方向盘开关总成看似是一个简单的装置，但其设计却相当复杂。该总成包括发光二极管（LED）、电阻和电容器、微动开关、FR-4印刷电路板（PCB）、汽车级连接器以及微控制器。在车辆运行过程中，这些器件必须得到充分保护。 车辆所处的环境条件严苛，具有湿度、振动、温度循环和机械载荷等特征，因此必须严格遵守汽车电子产品的环境可靠性标准，例如 ISO 16750。 [1]. 为了在该运行环境中保护这些设备，选择合适的制造工艺至关重要。最理想的制造方法是采用热塑性弹性体（TPE）对印刷电路板（PCB）进行包覆成型。经过包覆成型的PCB具有电气绝缘性，并能抵御振动。.
什么是PCB包覆成型？
PCB包覆成型是指利用注塑工艺，将已组装的电路板包裹在橡胶或塑料中的工艺。将PCB组件放入定制模具中，然后将熔融材料注入型腔。材料冷却后，会在电路板周围形成一个坚固的保护壳。.
PCB包覆成型工艺
PCB包覆成型工艺与传统的注塑成型几乎相同。事实上，该工艺使用的设备与传统注塑成型所用的设备相似。然而，PCB包覆成型的工艺窗口比普通塑料要严格得多。以下是PCB包覆成型工艺的流程顺序：
- PCB检测
- 清洁/干燥
- 插入
- 装载与定位
- 模具闭合
- 融化
- 注射
- 包装 / 存放
- 冷却
- 开模
- 弹射
- 修边 + 检查
- 电气/功能测试
1. PCB电路检查
在开始包覆成型工艺之前，请确保电路板上的所有电路均已完全焊接并经过测试，以确认没有问题。一旦封装完成，就无法对内部部件进行返工。确认无误后，下一步是清洁电路板。 有时，需要在表面涂覆一层底漆，以增强材料与电路板之间的附着力，并防止日后出现脱落或进水。.
2. 模具设计与制造
只要在模具设计上投入足够的精力，PCB包覆成型就能取得良好效果。PCB包覆成型所用的模具型腔几何形状与普通注塑成型不同。该型腔必须能够容纳连接器、焊点和电子元件。 设计人员必须确保模具固定牢固，以避免注塑过程中发生任何位移。即使极微小的位移也是不可取的，因为这会导致连接器对位不准、封装厚度不均匀以及元器件损坏。如果该模具用于大批量生产，则必须使用定位特征来引导PCB装载的自动化过程。.
在注塑成型前必须进行有效的模具检查。事先检查有助于发现可能的污染和焊点缺陷。模具检查完成后，应进行清洁，以防止聚合物粘附和产生气孔，这些都会影响产品质量。准备工作还可能包括对模具进行干燥，特别是在使用对湿度敏感的聚合物时。 这些聚合物在接触潮湿环境时会吸收水分、溶解，并改变其化学和物理性能。此类常用于包覆成型中的耐湿工程聚合物包括尼龙（聚酰胺）、聚氨酯（PU）以及某些热塑性弹性体（TPE）。.
3. 装料与合模
检查完成后，将PCBA放入设计的模具中。模具会精确固定其位置，以确保封装材料准确流向每个区域，同时不会损坏元器件。装料完成后，操作员关闭模具，将PCB包覆其中，开始注塑过程。 熔融材料是在压力作用下注入型腔的，这意味着需要施加足够的夹紧力。选择夹紧力时，应确保其高于所需夹紧力。该关系可表示为：;
Fc = PcApS
其中，Fc 为所需的夹紧力，Pc 为有效型腔压力，Ap 为成型件的投影面积。S 为安全系数。例如：;
Pc=60MPa，且Ap= 0.004平方米，那么
Fc=60×10⁶×0.004=240kN。.
在设计模具时，工程师会选定一个安全系数，以确保锁模力大于型腔压力。例如，若选择安全系数为1.5，则锁模力将调整为360 kN，这对于注射熔融材料而言要安全得多。锁模力必须选定在适中的数值上。 夹紧力不足会导致分型线处产生飞边，而夹紧力过大则会增加模具应力并提高能耗。.
4. 塑料熔融与注射成型
一个带有旋转螺杆的长圆柱形筒体内装有加热器，用于熔化塑料树脂。螺杆对树脂进行混合并产生压力，将其向前推送。 熔融塑料在受控压力下注入型腔。由于流速、壁厚、聚合物粘度以及浇口设计等不同因素的影响，压力会发生变化，这可归纳为牛顿流体通过圆形通道时的流体动力学方程：;
ΔP ≈ 8μLQ/(πR⁴) [2]
其中，ΔP 表示压降，μ 表示熔体粘度，L 表示流动长度，Q 表示体积流量，R 表示有效流动半径。尽管大多数塑料并不遵循这一牛顿流体方程，但它能指导工程师在施加或调节注射压力时，确定需要重点观察的关键区域。.
在PCB包覆成型中，模具型腔内的材料流动比传统注塑成型更为复杂。 PCB组件包含PCB边缘、电容器、焊点、集成电路封装、连接器、导线、散热片及其他高耸的元件。这些材料可能会阻碍熔体流动。如果未能妥善处理这些阻碍，可能会导致焊缝线，从而影响产品质量。.
5. 冷却与凝固
型腔填充完成后，必须从聚合物中带走热量。散热速率与壁厚成正比。.
tc ∝ s（简体中文（大陆））2
其中 tc 是冷却时间，且 s 是特征聚合物厚度。.
图表显示，壁厚增加会延长冷却时间。这会影响最终的制造成本。.
6. 模具开模与顶出
模具充分冷却后，工程师将其打开。通过顶针、顶套和其他机构将零件顶出。在顶出过程中，应格外小心，以避免出现故障。虽然常规塑料零件能够承受过大的顶出力，但包覆成型PCB组件可能无法承受此类力。 过大的力可能会传递到PCB上的元器件，导致其断裂。脱模后，该部件可能需要进行后处理和检测，以确保产品有效且安全。下表列出了部分测试标准。.
| 检查 | 检测对象 |
|---|---|
| 目视检查 | 闪光、短焦镜头、灼痕、裂纹 |
| 尺寸检测 | 翘曲与关键尺寸 |
| X光/CT | 空隙、内部位移、包封 |
| 电气连续性 | 开路 |
| 绝缘电阻 | 电气隔离问题 |
| 耐高压试验 | 介电击穿 |
| 功能测试 | 电子操作 |
| 泄漏测试 | 外壳/密封完整性 |
| 热循环 | 热机械可靠性 |
| 拉伸/剥离试验 | 适用的情况下，界面粘附 |
为什么不能直接使用标准的注塑成型工艺来制造电路板呢？
尽管可以通过热塑性注塑成型对某些电路板进行封装，但工程师仍需格外谨慎，尤其是对于已装配元件的PCB。传统的高压注塑成型可能会导致元件失效。 阻碍传统注塑工艺应用的参数包括压力、温度、流速、收缩率以及机械载荷。.
在常规注塑成型过程中，熔融塑料产生的型腔压力相对较高，而PCB包覆成型则采用专门的低压工艺。这种高压会对PCB元件（如陶瓷电容器、BGA封装、SMD电阻器、连接器、传感器、焊接端子和细间距元件）施加更大的力。 当电路板中包含大型或无支撑的元件时，发生位移或承受机械载荷的风险会更高。据汉高公司介绍，低压成型是一种用于安全封装易碎元件的特殊工艺。低压成型工艺中使用的材料，其加工压力通常低于传统注塑成型工艺。.
温度是决定不采用传统注塑工艺的另一个考量因素。许多工程热塑性塑料需要相对较高的熔体温度才能流动。另一方面，PCB组装必须确保其元器件、连接器、焊点和粘合剂在温度限制范围内。这种矛盾在技术上会使设计过程变得复杂。.
哪些材料最适合PCB包覆成型？
在选择PCB包覆成型最佳材料方面，并没有通用的经验法则。不同的材料适用于不同的应用场景。在大多数项目中，初步筛选出的材料清单应包括低压聚酰胺热熔胶、聚氨酯、环氧树脂、硅橡胶以及部分热塑性弹性体，这些材料在电子封装领域均具备各具特色的热机械性能。 [3].
| 材料 | 典型角色 | 主要优势 | 主要局限性 |
|---|---|---|---|
| 低压聚酰胺 | PCB/PCBA包覆成型 | 加工迅速、耐湿、品种丰富 | 必须验证温度范围和材料兼容性 |
| 聚氨酯 | 封装/灌封 | 柔韧性好且环保 | 固化化学过程和长期性能需要进行验证 |
| 环氧树脂 | 刚性封装 | 具有很高的耐化学性和耐机械性 | 质地坚硬；难以修复；固化时会产生热量 |
| 硅胶 | 灵活封装 | 出色的柔韧性和耐温性 | 机械强度较低；粘合性能尚待验证 |
| TPE/TPU | 柔性包覆成型 | 弹性、抓地力、防拉伸 | 热学和化学极限在很大程度上取决于配方 |
| 常规PC/ABS | 结构外壳/包覆成型 | 良好的机械性能和外观性能 | 通常不适用于对精密PCBA进行直接高压封装 |
结论
PCB包覆成型在许多电子应用中至关重要。该工艺是指用绝缘材料（如塑料）包裹PCBA。所选材料的类型取决于所需的保护等级和电路板的柔韧性要求。.
参考资料
[1] 国际标准化组织（ISO）。（2018年）。. ISO 16750-1:2018 道路车辆——电气和电子设备的环境条件及试验. ISO 在线浏览平台（OBP）。. https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:16750:-1:ed-3:v1:en
[2] ScienceDirect。（无日期）。. 哈根-普瓦修耶方程——概述. ScienceDirect 主题。. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/hagen-poiseuille-equation
[3] ScienceDirect。（未注明日期）。. 热塑性弹性体——材料科学. ScienceDirect 主题。. https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/thermoplastic-elastomer
ZH 
EN 
ES 
FR 
DE 
IT 
PT 
NL 
PL 
AR 
JA 
KO