向车辆电子总成提供EMI屏蔽和散热的外壳的系统和方法与流程

向车辆电子总成提供emi屏蔽和散热的外壳的系统和方法
技术领域
1.本公开涉及一种向诸如印刷电路板总成(pcba)或电子模块之类的电子总成提供emi屏蔽和散热的塑料外壳。


背景技术：

2.车辆通常包括大量部件。这些部件中的许多部件位于封闭区域(诸如车辆的发动机舱)中。机械部件通常设计成能够承受各种不利条件，诸如高温、湿润和潮湿。通常将诸如发动机控制器电路板或气候控制电路板等电子总成容纳在外壳内部，以防止水和污垢影响这些部件的操作。一些外壳由金属制成，而其他外壳由非金属材料(诸如abs塑料)制成。金属外壳提供某些优点，诸如强度、耐用性和散热特性，这些优点有助于使热量对电子总成的不利影响最小化。金属外壳还提供屏蔽和接地特征，所述屏蔽和接地特征使来自外部源的电磁干扰(emi)辐射对电子总成的不利影响最小化，并且还使由电子总成产生的从金属外壳辐射出去的任何emi发射最小化。然而，金属外壳会增加车辆的重量，并且通常期望在不损害完整性的情况下使重量最小化。虽然当前的良好工程实践提供了屏蔽以使emi最小化，但是移除金属外壳可以减小车辆重量，同时保持屏蔽以减少emi干扰和发射。
3.因此，希望制造重量轻但提供诸如例如emi屏蔽、散热和防湿等益处的车辆部件，特别是用于电子总成的外壳。


技术实现要素：

4.就总体概述而言，本公开中描述的某些实施例涉及一种向诸如例如印刷电路板总成(pcba)或电子模块之类的电子总成提供emi屏蔽和散热的塑料外壳。在一些情况下，所述外壳包括由基础材料形成的壳体部分，所述基础材料可以是含有石墨烯纳米结构和碳纳米结构的聚合物。石墨烯纳米结构向基础材料提供导热特性，并且碳纳米结构向基础材料提供导电特性。由基础材料制成的一组支座元件可以设置在壳体内部以用于安装电子总成。由于其中包含石墨烯纳米结构，因此由电子总成产生的热量通过支座元件传导出外壳。由基础材料形成的盖子可以附接到壳体部分。壳体部分和盖子中的碳纳米结构为外壳内部的电子总成提供emi屏蔽。
5.在某些实施例中，可以在基础材料上施加护套材料。护套材料可以是具有防水特性并保护电子总成免受可能存在于外壳外部的湿气的聚合物。在示例性应用中，外壳用于容纳pcba并且可以安装在车辆中，诸如例如安装在车辆的发动机舱中。发动机舱通常是包括由车辆的发动机产生的热量和湿气(由于雨后从路面向上喷洒的水)的环境。在该实施例中，基础材料提供emi屏蔽和散热，而护套材料为外壳提供防水特性。
附图说明
6.下面参考附图阐述具体实施方式。使用相同的附图标记可以指示类似或相同的项。各种实施例可以利用除了附图中示出的那些之外的元件和/或部件，并且一些元件和/
或部件可能不存在于各种实施例中。附图中的元件和/或部件不一定按比例绘制。在整个本公开中，根据上下文，单数和复数术语可以可互换使用。
7.图1示出了根据本公开的实施例的向电子总成提供emi屏蔽和散热的外壳的第一示例性实施例。
8.图2示出了图1所示的塑料外壳的第一示例性实现方式的剖视图。
9.图3示出了图1所示的塑料外壳的第二示例性实现方式的剖视图。
10.图4示出了表征可以用于制造根据本公开的塑料外壳的某些材料的示例性曲线图。
11.图5示出了根据本公开的实施例的用于制造塑料外壳的示例性方法的流程图。
12.图6示出了根据本公开的实施例的塑料外壳的示例性实现方式的剖视图。
13.图7示出了根据本公开的实施例的塑料外壳的示例性实现方式的剖视图。
具体实施方式
14.下文将参考附图更全面地描述本公开，其中示出了本公开的示例性实施例。然而，本公开可以以许多不同形式来体现，并且不应被解释为受限于本文阐述的示例性实施例。相关领域技术人员将理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可对各种实施例作出形式和细节上的各种变化。因此，本公开的广度和范围不应受到任何上述示例性实施例的限制，而是应仅根据所附权利要求和其等效物限定。以下描述是为了说明目的而呈现，并且不意图是详尽性的或受限于所公开的精确形式。应理解，替代实现方式可以按任何所期望的组合使用，以形成本公开的附加混合实现方式。例如，相对于特定装置或部件描述的任何功能可以通过另一个装置或部件来执行。此外，尽管已经描述了特定的装置特性，但是本公开的实施例可以涉及许多其他装置特性。此外，尽管已用特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了实施例，但是应理解，本公开不一定受限于所描述的具体特征或动作。而是，将特定特征和动作公开为实现实施例的说明性形式。
15.本文使用某些词语和短语仅是为了方便，并且这些词语和术语应被解释为指代本领域普通技术人员通常以各种形式和等效物理解的各种对象和动作。还应理解，如本文使用的词语“示例”在本质上是非排他性和非限制性的。如本文所使用的短语“基础材料”通常是指包括导电材料和导热材料的组合的一种类型的聚合物。在一些实施例中，基础材料可以涂覆有护套材料。如本文所使用的短语“护套材料”通常是指具有各种特性并且更具体地包括防水特性的一种类型的聚合物。如参考一些示例性实施例在本文中所使用的词语“车辆”可以涉及各种类型的车辆中的任一种，诸如轿车、货车、运动型多用途车、卡车、电动车辆、汽油车辆、混合动力车辆和自主车辆。该词语也可以同样适用于其他类型的交通工具，诸如例如飞机、火车和船只。
16.图1示出了根据本公开的实施例的向电子总成(未示出)提供emi屏蔽和散热的塑料外壳100的第一示例性实施例。塑料外壳100可以用于各种应用，诸如例如通信设备、军事设备、民用设备和消费电子装置，并且可以安装在各种类型的运输工具(船、飞机、火车、汽车等)中。电子总成可以是各种类型的部件中的任一种，诸如例如印刷电路板总成(pcba)、电子总成和/或电子模块。应当理解，在一些应用中，塑料外壳100可以被配置为容纳电子总成，但是可以替代地被配置为容纳任何其他类型的部件。例如，在另一种情况下，塑料外壳
100可以被配置为容纳机械部件。
17.在一个示例性实现方式中，塑料外壳100可以安装在车辆的发动机舱中并且容纳一个或多个电子总成，诸如例如发动机控制器电路板或气候控制电路板。在另一个示例性应用中，塑料外壳100可以安装在车辆的发动机舱中并且被配置和容纳机械部件。
18.塑料外壳100可以使用各种类型的材料以各种方式来制造。在一个示例性实现方式中，塑料外壳100可以通过在基础材料111上执行单次注塑成型程序来制造。基础材料111可以是提供导电特性和导热特性的组合的聚合物。在另一个示例性实现方式中，塑料外壳100可以通过在基础材料111和护套材料上执行二次注塑成型程序来制造。可以通过使基础材料111成型，然后将护套材料包覆成型在基础材料111上来执行二次注塑成型程序。
19.聚合物，特别是合成聚合物，诸如塑料、尼龙和通常是较差的电导体，但确实提供一定程度的热绝缘。例如，尼龙由于具有高表面电阻率和高体积电阻率(各约为10
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ohms/cm)，因此可以用作电绝缘体。一些热塑性塑料提供差的导热率，并且因此可以用作热绝缘体。例如，一种类型的聚合物的导热率约为0.25w/m.k。所述材料可以用于期望热绝缘的地方。
20.用于形成塑料外壳100的基础材料111可以是已经被改性以提供导电特性以及导热特性的基础聚合物。基础聚合物可以是各种类型的聚合物中的任一种，诸如例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚丙烯或聚乙烯。将碳材料引入到基础聚合物中赋予基础聚合物以允许电流通过改性的基础聚合物传播的导电率特性。将石墨材料引入到基础聚合物赋予基础聚合物导热率特性，所述导热率特性允许通过改性的基础聚合物进行热传递。
21.可以基于引入到基础聚合物中的碳材料的量来调整通过改性基础聚合物(基础材料111)传播的电流的大小。更大量的碳材料允许更高的导电率，反之亦然。可以基于引入到基础聚合物中的石墨量来调整通过改性基础聚合物发生的热传递量。更大量的石墨允许通过改性的基础聚合物进行更大的热传递，反之亦然。
22.由基础材料111提供的高电流传导率和高导热率的组合可以用于需要此类组合的各种应用中。在根据本公开的一个示例性应用中，基础材料111可以用于将电磁干扰(emi)电流传导到地面，并且将热量从对象传导出去。emi电流可能由于电子电路总成的emi辐射而产生，所述电子电路总成定位成靠近基础材料111或与基础材料111接触。基础材料111的高导热率可以用于将热量从定位成靠近基础材料111或与基础材料111接触放置的电子电路总成传导出去。
23.在根据本公开的示例性实施例中，基础材料111通过将指定数量的石墨烯纳米结构和指定数量的碳纳米结构引入基础聚合物(诸如例如低密度聚乙烯、低密度聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)和/或聚醚醚酮(peek))中来配制。
24.在根据本公开的一些应用中可能希望使用单个石墨烯纳米结构层，以便获得高水平的操作性能。然而，成本考虑因素可能决定使用多于一个石墨烯纳米结构层，诸如例如2至4层。被称为grapheneblack
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(由制造)的可商购版本的石墨烯可平均具有约8至10个石墨烯纳米结构层。
25.在根据本公开的一些应用中，石墨烯纳米结构层可以通过剥离天然石墨烯(而不是合成石墨烯)来以剥离的石墨纳米片(xgnp)的形式产生。剥离的石墨纳米片的尺寸可以在约1微米至约100微米的直径范围内，并且层数可以在约3层至约50层的范围内。
26.引入到基础聚合物中以便配制基础材料111的碳纳米结构可以以各种形式来提供。在示例性应用中，可以使用被称为athlos
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碳纳米结构(由lockheed 开发并由销售)的可商购版本的碳纳米结构。碳纳米结构的制造过程可以包括使用催化剂在诸如玻璃纤维或玻璃球的基板上生长单壁碳纳米管。所得产物具有交联和支化的碳纳米管的独特形态，所述交联和支化的碳纳米管以高导电性电气通路层的形式分支。高导电性电气通路由碳层的碳薄片与石墨烯层的石墨烯薄片连接而形成。
27.图1所示的示例性塑料外壳100包括壳体部分110和盖子105。在一个示例性实现方式中，壳体部分110可以通过在基础材料111上执行单次注塑成型程序来制造。在另一个示例性实现方式中，壳体部分110可以通过执行二次注塑成型程序来制造，所述二次注塑成型程序包括将基础材料111成型为符合壳体部分110的第一形状并将护套材料包覆成型在基础材料111上。可以通过在单次注塑成型程序中使用基础材料111或在二次注塑成型程序中使用基础材料111和护套材料的组合来类似地制造盖子105。
28.密封件115可以设置在壳体部分110的整个边沿上。在示例性实施例中，密封件115通过在可压缩且具有防水特性的聚合物上执行单次注塑成型程序来制造。在该实施例的示例性实现方式中，密封件115可以通过在诸如热塑性弹性体(tpe)、热塑性聚氨酯(tpu)、热塑性硫化橡胶(tpv)和/或一些其他类型的柔性材料上执行单次注塑成型程序来制造。在另一个示例性实现方式中，密封件115可以由金属(例如编织金属垫圈)、导电泡沫材料和/或导电橡胶化合物制成。密封件115可以通过各种方式中的任一种保持在边沿上的适当位置，所述方式诸如例如通过施加粘合剂和/或通过将密封件115放置在设置在边沿上的凹槽或沟道中。
29.通过将盖子105放置在密封件115上并使用各种附接元件(诸如例如一组螺钉、夹子和/或粘合剂)中的任一种，可以将盖子105附接到壳体部分110。可以操作螺钉和/或夹子以使盖子105朝向壳体部分110的边沿移动。将盖子105朝向壳体部分110的边沿移动致使密封件115压缩并形成防水密封，其防止水或湿气进入其中安装pcba的壳体部分110的内部区段。
30.壳体部分110的内部区段可以包括用于安装电子总成(或任何其他类型的总成)的各种类型的安装构件中的任一种。在该示例性实施例中，诸如例如印刷电路板总成(pcba)的电子总成(未示出)可以安装在设置在壳体部分110的底座表面上的一组支座元件120上。在该示例性实现方式中示出了四个支座元件120。然而，在其他实现方式中，可以提供少于或多于四个支座元件。支座元件120中的每一个是壳体部分110的一体成型的零件，并且在壳体部分110的单次注塑成型期间形成。因此，支座元件120中的每一个包含与壳体部分110中存在的相同的基础材料111。基础材料111中的碳纳米结构和石墨烯纳米结构的存在使得支座元件120中的每一个是导电的以及导热的。
31.壳体部分110还可以包括连接器125，所述连接器可以包括一个或多个连接器管脚，诸如例如连接器管脚126。在典型的应用中，连接器125可以包括多个管脚，所述多个管脚提供例如到安装在支座元件120上的pcba的信号连接和电源连接。在其他实施例中，可以提供其他类型的连接器和其他类型的连接器管脚。
32.图2示出了沿着图1所示的轴线a-a'的塑料外壳100的第一示例性实现方式的剖视图。该第一示例性实现方式涉及根据本公开通过在基础材料111上采用单次注塑成型程序
来制造壳体部分110和盖子105中的每一者。在该实现方式中不使用护套材料。一组螺钉(诸如例如金属螺钉210)可以用于将pcba 205锚固在该组支座元件120上。pcba 205可以包括pcba 205的顶表面和/或底表面上的接地层，在这里金属螺钉210(以及一个或多个其他此类螺钉)与pcba 205接触。当锚固在该组支座元件120上时，在金属螺钉210、pcba 205的接地层和壳体部分110的基础材料111之间形成电流路径。
33.壳体部分110的底部主表面112可以被放置成与接地平面(例如，车辆的金属底盘)接触，以便为pcba 205的接地层提供接地。可能存在于pcba 205中的不期望的电流(诸如由emi引起的那些)被有效地接地，从而保护pcba 205免受不利的emi影响。选择塑料外壳100的基础材料111的导电率特性以提供这种emi屏蔽能力。
34.将盖子105附接到壳体部分110产生pcba 205所在的封闭的内部区段。封闭的内部区段可以作为法拉第笼操作，从而最小化或消除emi对pcba 205的影响，并且还可以最小化或消除可能在pcba 205中产生的从塑料外壳100辐射出去的任何emi。
35.塑料外壳100还用作散热器，所述散热器将可能由pcba 205产生的热量的至少一部分传送走。热量可以从pcba 205传导出来并经由该组支座元件和壳体部分110传导出塑料外壳100。由pcba 205辐射的热量也可以传导通过塑料外壳100并远离pcba 205。选择塑料外壳100的基础材料111的导热率特性以提供这种散热能力。
36.在该示例性实现方式中，连接器125是塑料外壳100的一体形成部分，并且在单次注塑成型程序期间被制造为壳体部分110的一部分。连接器管脚126可以以各种方式连接到pcba 205，诸如例如通过电线215，或者通过将连接器管脚126直接焊接到pcba 205。
37.图3示出了沿着图1所示的轴线a-a'的塑料外壳100的第二示例性实现方式的剖视图。该第二示例性实现方式涉及通过在基础材料111和护套材料313上采用二次注塑成型程序来制造壳体部分110和盖子105中的每一者。护套材料313以阴影线格式示出。可以通过使基础材料111成型为符合壳体部分110的形状，然后将护套材料313包覆成型在基础材料111上来执行二次注塑成型程序。在该实施例中，壳体部分110可以通过将基础材料111成型为符合壳体部分110的第二形状来制造，所述第二形状不同于上面参考图2所述的第一形状。盖子105可以通过以下方式来制造：将基础材料111成型为符合盖子105的形状(在该示例中为矩形)，然后将护套材料313包覆成型在基础材料111的上部主表面302上。
38.在该实施例中，壳体部分110包括延伸穿过护套材料313并暴露于外部元件的一些或全部支座元件120的一部分。在该配置中，每个支座元件120的底表面312可以被放置成与诸如例如车辆的底盘之类的表面接触。可能由pcba 205产生的热量传导通过与支座元件120接触的pcba 205的接地层并且传送到车辆的底盘中。emi电流(如果有的话)也可以传导通过支座元件120并进入车辆的底盘。
39.连接器125是塑料外壳100的一体形成部分，并且在二次注塑成型程序期间被制造为壳体部分110的一部分。在该实现方式中，连接器管脚126被封装在护套材料313内部。在一些情况下，可以在制造塑料外壳100之后插入围绕管脚126的密封件。在其他情况下，密封件可以在软的非导电塑料等中围绕管脚126成型。可以选择护套材料313以提供防水，并且可以进一步选择为电绝缘体。护套材料313的电绝缘特性允许在连接器125中提供多个连接器管脚，而不会引起连接器管脚之间的电短路。
40.图4示出了表征可以用于制造根据本公开的塑料外壳100的某些材料的示例性曲
线图400。示例性曲线图400的y轴指示基础材料的体积电阻率。x轴指示基础材料中的碳纳米结构的百分比量。在曲线图400下方示出的图形405与根据电阻率变化的基础材料的各种特性有关。可以通过将各种量的碳纳米结构引入到基础材料中来改变电阻率。就特性而言，图形405指示电阻率小于1000ohm-cm的材料可以被认为适用于电磁屏蔽。
41.参考曲线图400，可以理解，含有0.5％碳纳米结构的基础材料具有约800ohm-cm的电阻率并且可能适用于静电屏蔽应用。含有2％碳纳米结构的基础材料具有约36ohm-cm的电阻率，并且可以用于低温加热应用。含有4％碳纳米结构的基础材料具有约3.9ohm-cm的电阻率，并且可以用于低功率电气总线应用。
42.在根据本公开的示例性实现方式中，本文参考各种示例性实施例描述的基础材料111可以是含有12％的剥离的石墨烯纳米结构和1％的碳纳米结构的组合的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)基础材料。具有这种组成的基础材料111提供约100ohm-cm的体积电阻率(如虚线圆圈401所示)。更一般地，引入到基础材料中的碳纳米结构的第一数量可以在第一聚合物(诸如pet)的约0.5％至约4％的范围内，并且石墨烯纳米结构(或剥离石墨)的第一数量可以在第一聚合物的约1％至约20％的范围内。
43.图5示出了根据本公开的实施例的用于制造塑料外壳100的示例性方法的流程图500。流程图500中指示的操作的顺序不意图被解释为限制，并且任何数量的所描述的操作可以以不同的顺序执行、省略、以任何顺序组合和/或并行执行。以下描述可以参考图1至图3所示的某些部件和对象，但应理解，这样做是出于解释本公开的某些方面的目的，并且所述描述同样适用于根据本公开的许多其他实施例。
44.在框505处，将基础材料(诸如例如基础材料111)成型为符合壳体部分110的形状。壳体部分110的形状可以基于塑料外壳100所用于的应用类型并且还基于壳体部分110的材料组成而变化。如上所述，在一个示例性实现方式(图2所示)中的壳体部分110完全由基础材料以不包括外涂层的单次注塑成型程序制成。在该第一实现方式中，壳体部分110的形状可以符合图6所示的形状600。
45.在另一个示例性实现方式(图3所示)中的壳体部分110使用基础材料111和护套材料313的组合以二次注塑成型程序来制造，其中护套材料作为外涂层施加到基础材料。在该第二实现方式中，壳体部分110的形状可以符合图7所示的形状700。
46.在框510处，用护套材料包覆成型被成型为符合壳体部分110的形状的基础材料，在不使用护套材料的情况下执行单次注塑成型程序时可以删除所述框510。
47.在框515处，在壳体部分110的边沿上制造密封件，诸如例如上述密封件115。
48.在框520处，制造盖子，诸如例如盖子105。制造可以涉及将基础材料成型为符合盖子的形状，在盖子105的情况下，盖子的形状是矩形。
49.在框525处，用护套材料包覆成型被成型为符合盖子105的形状的基础材料，在不使用护套材料的情况下执行单次注塑成型程序时可以删除所述框525。
50.在作为任选步骤的框530处，可以将pcba(诸如例如pcba 205)在塑料外壳100的壳体部分110内安装在支座元件120上。该步骤可以包括操作一个或多个螺钉，诸如例如金属螺钉210，并且还可以涉及在连接器管脚126与pcba 205之间提供连接(诸如通过焊接电线215)。
51.除了提供热和电的益处之外，塑料外壳100还可以提供各种机械益处和成本益处。
例如，与金属外壳相比，塑料外壳100可以具有较低的重量和较低的制造成本，并且还可以具有符合车辆中各种空间限制的复杂形状。例如，塑料外壳100可以具有复杂的形状以适应各种类型的pcba和其他部件在车辆的发动机舱或底盘的受限部分中的安装。
52.在以上公开中，已经参考了形成以上公开的一部分的附图，附图示出了其中可实践本公开的具体实现方式。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可利用其他实现方式，并且可进行结构改变。说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例实施例”、“示例实施例”等的引用指示所描述的实施例可包括特定特征、结构或特性，但是每一个实施例可能不一定包括特定特征、结构或特性。此外，此类短语不一定指相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确地描述，本领域技术人员都将认识到结合其他实施例的此类特征、结构或特性。
53.尽管上文已经描述了本公开的各种实施例，但应理解，这些实施例仅通过示例而非限制的方式呈现。相关领域的技术人员将明白，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可做出形式和细节上的各种改变。因此，本公开的广度和范围不应受到任何上述示例性实施例的限制，而是应仅根据所附权利要求和其等效物限定。已经出于说明和描述目的而呈现了前述描述。前述描述不意图是详尽的或将本公开限制于所公开的精确形式。根据以上教导，许多修改和变化是可能的。此外，应注意，任何或所有上述替代实现方式可以以期望的任何组合使用以形成本公开的附加混合实现方式。例如，相对于特定装置或部件描述的任何功能可以通过另一个装置或部件来执行。另外，尽管已经描述了具体装置特性，但本公开的实施例可能涉及许多其他装置特性。此外，尽管已用特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了实施例，但是应理解，本公开不一定受限于所描述的具体特征或动作。而是，将特定特征和动作公开为实现实施例的说明性形式。除非另外特别说明，或者在所使用的上下文中另外理解，否则尤其诸如“能够”、“可以”、“可能”或“可”等条件语言通常意图传达，某些实施例可包括某些特征、元件和/或步骤，而其他实施例可以不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，此类条件语言一般并不意图暗示一个或多个实施例无论如何都需要各特征、元件和/或步骤。
54.在本发明的一个方面，所述方法包括：制造密封件，所述制造包括将第三聚合物成型在所述壳体部分的边沿上，所述第三聚合物具有在所述壳体部分与所述盖子之间提供防水密封的可压缩特性。
55.根据一个实施例，本发明的特征还在于：制造所述外壳的盖子，所述制造包括将所述第二聚合物成型为符合所述盖子的形状；以及制造密封件，所述制造包括将第三聚合物成型在所述壳体部分的边沿上，所述第三聚合物具有在所述壳体部分与所述盖子之间提供防水密封的可压缩特性。
56.根据一个实施例，所述壳体部分的所述形状包括支座元件的形状，所述方法还包括：将所述支座元件成型为所述壳体的一体形成部分。
57.根据一个实施例，本发明的特征还在于：将印刷电路板总成(pcba)安装在所述外壳的所述壳体部分内部，所述pcba具有与所述支座元件接触的金属平面；以及将所述支座元件连接到所述外壳外部的接地节点以将所述pcba接地。
58.根据一个实施例，所述壳体部分的所述形状符合被配置用于将所述外壳安装在车辆的底盘上的形状。