JP2014156100A - 金属と樹脂の一体成形品 - Google Patents

Abstract

【課題】二色射出成形によって製造され、広い周波数帯域に亘って良好な電磁波シールド性を備えた金属と樹脂の一体成形品を提案すること。
【解決手段】金属と樹脂の一体成形品１Ａでは、金属成形部３の金属材料による第１電磁波シールド特性と、金属成形部３に配合されている第１添加剤５による第２電磁波シールド特性と、樹脂成形部４に配合されている第２添加剤６による第３電磁波シールド特性とによって、全体の電磁波シールド特性が決定される。第１、第２添加剤５、６は、それぞれ別個の成形部に配合されており、相互に影響し合って、それ自身の特性が劣化することがないので、広帯域に亘って優れた電磁波シールド特性を呈する。
【選択図】図１

Description

本発明は、二色射出成形法を用いて製造された、金属成形部および樹脂成形部が熱融着により一体化された構成の一体成形品に関する。特に、電磁波シールド性および放熱性が必要とされる部品に用いるのに適した金属と樹脂の一体成形品に関する。

車載部品、電子機器等において、パワー半導体モジュール、発光ダイオード等のマウント基板、ＩＣパッケージ等の部品には、電磁シールド性、放熱性、剛性が要求される。また、このような部品の外周面には所定の加飾性が要求される場合もある。

特許文献１、２には、二色射出成形法を用いて、金属層および樹脂層が一体形成された構成の複合成形品を製造する方法が提案されている。特許文献１においては、所定の電磁波シールド性を備えた添加剤が混合分散された熱可塑性樹脂と、融点の低い金属を用いて複合成形品を製造することで、添加剤および金属によって所定の電磁波シールド性を備えた複合成形品を得るようにしている。

特開平０３−１４０２３７号公報 特開２００４−２２３９８０号公報

このような複合成形品においては、良好な電磁波シールド性が得られる周波数帯域に制約があり、目標とする周波数帯域、あるいは、より広範な周波数帯域で良好な電磁波シールド性を得ることが困難であるという課題がある。

電磁波シールド用樹脂にシールド性フィラーを添加する場合において、例えば、カーボンは０．１〜１０００ＭＨｚ帯域の電磁波シールド性に適しており、フェライトは３０ＭＨｚ〜４０ＧＨｚ帯域の電磁波シールド性に適している。したがって、双方のフィラーを樹脂に配合して、メガヘルツ帯域からギガヘルツ帯域に亘る広範な電磁波シールド性を備えた複合成形品を製造することが考えられる。

しかしながら、双方のフィラーを樹脂に配合した場合には、樹脂の中での双方のフィラーの分散性が阻害され、広範な電磁波シールド性が得られないばかりでなく、メガヘルツ帯域、ギガヘルツ帯域の双方においても十分な電磁波シールド性が得られない。電磁波が樹脂内の導電性のフィラーを通過する際には、それらの表面での反射と内部での吸収とによる減衰が与えられる。異なる特性のフィラーがこのような複雑な挙動を呈し、相互に影響を及ぼし合うことで、所期の電磁波シールド性が得られないものと推察される。

このように、従来の金属と樹脂の複合成形品では、高い周波数帯域であるギガヘルツ帯域に亘る広い周波数帯域の電磁波に対して、良好な減衰特性を確保することが容易ではない。

また、従来の複合成形品では、低い周波数帯域の電磁波に対して高い減衰特性を与えることが難しい。このため、従来では、電磁波シールド用シートを複合成形品に積層するか、あるいは、別の磁気シールド機構を併用している。

一方、複合成形品においては、放熱特性を改善する場合においても、放熱性素材からなるフィラーまたは粉末が添加剤として樹脂に配合される。この場合、複合成形品の樹脂成形部分は全体として放熱特性が付与される。このため、部分的に放熱、断熱を行うことができず、断熱が必要とされる部位に不要な熱伝導が行われてしまう等の不具合が発生するおそれがある。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、低い帯域から高い帯域に亘る広い周波数帯域において良好な電磁波シールド性を備えた金属と樹脂の一体成形品を提案することにある。

また、本発明の課題は、広い帯域に亘る電磁波シールド性を備えていると共に、必要な部位に所望の放熱性あるいは断熱性を備えた金属と樹脂の一体成形品を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の金属と樹脂の一体成形品は、
二色射出成形によって金属成形部および樹脂成形部が熱融着されて一体化した複合成形体を備え、
前記金属成形部は、第１添加剤が混合分散された金属材料から形成され、
前記樹脂成形部は、前記第１添加剤とは異なる素材からなる第２添加剤が混合分散された熱可塑性樹脂材料から形成され、
前記金属材料は第１電磁波シールド特性を備え、
前記第１添加剤は第２電磁波シールド特性を備え、
前記第２添加剤は第３電磁波シールド特性を備えていることを特徴としている。

本発明の金属と樹脂の一体成形品では、金属成形部の金属材料による第１電磁波シールド特性と、金属成形部に配合されている第１添加剤による第２電磁波シールド特性と、樹脂成形部に配合されている第２添加剤による第３電磁波シールド特性とによって、全体の電磁波シールド特性が決定される。第１、第２添加剤は、それぞれ別個の成形部に配合されており、相互に影響し合って、それ自身の特性が劣化することがない。よって、広帯域に亘る優れた電磁波シールド特性を備えた一体成形品を得ることができる。また、金属材料、第１、第２添加剤を適切に選択することにより、所望の帯域の電磁波シールド特性に優れた一体成形品を得ることができる。

ここで、前記金属材料として、２５０℃以下の融点を備えた金属あるいは合金が用いられる。前記樹脂材料として、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ポリスチレン、ポリアセタール、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンのうちのいずれか一つを用いることができる。また、前記第１添加剤として、カーボン、フェライト、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素マグネシウム、酸化マグネシウム、炭化ケイ素のうちのいずれか一つからなる繊維状あるいは粉末状の添加剤を用いることができる。前記第２添加剤として、カーボン、フェライト、アラミド樹脂、ガラスのうちのいずれか一つからなる繊維状あるいは粉末状の添加剤を用いることができる。

この場合、金属材料、樹脂材料、第１および第２添加剤を適切に組み合わせることにより、前記金属成形部を、熱伝導率が５〜１６０Ｗ／ｍ・ｋの放熱部とすることができ、前記樹脂成形部を、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・ｋ以下の断熱部とすることができる。前記金属成形部に、前記複合成形体の外周面に露出させた放熱面を設けておくことにより、放熱性に優れた一体成形品を得ることができる。

また、放熱部である金属成形部の一部によって、断熱部である樹脂成形部を分離することにより、一体成形品の必要な部分に放熱部および断熱部のそれぞれを形成することができる。

本発明を適用した電磁波シールド性を備えた金属と樹脂の一体成形品の実施の形態を示す概略断面図である。 一体成形品の別の例を示す概略断面図である。 本発明を適用した放熱性を備えた金属と樹脂の一体成形品の実施の形態を示す概略断面図である。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した金属と樹脂の一体成形品（以下、単に「一体成形品」と呼ぶ場合もある。）の実施の形態を説明する。

［実施の形態１：電磁波シールド性を備えた一体成形品］
図１は、電磁波シールド性を備えた一体成形品を示す概略断面図である。本実施の形態に係る一体成形品１Ａは、二色射出成形法によって成形された複合成形体２を備えている。複合成形体２は、金属成形部３および樹脂成形部４が熱融着されて一体化された構成のものである。金属成形部３には、所定量の第１添加剤５が混合分散されている。樹脂成形部４には、第１添加剤５とは異なる素材からなる所定量の第２添加剤６が混合分散されている。

複合成形体２は、例えば、一定厚さの板材であり、矩形の本体板部分２ａと、本体板部分２ａの四周縁から裏面側に直角に折れ曲がっている外周板部分２ｂとを備えている。複合成形体２の表面側の部分は金属成形部３によって形成され、その裏面側の部分は樹脂成形部４によって形成されている。これにより、複合成形体２の本体板部分２ａの表面２ｃおよび外周板部分２ｂの外側面２ｄに、金属成形部３が露出している。また、本体板部分２ａの裏面２ｅおよび外周板部分２ｂの内側面２ｆに、樹脂成形部４が露出している。複合成形体２の裏面側を向く一定幅の矩形枠状の端面２ｇは、その外側半分に金属成形部３が露出し、その内側半分に樹脂成形部４が露出している。複合成形体２の表面、裏面等に所定の仕上げ加工が施されて、一体成形品１Ａとなっている。

ここで、金属成形部３は、所謂、低融点の金属材料から形成されている。一般的には、２５０℃以下の融点を備えた金属あるいは合金を用いる。また、樹脂成形部４の樹脂材料は、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ポリスチレン、ポリアセタール、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンのうちのいずれか一つを用いることが望ましい。これ以外の熱可塑性樹脂を用いることも可能である。

一方、第１添加剤５および第２添加剤６のそれぞれとしては、ガラス、カーボン、セラミックス、ポリマーのうちの一つからなる繊維状あるいは粉末状の添加剤を用いることができる。具体的には、第１添加剤５として、カーボン、フェライト、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素マグネシウム、酸化マグネシウム、あるいは、炭化ケイ素からなる繊維状（フィラー）あるいは粉末状の添加剤を用いることができる。第２添加剤６として、カーボン、フェライト、アラミド樹脂、あるいは、ガラスからなる繊維状（フィラー）あるいは粉末状の添加剤を用いることができる。

例えば、金属成形部３には、低融点金属に第１添加剤５としてカーボン繊維（フィラー）あるいはカーボン粉末が所定の割合で配合されている。樹脂成形部４には、熱可塑性樹脂に第２添加剤６としてフェライト繊維（フィラー）あるいはフェライト粉末が所定の割合で添加されている。

この構成によれば、第１、第２添加剤５、６同士が、それぞれの電磁波シールド特性を阻害しないので、低い帯域から高い帯域に亘って良好な電磁波シールド特性を備えた一体成形品１Ａが得られる。本例の場合には、カーボンは０．１〜１０００ＭＨｚ帯域の電磁波シールド性に優れ、フェライトは３０ＭＨｚ〜４０ＧＨｚ帯域の電磁波シールド性に優れている。これらの間の帯域の電磁波シールド性は、金属成形部３の金属材料によって得られる。したがって、図１において実線および破線の矢印で示すように、異なる帯域の電磁波がそれぞれ、金属成形部３および樹脂成形部４のそれぞれによって確実に反射される。よって、一体成形品１Ａは、０．１ＭＨｚ〜４０ＧＨｚの広範囲の周波数帯域に亘って良好な電磁波シールド性を呈する。

なお、本例では、一体成形品１Ａの表面側に金属成形部３が積層され、裏面側に樹脂成形部４が積層されている。逆に、一体成形品１Ａの表面側に樹脂成形部４が積層され、裏面側に金属成形部３が積層された構成を採用することも可能である。

（実施の形態１の変形例）
次に、図２は図１の電磁波シールド用の一体成形品１Ａの変形例を示す説明図である。図２に示す一体成形品１Ｂの基本構成は図１の一体成形品１Ａと同様であるので、対応する部位には同一の符号を付し、それらの部位に説明は省略する。

一体成形品１Ｂの金属成形部３Ａには、表面２ｃの側から厚さ方向に直角に延びて裏面２ｅに至る一定厚さの仕切部３ａが形成されている。仕切部３ａの裏面側の先端面３ｂは裏面２ｅに露出している。樹脂成形部４Ａは、仕切部３ａによって左右に分離された部分４ａおよび４ｂを備えている。これらの部分４ａ、４ｂは、裏面２ｅに露出しており、仕切部３ａの先端面３ｂと同一平面上に位置している。

この構成の一体成形品１Ｂでは、図２において矢印で示すように、金属成形部３Ａによってシールドできない周波数帯域の電磁波が仕切部３ａを介して表面側から裏面側、あるいは裏面側から表面側に通過可能である。したがって、必要な帯域の電磁波を透過でき、不要な電磁波をシールドできる選択的な電磁波シールド特性を備えたシールド板を実現できる。

［実施の形態２：放熱性を備えた一体成形品］
図３は、本発明を適用した放熱性を備えた一体成形品を示す概略断面図である。一体成形品１０の断面構成は図２に示す一体成形品１Ｂと同一である。

すなわち、一体成形品１０は、二色射出成形法によって成形された複合成形体１２を備えている。複合成形体１２は、金属成形部１３Ａおよび樹脂成形部１４Ａが熱融着されて一体化された構成のものである。金属成形部１３Ａには、所定量の第１添加剤１５が混合分散されている。樹脂成形部１４Ａには、第１添加剤１５とは異なる素材からなる所定量の第２添加剤１６が混合分散されている。

複合成形体１２の金属成形部１３Ａは、例えば、一定厚さの板材であり、矩形の本体板部分１２ａと、本体板部分１２ａの四周縁から裏面側に直角に折れ曲がっている外周板部分１２ｂとを形成している。これにより、複合成形体１２の本体板部分１２ａの表面１２ｃおよび外周板部分１２ｂの外側面１２ｄに、金属成形部１３Ａが露出している。金属成形部１３Ａの裏面側には樹脂成形部１４Ａが充填され、平坦な裏面１２ｅが形成されている。

金属成形部１３Ａには、表面１２ｃの側から厚さ方向に直角に延びて裏面１２ｅに至る一定厚さの仕切部１３ａが形成されている。仕切部１３ａの裏面側の先端面１３ｂは裏面１２ｅに露出している。樹脂成形部１４Ａは、仕切部１３ａによって左右に分離された部分１４ａおよび１４ｂを備えている。これらの部分１４ａ、１４ｂは、裏面１２ｅに露出しており、仕切部１３ａの先端面１３ｂと同一平面上に位置している。

金属成形部１３Ａは、所謂、低融点の金属材料から形成されている。一般的には、２５０℃以下の融点を備えた金属あるいは合金を用いる。また、樹脂成形部１４Ａの樹脂材料は、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ポリスチレン、ポリアセタール、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンのうちのいずれか一つを用いることが望ましい。これ以外の熱可塑性樹脂を用いることも可能である。

一方、金属成形部１３Ａに配合される第１添加剤１５は、当該金属成形部１３Ａの放熱性を高めるために用いる放熱性を備えた添加剤である。例えば、カーボン、フェライト、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素マグネシウム、あるいは、酸化マグネシウムからなる繊維状（フィラー）あるいは粉末状の添加剤を用いることができる。

一方、樹脂成形部１４Ａに配合される第２添加剤１６は、当該樹脂成形部１４Ａの断熱性を高めるために用いる所定の断熱性を備えた添加剤である。例えば、カーボン、フェライト、アラミド樹脂あるいはガラスからなる繊維状（フィラー）あるいは粉末状の添加剤を用いることができる。

金属成形部１３Ａに用いる低融点金属材料および第１添加剤１５として、適切な素材のものを組み合わせることにより、金属成形部１３Ａの熱伝導率を、５〜１６０Ｗ／ｍ・ｋの放熱部とすることができる。また、樹脂成形部１４Ａに用いる熱可塑性樹脂および第２添加剤１６として、適切な素材のものを組み合わせることにより、樹脂成形部１４の熱伝導率を０．５Ｗ／ｍ・ｋ以下の断熱部とすることができる。

このように構成された一体成形品１０では、放熱部である金属成形部１３Ａが表面１２ｃ、外側面１２ｄに露出しており、これらの表面が放熱面として機能する。また、外周板部分１２ｂの裏面側の端面および仕切部１３ａの裏面側の先端面１３ｂは裏面側に露出している。したがって、これらの露出面から裏面側において発生した熱が金属成形部１３Ａに伝わり、金属成形部１３Ａを介して表面側に放出される。したがって、一体成形品１０の裏面側で発生する熱を効率良く表面側に放出できる。

また、断熱部である樹脂成形部１４Ａは、金属成形部１３Ａの一部である仕切部１３ａによって左右に分断され、相互に孤立した部分１４ａ、１４ｂとなっている。一体成形品１０の裏面側において、これらの断熱性の部分１４ａ、１４ｂに対峙している部位には、熱が伝わることなく、熱遮断状態に維持される。したがって、一体成形品１０の裏面側に配置された発熱部品からの熱を、金属成形部１３Ａを介して効率良く外部に放出でき、熱遮断状態に保持すべき部品を樹脂成形部１４Ａによって確実に熱遮断状態に維持できる。

さらに、実施の形態１で説明したように、金属成形部１３Ａに所定の電磁波シールド特性を付与し、樹脂成形部１４Ａにも、添加した第２添加剤１６によって所定の電磁波シールド特性を付与できる。また、仕切部１３ａを介して所定帯域の電磁波を透過させることができる。したがって、優れた放熱・遮断性と、優れた電磁波遮断・透過特性を備えた一体成形品を得ることができる。

なお、図１に示すように、金属成形部１３Ａおよび樹脂成形部１４Ａを積層した状態の一体成形品を製造することも可能である。

［その他の実施の形態］
上記の実施の形態１、２において、二色射出成形により、金属成形部と樹脂成形部を確実に一体化するためには、金属成形部と前記樹脂成形部の収縮率の差が少ないことが望ましい。例えば、収縮率の差が０．１％以下であることが望ましい。

これに加えて、金属成形部と樹脂成形部の熱線膨張率の差も少ないことが望ましい。例えば、熱線膨張率の差が、１×１０^−５以下であることが望ましい。

この場合において、金属成形部に配合される第１添加剤としては、カーボン、フェライト、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素マグネシウム、あるいは、酸化マグネシウムからなる繊維状（フィラー）あるいは粉末状の添加剤を用いることが望ましい。

また、樹脂成形部に配合される第２添加剤としては、カーボン、フェライト、アラミド樹脂あるいはガラスからなる繊維状（フィラー）あるいは粉末状の添加剤を用いることが望ましい。

１Ａ，１Ｂ，１０ 一体成形品
２，１２ 複合成形体
２ａ，１２ａ 本体板部分
２ｂ，１２ｂ 外周板部分
２ｃ，１２ｃ 表面
２ｄ，１２ｄ 外側面
２ｅ，１２ｅ 裏面
２ｆ，１２ｆ 内側面
２ｇ，１２ｇ 端面、
３，３Ａ，１３Ａ 金属成形部
３ａ，１３ａ 仕切部
３ｂ，１３ｂ 先端面
４，４Ａ，１４Ａ 樹脂成形部
５，１５ 第１添加剤
６，１６ 第２添加剤

Claims (9)

1. 二色射出成形によって金属成形部および樹脂成形部が熱融着されて一体化した複合成形体を備え、
   前記金属成形部は、第１添加剤が混合分散された金属材料から形成され、
   前記樹脂成形部は、前記第１添加剤とは異なる素材からなる第２添加剤が混合分散された熱可塑性樹脂材料から形成され、
   前記金属材料は第１電磁波シールド特性を備え、
   前記第１添加剤は第２電磁波シールド特性を備え、
   前記第２添加剤は第３電磁波シールド特性を備えていることを特徴とする金属と樹脂の一体成形品。
2. 前記金属材料は、２５０℃以下の融点を備えた金属あるいは合金であり、
   前記樹脂材料は、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ポリスチレン、ポリアセタール、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトンのうちのいずれか一つであり、
   前記第１添加剤および前記第２添加剤のそれぞれは、ガラス、カーボン、セラミックス、ポリマーのうちの一つからなる繊維状あるいは粉末状の添加剤である請求項１に記載の金属と樹脂の一体成形品。
3. 前記第１添加剤は、カーボン、フェライト、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素マグネシウム、酸化マグネシウム、炭化ケイ素のうちのいずれか一つからなる繊維状あるいは粉末状の添加剤であり、
   前記第２添加剤は、カーボン、フェライト、アラミド樹脂、ガラスのうちのいずれか一つからなる繊維状あるいは粉末状の添加剤である請求項２に記載の金属と樹脂の一体成形品。
4. 前記第１添加剤および前記第２添加剤の一方は、カーボンからなる繊維状あるいは粉末状の添加剤であり、
   前記第１添加剤および前記第２添加剤の他方は、フェライトからなる繊維状あるいは粉末状の添加剤である請求項３に記載の金属と樹脂の一体成形品。
5. 前記金属成形部は、熱伝導率が５〜１６０Ｗ／ｍ・ｋの放熱部であり、
   前記樹脂成形部は、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・ｋ以下の断熱部であり、
   前記金属成形部は、前記複合成形体の外周面に露出している放熱面を備えている請求項３または４に記載の金属と樹脂の一体成形品。
6. 前記金属成形部と前記樹脂成形部の収縮率の差が０．１％以下であり、
   前記金属成形部と前記樹脂成形部の熱線膨張率の差が１×１０^−５以下であることを特徴とする請求項３ないし５のうちのいずれか一つの項に記載の金属と樹脂の一体成形品。
7. 前記複合成形体は板状のものであり、
   前記複合成形体の厚さ方向に前記金属成形部および前記樹脂成形部が積層され、
   前記複合成形体の表面には、前記金属成形部および前記樹脂成形部の一方が露出し、
   前記複合成形体の裏面には、前記金属成形部および前記樹脂成形部の他方が露出している請求項１ないし６のうちのいずれか一つの項に記載の金属と樹脂の一体成形品。
8. 前記金属成形部は、前記複合成形体の表面および外周面に露出しており、
   前記樹脂成形部は、前記複合成形板の裏面に露出している請求項７に記載の金属と樹脂の一体成形品。
9. 前記金属成形部は、前記厚さ方向に沿って前記表面から前記裏面まで延びる少なくとも一つの仕切部を備え、
   前記樹脂成形部は、前記仕切部によって分断されている請求項７または８に記載の金属と樹脂の一体成形品。

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