TWI624347B - 複合成形體之製造方法以及提昇其散熱性的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種改良複合成形體散熱性的技術，其提供一種製造方法，用以製造具有熱可塑性樹脂合成物所構成之樹脂部件以及與其相結合之金屬部件之複合成形體。該方法包括利用濕蝕刻於金屬部件之預定結合表面上形成粗糙表面之表面粗糙化工程，將表面粗糙化工程後之金屬部件設置於注入成形之模具中，並將熔融狀態之熱塑性樹脂合成物注入至注入成形之模具以形成樹脂部件，以及將樹脂部件與金屬部件一體化之一體化工程。根據JIS B0601所測定之粗糙表面之十點平均粗糙度Rz為10μm以上，以及樹脂部件與金屬部件之間之結合強度設為10MPa以上。

Description

複合成形體之製造方法以及提昇其散熱性的方法
本發明關於一種複合成形體之製造方法以及提昇其散熱性的方法。
一直以來，由鋁及鋁合金等金屬部件以及熱可塑性樹脂合成物所構成的樹脂部件一體化而成的複合成形體，被使用在儀表板周圍的控制盤殼等汽車內裝零件、室內裝飾用品、數位相機或行動電話等電子裝置的外裝材料。
將金屬部件以及樹脂部件一體化的方法包括，於金屬部件表面上加工以形成細小的凹凸的方法、利用黏著劑或雙面膠黏貼的方法、在金屬以及/或是樹脂部件上設置倒勾等固定零件並根據此固定零件將兩者固定黏合的方法、以及用螺絲等結合的方法。這些方法當中，由於在金屬部件表面上形成細小的凹凸的方法以及使用黏著劑的方法在設計複合成形體時有較高的自由度，因此近來被頻繁的使用。
於此，需了解到用於將金屬部件與樹脂部件一體化的黏著劑的價格相當高。此外，在上述複合成形體的製造中，樹脂部件和金屬部件分別成形加工，而必須於其後再一體化，造成了複合成形體的生產力低落的問題。
用以解決上述問題的複合成形體之製造方法中， 已知一種將金屬部件與樹脂部件一體形成來製造複合成形體的複合化成形方法(例如，可參考專利文件1)，其將預先用化學蝕刻的金屬設置於用於注入成形的模具空腔中，並將融熔狀態的熱可塑性樹脂合成物注入至空腔中。
如果利用上述複合化成形方法，由於可不需使用 黏著劑，因此可以減少複合成形體的製造成本。此外，相較於使用黏著劑的方法，由於在複合成形體的樹脂成形加工時，使樹脂與金屬一體化，減少了所需要的工程，而有較佳生產力。
然而，藉由此種複合化成形方法獲得的複合成形體，具有其樹脂部件和金屬部件之間的黏著力較小的問題。
先前技術文件
專利文件1：日本特開2001-225352號公報
發明人所檢討後的結果，不只是複合成形體的樹脂部件和金屬部件之間的黏著力較小，由於複合成形體的氣密性差，且樹脂部件與金屬部件間的介面上的熱傳導不充分，亦發現了其複合成形體散熱性差的問題。
本發明用以解決上述問題，其目的在於提供一種改善複合成形體散熱性的技術。
本發明之發明人為了解決上述問題，進行了更深入的研究。其結果發現藉由有特定工程的製造方法來獲得複合成形體，可使其具有預定範圍內的結合強度，並解決上述問 題，從而完成本發明。具體來說，本發明提供以下方法。
(1)一種複合成形體製造方法，用以製造一複合 成形體，其中上述複合成形體包括由一熱可塑性樹脂合成物所構成之一樹脂部件，以及與上述樹脂部件相結合之一金屬部件，上述複合成形體製造方法包括：藉由一濕蝕刻於上述金屬部件中與上述樹脂部件之間之一預定結合表面形成一粗糙表面之一表面粗糙化工程；將上述表面粗糙化工程後之上述金屬部件設置於一用於注入成形之模具中，並將熔融狀態之上述熱塑性樹脂合成物注入至上述用於注入成形之模具以形成上述樹脂部件，以及將上述樹脂部件與上述金屬部件一體化之一體化工程，其中，根據JIS B0601所測定之上述粗糙表面之十點平均粗糙度Rz為10μm以上，以及上述樹脂部件以及上述金屬部件之間之結合強度設為10MPa以上。
(2)上述(1)的複合成形體製造方法中，其中 上述濕蝕刻為化學蝕刻。
(3)上述(1)或(2)的複合成形體製造方法中， 其中上述樹脂部件為一絕緣部件，上述金屬部件為一導電散熱部件，上述複合成形體更包括藉由上述絕緣部件與上述導電散熱部件相連接之一導電發熱部件，以及上述複合成形體製造方法更包括：將上述導電發熱部件與上述絕緣部件相連接之連接工程。
(4)一種提昇複合成形體散熱性方法，適用於一複合成形體，其中上述複合成形體包括由一熱可塑性樹脂合成物所構成之一樹脂部件，以及與上述樹脂部件相結合之一金屬 部件，且上述樹脂部件為一絕緣部件，而上述金屬部件為一導電散熱部件，包括：將上述樹脂部件以及上述金屬部件之間之結合強度設為10MPa以上以提昇上述樹脂部件往上述金屬部件的散熱性。
本發明提供一種改善複合成形體散熱性的技術。
1‧‧‧散熱構造體
2‧‧‧絕緣部件
3‧‧‧導電散熱部件
4‧‧‧導電發熱部件
11‧‧‧樹脂部件
11A‧‧‧樹脂成形品
11S‧‧‧測量表面
12‧‧‧金屬部件
12A‧‧‧金屬插入物件
50‧‧‧基座
51‧‧‧夾具
60‧‧‧鋁台
61‧‧‧加熱板
62‧‧‧熱成像裝置
70‧‧‧測試裝置
71‧‧‧耐壓氣密容器
72‧‧‧(金屬)容器部件
73‧‧‧O型橡膠圈
74‧‧‧(金屬)上蓋部件
75‧‧‧螺紋部分
76‧‧‧壓力測量儀
77‧‧‧壓縮空氣閥門
第1圖係為表示本發明之散熱構造體之一透視圖。
第2A圖係為表示實施例與對比實施例所使用的複合成形體之一分解透視圖。
第2B圖係為表示實施例與對比實施例所使用的複合成形體之一透視圖。
第2C圖係為表示實施例與對比實施例所使用的複合成形體中僅金屬部分的示意圖。
第3圖係為根據本發明一實施例之表示樹脂與金屬之間接合強度之測量方法之示意圖。
第4圖係為根據本發明一實施例之評估散熱性的評估方法之示意圖。
第5A圖係為根據本發明一實施例之用於評估氣密性的樣本之示意圖。
第5B圖係為根據本發明一實施例之用於評估的樣本中所插入之金屬部件之示意圖。
第6A以及6B圖係為根據本發明一實施例之評估氣密性的 評估裝置之示意圖。
以下根據本發明之實施例作詳細說明。此外，本發明並非限制於以下的實施例。
[複合成形體的製造方法]
本發明之複合成形體之製造方法至少包括表面粗糙化工程以及一體化工程。以下對於本發明之複合成形體之製造方法作詳細說明。
在製造複合成形體時，首先準備用以形成金屬部件以及樹脂部件的原料之金屬及熱可塑性樹脂合成物。
用以構成金屬部件的金屬種類沒有特別限制，可使用任何能適當對應其用途的金屬種類。例如，鋼、鑄鐵、不銹鋼、鋁、銅、金、銀、銅等金屬，亦可使用鋁合金、鋅合金、鎂合金、錫合金等合金。
上述金屬部件的製造方法沒有特別限制，可採用過去的習知技術來完成。此方法可使用例如高壓鑄造法。高壓鑄造法為壓入熔融金屬到模具中，是短時間大量生產高量測經度的鑄件的鑄造方法。此外，為了讓所製造出的金屬部件可以預期的形狀成形，也可使用切割加工等工程機械。
用以構成樹脂部件的熱可塑性樹脂合成物的種類沒有特別限制，可使用任何能適當對應其用途的熱可塑性樹脂合成物。
本發明的特點之一為不論熱可塑性合成物中所包含的熱可塑性樹脂的種類，皆可使樹脂部件以及金屬部件的黏 結性提高。因此，不論熱可塑性樹脂的種類，皆可完成本發明的效果。因此，舉例來說，可藉由以下方式來決定所使用的熱可塑性樹脂的種類。
藉由本發明的製造方法所製造的複合成形體的最 佳用途的實施例中，可以作為散熱構造體(詳細內容於後述段落說明)。在使用複合成形體作為散熱構造體的情況下，熱可塑性樹脂合成物較佳包括具有較高的耐熱性以及較高的熱傳導性的熱可塑性樹脂。
具有較佳的耐熱性以及較高的熱傳導性的熱可塑 性樹脂可為聚硫化芳撐(polyarylene sulfide)系樹脂。
因此，根據本發明的製造方法中，能夠不論熱塑 性樹脂的種類，而提昇樹脂部件和金屬部件之間的黏結性，而根據其用途的不同，可以選擇最適當的熱可塑性樹脂。
[表面粗糙化工程]
表面粗糙化工程為，對於金屬部件以濕蝕刻在金屬部件與樹脂部件之間的預定結合表面形成粗糙面的工程。預定結合表面指的是金屬部件表面上的一部分或是全部，且包括後述的一體化工程中上述金屬部件與上述樹脂部件之間實際上結合表面的全部或者是至少一部分。
藉由形成粗糙表面於預定結合表面，不只可提昇其所製造的複合成形體的樹脂部件與金屬部件之間的黏結力，更可使樹脂部件與金屬部件之間的交界面的熱傳導變得平滑。
在本發明的表面粗糙化工程中，在預定結合的表 面上以濕蝕刻來形成粗糙表面。表面粗糙化工程所形成的粗糙表面為表面細緻的凹凸。關於其凹凸的粗糙度，按照JIS B0601測量粗糙度的金屬粗糙表面(十點平均粗糙度Rz)為10μm以上(較佳為10-100μm)。藉由具有所述的範圍內的粗糙度的粗糙表面的金屬表面，金屬部件的預定結合表面附有充分的凹凸，而在後述的一體化工程時所射出之熔融狀態熱塑性樹脂合成物進入該些凹凸，而提昇了金屬部件與樹脂部件之間的接合強度。金屬表面的粗糙表面的粗糙度，可以簡單地藉由調整濕蝕刻的條件(處理時間，處理液的種類)來調整至所預期的範圍。特別是，根據處理液的種類，可以增加粗造的表面上的羥基量，可預期的提昇金屬部件與樹脂部件的結合強度的化學鍵合。
濕蝕刻為用於形成粗造表面於預定結合面的技術 時，並沒有特別的限制，其可能使用本領域中已知的方法。舉例來說，可較佳地使用溶液(例如，含有過氧化氫，硫酸，苯並三氮唑，氯化鈉等的水溶液)進行化學蝕刻。化學蝕刻能夠簡單地進行必要的處理，可提昇複合成形體的氣密性。根據所取得的粗糙表面的凹凸的大小或粗糙度等，可適當地選擇其濕蝕刻的方法。
[一體化工程]
一體化工程為將上述表面粗糙化工程後之金屬部件配置於注入成形的模具中，並將融熔狀態的熱可塑性樹脂合成物注入至模具中，即為將樹脂部件與金屬部件一體化的步驟。
注入成形的條件並沒有特別的限制，根據熱可塑 性樹脂合成物的物理性質，或金屬部件上形成的粗糙表面狀態，可適當的設定較佳的條件。
注入成形的模具空腔中所注入的熱可塑性樹脂合 成物固態化後，金屬部件與樹脂部件可合為一體，而完成本發明之複合成型體。從模具中取出複合成形體可得到本發明的複成形體。
[樹脂部件與金屬部件之間的結合強度]
根據本發明之複合成形體中之樹脂部件與金屬部件之間的結合強度為10MPa以上(較佳為10~50MPa)。根據發明人實驗的結果，複合成形體的樹脂部件與金屬部件之間的結合強度為10MPa以上的話，不只樹脂部件與金屬部件之間的黏貼力更高，更發現樹脂部件與金屬部件之間的介面有相當好的熱傳導特性。因此，本發明的複合成形體不只士氣密性高，散熱性也高。也因此，本發明的複合成形體可使用在需要具備有高散熱性的成形體的汽車用品、電子用品等。
複合成形體的樹脂部件與金屬部件之間的結合強度以後述之方法測量。具有在第2A-2C圖中所示的形狀的複合成形體之金屬部件其中間切割為兩半，可以得到用於評估的樣品。其用於評估的樣品設置於如第3圖所示之基座(夾具)上，以1mm/min的速度沿箭頭方向移動夾具而從金屬部件剝離樹脂部件。從金屬部件剝離樹脂部件的時間點來測量結合強度。
[散熱構造體]
本發明的製造方法中為較佳的製造散熱結構的方 法。首先，參照第1圖來說明散熱結構。第1圖係表示散熱結構體1的一實施例。散熱結構體1包括絕緣部件2、導電散熱部件3以及導電發熱部件4。如第1圖所示，導電散熱部件3透過絕緣部件2與導電發熱部件4連接。
絕緣部件2相當於上述複合成形體之樹脂部件，導電散熱部件3相當於上述複合成形體之金屬部件。
藉由本發明方法所製造的散熱構造體中，由於絕緣部件2與導電散熱部件3之間的黏結力以及絕緣部件2與導電發熱部件4之間的黏結力相當強，絕緣部件2與導電散熱部件3之間以及絕緣部件2與導電發熱部件4之間的介面的熱傳導相當平順。因此，藉由本發明方法所製造的散熱構造體1為高性能的散熱構造體。
特別的是，本實施例中的散熱部件以及發熱部件皆為導電體的狀況下，散熱部件與發熱部件之間必須要電性絕緣。在這樣的散熱構造體的情況下，導電散熱部件3與導電發熱部件4之間設置絕緣部件2對於熱傳導產生相當大的問題，但由於本發明的導電散熱部件與導電發熱部件之間的熱傳導相當平滑，因而不會產生上述問題。此外，導電發熱部件4可為例如電子元件等。
實施例
以下所示的實施例以及比較實施例用以具體地說明本發明，但本發明的實施例並非限制於此。
[複合成形體的製造方法]
實施例以及比較實施例所使用的複合成形體的示 意圖如第2A-2C圖所示。第2A圖為複合成形體的分解透視圖。第2B圖為複合成形體的透視圖。第2C圖為只有金屬部件的示意圖。此種複合成形體以下方法製造。此外，第2圖中的尺寸的單位是mm。
用以構成樹脂部件的熱可塑性樹脂合成物係使用聚硫化芳撐(polyarylene sulfide)系樹脂合成物(包括質量百分比35%用以作為充填材料的玻璃纖維，熔融粘度為160Pa．s(310℃，1000s-1)的樹脂組合物，寶理塑料有限公司製造，「1135MF1」)。此外，聚硫化芳撐系樹脂合成物熔融黏度可利用以下方式測量。
[聚硫化芳撐系樹脂合成物熔融黏度的測量]
藉由東洋精機(TOYOSK)所製造之毛細管儀器(capilograph)，使用1mmΦ20mmL的毛細管/平模頭(flat die)，以測定桶溫度(barrel temperature)310℃、剪切速率(shear rate)1000sec-1的熔融黏度。
金屬部件使用以鋁(A5052，厚度2mm)所構成的板狀物。此金屬部件具有如第2A圖斜線陰影部分所示的預定結合表面。金屬部件的預定結合表面各自以後述第一蝕刻以及第二蝕刻的方法完成。
[第一蝕刻]
金屬部件的預定結合表面，在以下組成方式的蝕刻溶液A(水溶液)中浸泡1分鐘進行防銹塗料的去除，接著，於蝕刻溶液B(水溶液)中浸泡5分鐘對金屬部件的表面進行蝕刻。藉由蝕刻將金屬部件的表面粗糙化。
[蝕刻溶液A(溫度20℃)]
過氧化氫 26g/L
硫酸 90g/L
[蝕刻溶液B(溫度25℃)]
過氧化氫 80g/L
硫酸 90g/L
苯並三唑(benzotriazole) 5g/L
氯化鈉 0.2g/L
[第二蝕刻]
金屬部件的預定結合表面，在以下組成方式的蝕刻溶液A(水溶液)中浸泡1分鐘進行防銹塗料的去除，此蝕刻則沒有將金屬部件的表面粗糙化。
[蝕刻溶液A(溫度20℃)]
過氧化氫 26g/L
硫酸 90g/L
第一蝕刻(第一實施例)或是第二蝕刻(第一比較實施例)所形成的金屬部件，分別設置於模具中以進行一體化工程。成型條件如下所示。而所使用的複合成形體的形狀，如第2圖中所示。
[成型條件]
成形機：Sodick TR-40VR(垂直成形機)
汽缸溫度：310℃-320℃-310℃-290℃
模具溫度：160℃
注入速度：100mm/s
保持壓力：98MPa×5秒
[評估]
對上述方法所做成的複合成形體的結合部分的結合強度、散熱性以及氣密性進行評估。此外，對金屬部件蝕刻，在金屬部件一邊的結合表面(第一結合表面)使用單組環氧樹脂(one-pack epoxy resin)黏著劑(「XNR3503」Nagasechemtex公司製；硬化條件：120℃×10mins)將樹脂部件與金屬部件結合，以及在金屬部件中另一邊的結合表面(第二結合表面)使用加熱硬化型的矽膠黏著密封材料(「TSE322」Momentive公司製；硬化條件：150℃×60mins)將樹脂部件與金屬部件結合，對所形成的複合成形體(相當於表1的第二比較實施例)同樣地進行評估。具體地評估方法如下所示。
[結合強度]
具有在第2A-2C圖中所示的形狀的複合成形體之金屬部件其中間切割為兩半，可以得到用於評估的樣品。其用於評估的樣品設置於如第3圖所示之基座50(夾具)上，以1mm/min的速度沿箭頭方向移動夾具51而從金屬部件12剝離樹脂部件11。從金屬部件12剝離樹脂部件11的時間點來測量結合強度。此外，測量機器是使用TENSILON UTA-50kN(ORIENTEC公司製造)。其測量結果如表1所示(該值為三次實驗中的平均值)。
[散熱性評估]
將複合成形體放置於如第4圖所示的表面150℃的鋁台60(設置於加熱板61上)，使用熱成像裝置62(CHINO公 司製，Therma CAM CPA-7800)測量在放置完成的金屬部件12的樹脂側距離3mm的部分的樹脂部件11的表面(測量表面11S)的溫度。所測量的溫度較高，表示複合成形體的散熱性較高。對各個複合成形體的測量結果如表1所示。
[氣密性評估]
藉由使用第5A及5B圖所示的具有樹脂成形品11A以及金屬插入物件12A的複合成型體之評估用樣本，並以第6A以及6B圖所示的測試裝置70以進行氣密性的評估。此外，該評估樣本中的樹脂成形品11A相當於樹脂部件，而金屬插入物件12A相當於金屬部件。首先，透過O型橡膠圈73將複合成形體與耐壓氣密容器71的金屬容器部件72結合，接著，藉著金屬製的上蓋部件74夾緊複合成型體以固定(容器部件72與上蓋部件74分別具有公螺紋以及母螺紋(螺紋部分75)，藉以固定)。將耐壓密閉容器71放入一個水槽中，然後確認壓力測量儀76並同時逐漸釋放壓縮空氣閥門77以提高耐壓密閉容器71內部的壓力，直到達到所需的壓力，並檢查是否有空氣從金屬部件洩漏。在施加預定壓力時一分鐘的靜止狀態下如果沒有漏氣，則可判斷在該壓力下的氣密性是良好的(也可表示為「OK」)。測試從0.1MPa的壓力開始，可以的話以0.1MPa依序提昇，直到最大0.6MPa以進行測試。對於每個複合成型體，空氣洩漏時所觀察到的壓力的表示於表1中。
[金屬表面粗糙度(十點平均粗糙度Rz)]
以上述第一蝕刻或第二蝕刻分別完成的各金屬部件的預定結合表面，以及沒有進行蝕刻的金屬部件的預定結合 表面，利用雷射顯微鏡(keyence公司所製造；VK-9510)觀察各個預定結合表面，並根據JIS B 0601來求得十點平均粗糙度Rz。
如表1所示，金屬部件與樹脂部件的結合係透過由濕蝕刻於金屬部件上形成的具有十點平均粗糙度Rz為10μm以上的粗糙表面，可以了解到，樹脂部件與金屬部件之間的結合強度較高，且散熱性以及氣密性也明顯較高。

Claims (4)

  1. 一種複合成形體製造方法，用以製造一複合成形體，其中上述複合成形體包括由一熱可塑性樹脂合成物所構成之一樹脂部件，以及與上述樹脂部件相結合之一金屬部件，上述複合成形體製造方法包括：藉由一濕蝕刻於上述金屬部件中與上述樹脂部件之間之一預定結合表面形成一粗糙表面之一表面粗糙化工程；將上述表面粗糙化工程後之上述金屬部件設置於一用於注入成形之模具中，並將熔融狀態之上述熱塑性樹脂合成物注入至上述用於注入成形之模具以形成上述樹脂部件，以及將上述樹脂部件與上述金屬部件一體化之一體化工程，其中，根據JIS B0601所測定之上述粗糙表面之十點平均粗糙度Rz為10μm以上，以及上述樹脂部件以及上述金屬部件之間之結合強度設為10MPa以上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之複合成形體製造方法，上述濕蝕刻為化學蝕刻。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之複合成形體製造方法，其中上述樹脂部件為一絕緣部件，上述金屬部件為一導電散熱部件，上述複合成形體更包括藉由上述絕緣部件與上述導電散熱部件相連接之一導電發熱部件，以及上述複合成形體製造方法更包括：將上述導電發熱部件與上述絕緣部件相連接之連接工程。
  4. 一種提昇複合成形體散熱性方法，適用於一複合成形體，其中上述複合成形體包括由一熱可塑性樹脂合成物所構成之一樹脂部件，以及與上述樹脂部件相結合之一金屬部件，且上述樹脂部件為一絕緣部件，而上述金屬部件為一導電散熱部件，包括：藉由一濕蝕刻於上述樹脂部件與上述金屬部件之間的結合表面形成一粗糙表面；其中，根據JIS B0601所測定之上述粗糙表面之十點平均粗糙度Rz為10μm以上；以及將上述樹脂部件以及上述金屬部件之間之結合強度設為10MPa以上以提昇上述樹脂部件往上述金屬部件的散熱性。
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