 재료 용액을 생성하기에 충분한 조건하에서 패키징 재료에 유체를 도입하는 단계와,
    주형 공동 내에 용액을 도입하는 단계와,
    용액을 미세 발포 재료로 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유체는 초임계 유체인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유체는 이산화탄소, 질소, 에탄, 에틸렌, 프레온-12, 산소, 암모니아 또는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 변화시키는 단계와 상기 용액을 도입하는 단계는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 위치시키는 단계는 주형 공동 내에 적어도 하나의 물체를 완전히 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 위치시키는 단계는 주형 공동 내에 적어도 하나의 물체를 부분적으로 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 따른 방법에 의해 생성된 것을 특징으로 하는 패키징된 물체 또는 물체들.
  8. 미세 발포 재료 내에 적어도 하나의 전기 또는 전자 부품을 패키징하기 위한 사출 성형 캡슐화 방법이며,
    주형 공동을 갖는 주형을 제공하는 단계와,
    주형 공동 내에 적어도 하나의 전기 또는 전자 부품을 위치시키는 단계와,
    패키징 재료를 제공하는 단계와,
    초임계 유체-패키징 재료 용액을 생성하기에 충분한 조건하에서 패키징 재료에 유체를 도입하는 단계와,
    주형 공동 내에 용액을 도입하는 단계와,
    용액을 미세 발포 재료로 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 유체는 초임계 유체인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 유체는 이산화탄소, 질소, 에탄, 에틸렌, 프레온-12, 산소, 암모니아 또는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 변화시키는 단계와 상기 용액을 도입하는 단계는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 위치시키는 단계는 주형 공동 내에 적어도 하나의 전기 또는 전자 부품을 완전히 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 위치시키는 단계는 주형 공동 내에 적어도 하나의 전기 또는 전자 부품을 부분적으로 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제8항에 따른 방법에 의해 생성된 것을 특징으로 하는 패키징된 전기 또는 전자 부품.
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