저압 사출 성형: 전자제품의 3가지 주요 문제점을 해결하는 방법

1970년대 저압 사출 성형(LPIM)이 발견되기 전에는 전자 부품의 캡슐화를 위해 밀폐 밀봉, 포팅, 컨포멀 코팅 등 다양한 기존 방식이 사용되었습니다. 이러한 기술의 가장 큰 문제점은 전자 부품이 제대로 밀봉되지 않거나 시간이 지나면서 밀봉이 열화되어 전자 부품이 습기 및 잠재적 위험에 노출되는 경우가 있다는 것입니다.

또한 실란트를 도포하는 과정에서 고온이나 기계적 손상으로 인해 실링 공정이 손상될 위험도 있었습니다. 인쇄 회로 기판과 같은 부품은 표면이 고르지 않거나 형상이 복잡하여 균일한 밀봉을 달성하기가 더 어렵습니다. 이러한 전통적인 방법은 대부분 노동 집약적이고 시간이 많이 소요되므로 제조 비용이 증가합니다.

저압 사출 성형이란?

이름에서 알 수 있듯이 열가소성 소재는 낮은 압력(20 ~ 580psi)과 온도(356°F ~ 428°F)에서 섬세한 전자 부품을 캡슐화하는 데 사용됩니다. 압력이 낮기 때문에 높은 온도와 압력으로 인해 쉽게 손상될 수 있는 커넥터 및 인쇄 회로 기판(PCB)과 같은 부품에 안전하게 사용할 수 있습니다.

폴리카보네이트와 폴리아미드(나일론)와 같은 열가소성 소재는 낮은 압력에서 유동성이 높아 주로 사용됩니다. 저압 사출 성형에 사용되는 다양한 유형의 재료와 그 장점은 다음과 같습니다.

다양한 요인에 따라 제품의 소재 선택이 결정됩니다. 가장 중요한 요소는 제품에 원하는 특성과 제품이 사용될 환경입니다. 예를 들어 병원에서 사용할 제품을 제작하는 경우 온도 및 화학 물질에 대한 내성이 높고 생체 적합성이 뛰어난 의료용 실리콘(ISO 10993 인증)이 가장 적합합니다.

저압 사출 성형과 관련된 단계

이 기술의 주요 아이디어는 원하는 플라스틱 소재를 녹여 부품 주위에 성형하는 것입니다. 전체 프로세스는 네 가지 주요 단계로 요약할 수 있습니다. 따라서 7~8단계의 포팅과 같은 기존 방식에 비해 훨씬 간소화된 공정이라고 생각하시면 쉽습니다. 저압 사출 금형에 관련된 단계는 다음과 같습니다:

• 성형 재료 가열하기: 첫 번째 단계는 원하는 열가소성 소재를 가열하는 것입니다.
• 컴포넌트 배치하기: 캡슐화할 부품을 몰드 캐비티의 절반에 배치하고 몰드를 닫습니다.
• 성형 재료 주입: 액화 성형 재료는 저압으로 캐비티에 주입됩니다.
• 냉각: 온도와 압력이 낮아져 저압 사출 성형이 더 빨리 경화됩니다.

기술 비교 표: LPIM과 기존 프로세스 비교

재료를 코팅하는 LPIM 기술은 기존 방식에 비해 더 간단하고 효율적입니다. 후자와 달리 사람의 손이 덜 필요하기 때문에 인적 오류 없이 스케일링이 가능합니다. 섬세한 소재를 손상시키지 않으면서도 완벽한 은폐를 달성할 수 있습니다. 제조 산업에서 LPIM을 사용할 때 얻을 수 있는 몇 가지 주요 이점은 다음과 같습니다.

#1. 비용 효율성 향상

저압 사출 성형은 기존 방식에 비해 더 적은 재료를 사용하여 완벽한 캡슐화를 달성할 수 있습니다. 또한 더 낮은 압력과 온도에서 작동하므로 에너지 비용이 절감됩니다. 사이클 시간이 빨라져 제조업체는 생산량을 늘리고 주문을 더 빨리 처리할 수 있습니다.

#2. 툴링에 대한 투자 비용 절감

이 공정에 필요한 온도와 압력이 낮기 때문에 비용이 적게 듭니다. 알루미늄 금형 는 특히 소규모 생산의 경우 더 비싼 강철 금형 대신 이상적일 수 있습니다. 따라서 초기 투자 비용과 리드 타임을 줄일 수 있습니다.

#3. 더 나은 구성 요소 보호

LPIM은 커넥터, 센서, 회로 기판과 같이 복잡한 형상을 가진 부품을 일관성 있게 보호하고 손상 위험을 최소화하는 데 더 효과적입니다. 실란트는 기존 방식으로는 도달하기 어려운 영역까지 도달할 수 있습니다.

#4. 더 나은 미적 감각과 저항력

저압 사출 성형은 기존 방식에 비해 더 깨끗하고 세련된 마감을 구현하여 소비자에게 더 매력적으로 다가갈 수 있습니다. 또한 제조업체는 성형에 사용되는 재료를 변경하여 제품의 특성을 맞춤화할 수 있습니다.

전자 기기 제조의 세 가지 주요 문제점에 대한 심층 분석

전자 기기는 섬세합니다. 먼지, 자외선, 습기와 같은 자연적인 요소로 인해 효율성이 떨어지거나 유용성이 손상될 수 있습니다. 따라서 전자 기기 제조업체는 제품에 손상을 주지 않으면서 이러한 자연 요소로부터 제품을 보호할 수 있는 방법을 찾아야 합니다. 저압 사출 성형이 등장하기 전까지는 이 균형을 찾는 것이 업계에서 가장 큰 과제였습니다.

기존의 전통적인 방법은 인쇄 회로 기판 및 커넥터와 같은 전자 장치를 어느 정도 보호할 수 있었지만, 정밀도가 부족하고 손상률이 높으며 비용과 환경에 미치는 영향이 크다는 세 가지 주요 문제에 직면했습니다. 기존 방식에 의존하던 제조업체는 지저분한 발자국을 남긴다는 이유로 환경 규제 당국의 지적을 받기도 했습니다. 그렇다면 제조업체는 저압 사출 성형을 사용하여 기존 캡슐화 방법의 문제점을 어떻게 극복했을까요?

문제점 1: 정밀 전자 부품의 패키징 효율성의 딜레마

전자기기에 하나의 부품만 있다면 기존의 코팅 방법을 사용하기가 더 쉬웠을 것입니다. 하지만 일반적인 PCB에는 다양한 형상, 크기, 방향을 가진 다양한 부품이 존재하며, 이 때문에 기존 캡슐화 기술로는 어려움을 겪습니다.

컨포멀 코팅과 포팅을 사용하면 전체적으로 동일한 밀봉 일관성을 달성하기 어렵습니다. 즉, 한 영역에는 두꺼운 밀봉재 층이 있는 반면 다른 영역에는 얇은 층이 있는 제품을 만들게 됩니다. 이렇게 불완전한 코팅은 에어 갭을 발생시키거나 불완전한 커버리지로 이어져 전자 기기를 불완전하게 보호할 수 있습니다.

문제점 2: 벽이 얇은 부품/인서트의 높은 손상률

저압 사출 성형과 달리 기존의 캡슐화 기술은 노동 집약적이기 때문에 사람의 실수로 인해 벽이 얇은 부품이 손상될 가능성이 높습니다. 예를 들어, 일부 포팅 화합물의 경화 공정에는 화학 반응이 포함되므로 열이 발생하여 민감한 부품을 손상시키거나 납땜 조인트에 고장을 일으킬 수 있습니다.

경화 과정에서 포팅 컴파운드의 수축으로 인해 벽이 얇은 부품에 손상이 발생할 수 있습니다. 수축으로 인해 포팅 재료가 유연하지 않아 부품에 응력이 발생할 수 있습니다. 이러한 불량의 일부는 코팅 재료의 균열 또는 박리로 인해 발생할 수 있습니다. 균열은 코팅 재료와 기판 사이의 열에 의한 팽창 계수의 차이로 인해 발생할 수 있습니다. 균열이 생기면 전자 부품은 먼지와 액체에 취약해집니다.

또한 기존의 실란트는 제거가 어렵기 때문에 부품에 손상이 있을 경우 수리가 어렵습니다. 따라서 부품의 추가 손상을 방지하기 위해 씰을 제거할 때 세심한 주의를 기울여야 합니다.

고충 3: 환경 규정 준수에 따른 높은 비용과 리스크

알루미늄 저압 사출 금형을 제작하는 것과 비교하면 기존 방식에서 발생하는 재료 낭비가 처음에는 적어 보일 수 있습니다. 그러나 새로운 물품을 자주 주문해야 하는 경우 결국 비용이 증가하기 시작합니다. 또한 포팅은 노동 집약적이기 때문에 더 많은 인력이 필요합니다. 저압 사출 성형은 제조업체가 더 빠른 주기를 실행하고 노동력을 줄이며 재료 소비를 줄임으로써 초기의 높은 툴링 비용을 보완할 수 있습니다.

기존 코팅은 경제적 비용 외에도 환경에 유독할 수 있는 화학 물질을 사용하는 경우가 많습니다. 예를 들어 포팅은 이소시아네이트를 사용합니다. 이 화합물을 단기간 흡입하면 눈 자극, 코와 목 자극, 천명음, 기침, 메스꺼움과 같은 위장 장애를 일으킬 수 있습니다.

저압 사출 성형 기술 구현 지침

저압 사출 성형의 효과적이고 일관된 구현을 위해 제조업체는 일련의 가이드라인을 따라야 합니다. 이러한 가이드라인은 재료 선택, 금형 설계, 성형기 설정 및 공정 제어에 걸쳐 있습니다. 전자 부품 또는 인서트의 완벽한 캡슐화를 중심에 두고 이러한 각 요소에 대해 많은 고민을 해야 합니다.

• 소재 선택: 선택한 소재는 전자 부품과 호환되어야 할 뿐만 아니라 사용 목적에 적합한 특성(내습성 및 내온성, 내화학성)을 가져야 합니다.
• 몰드 디자인: 일관된 재료 흐름을 유지하고 용접선을 피하려면 벽의 두께가 균일해야 하며 게이트의 크기와 위치가 적절해야 합니다. 균열을 유발할 수 있는 응력 집중을 낮추기 위해 날카로운 모서리는 피해야 합니다. 제품 불량으로 이어질 수 있는 에어 포켓이 형성되지 않도록 사출 시 적절한 공기 배출을 위해 통풍구가 적절히 확보되어야 합니다.
• 성형기 설정하기: 성형기는 온도, 압력, 사출 속도, 냉각 시간 등 제조업체에서 권장하는 저압 사출 성형에 최적화된 파라미터로 설정해야 합니다.
• 프로세스 제어: 부품 품질의 일관성을 보장하기 위해 주요 성형 파라미터를 지속적으로 모니터링해야 합니다. 모든 재료 사양, 파라미터, 절차 및 문제 해결 가이드는 문서화해야 합니다.

장비 선택 표

저압 사출 성형에는 섬세한 인서트를 처리하는 데 최적화된 특수 장비가 필요합니다. 온도 제어 및 재료 공급 시스템은 깨지기 쉬운 전자 부품을 캡슐화하는 데 있어 시스템의 성공을 좌우할 수 있는 중요한 구성 요소입니다. 아래 표는 장비 선택에 대한 안내입니다.

금형 설계의 핵심 포인트

금형을 설계할 때는 코어, 구배 각도, 파팅 라인, 이젝션 시스템, 냉각 채널에 주의를 기울여야 합니다. 금형 설계 전략은 치수, 형상 및 공차가 포함된 인서트의 2D/3D 도면을 분석하는 것으로 시작됩니다. 핵심 설계는 부품의 형상을 따라 모델링됩니다. 금형 설계의 다른 중요한 고려 사항은 다음과 같습니다:

• 초안 각도: 부품이 금형에 달라붙어 배출 중 손상될 수 있는 것을 방지합니다.
• 이별 라인: 부품의 미관과 구조적 무결성에 영향을 줄 수 있는 가시성을 최소화할 수 있도록 위치를 신중하게 고려해야 합니다.
• 배출 시스템: 이젝터 핀은 효과적이어야 하며 성형 부품의 잠재적 손상을 최소화해야 합니다.
• 냉각 시스템: 냉각수를 적절히 순환시키고 싱크 자국이나 뒤틀림을 방지하기 위해 금형 내에 전략적으로 배치해야 합니다.
• 제조 가능성을 고려한 디자인: 금형 설계는 효율적이고 비교적 쉽게 생산할 수 있어야 합니다.

저압 사출 금형의 산업 적용

저압 사출 성형은 전자, 자동차, 의료 기기, 항공 우주 등 광범위한 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 제대로 수행하면 화학 물질, 먼지 및 습기로부터 탁월한 보호 기능을 제공합니다. 결과적으로 밀봉된 부품의 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다. 다음은 LPIM의 실제 산업 적용 사례입니다.

• 전자 산업: 회로 기판, 커넥터 및 기타 섬세한 부품을 습기, 물리적 충격 및 먼지로부터 보호하기 위해 코팅하는 데 사용됩니다. 또한 구성 요소의 구조적 부분을 형성할 수도 있습니다.
• 자동차 산업: 주로 도어 가드 및 소포 선반 가드 등 차량 내부의 기판에 오버몰딩 재료를 오버몰딩하는 데 사용됩니다.
• 의료 기기: 의료 기기는 화학 물질이나 열을 사용하여 자주 멸균해야 합니다. 기기의 민감한 부분은 일반적으로 저압 사출 성형으로 캡슐화하여 효율성을 잃지 않고 멸균할 수 있도록 합니다.
• 항공우주 산업: 저압 사출 성형은 케이블 연결부의 내구성과 영구성을 높이기 위한 솔루션으로 케이블 연결부를 밀봉하는 데 사용됩니다.

저압 사출 성형으로의 전환은 제조업체가 기존 전자 부품 캡슐화의 함정을 피하고 전체 공정을 더 빠르고 지속 가능하게 만드는 데 도움이 되었습니다. 저압 사출 성형의 이점은 엄청납니다. 공정을 완전히 이해함으로써 제조업체는 원하는 결과를 얻기 위해 사용할 최상의 재료를 올바르게 선택할 수 있습니다.