Procesy a materiály pre 3D tlač flexibilných PCB

Procesy a materiály pre 3D tlač flexibilných PCB
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  6609 zobrazení
2
 0
Výrobné postupy a návody

Tlačená elektronika zahŕňa obrovské množstvo produktov, z ktorých niektoré ani nevnímame. Komponenty ako senzory, displeje, štítky RFID a dokonca aj textílie sú len niekoľkými kategóriami inovatívnych zariadení, ktoré sa vyrábajú na ohybných materiáloch a ilustrujú konštrukčný potenciál integrácie do štandardných ohybných materiálov PCB. V súčasnosti návrhári flexibilných dosiek využívajú 3D tlač, nesúvisiaci výrobný proces, a používajú ju na vytváranie zložitejších typov komponentov.

3D tlač využíva elektricky funkčný atrament na vytvorenie elektronických prvkov, ako sú kondenzátory, rezistory a dokonca tranzistory na ohybnom substráte. Metódy nanášania aerosólu alebo kvapôčok atramentu komercializujú výrobcovia 3D tlačiarní na výrobu pevných dosiek plošných spojov vo výrobnom prostredí, ale rovnaká technológia sa dá použiť na vytváranie flexibilnej tlačenej elektroniky. V tomto článku sú uvedené technológie tlače a materiály používané pri výrobe tlačenej elektroniky.

Prečo flexibilná tlačená elektronika?

Trh s tlačenou elektronikou rýchlo rastie a očakáva sa, že v rokoch 2020 až 2025 sa jeho podiel zvýši približne o 20 miliárd USD. Flexibilná tlačená elektronika otvorila dvere nespočetným novým možnostiam v širokom spektre priemyselných aplikácií vrátane medicíny, automobilového a leteckého priemyslu, textilu, priemyslu 4.0, internetu vecí atď. Teraz, keď sú nové výrobné techniky dostupnejšie, by mohli mať konštruktéri prístup k týmto nástrojom na účely prototypovania alebo malosériovej výroby.

Najprv sa budeme venovať širokej triede materiálov používaných v 3D tlačenej elektronike. Materiály pre flexibilnú tlačenú elektroniku sú rozdelené do dvoch oblastí: izolačné substráty a vodivé farby.

Substráty

Materiál substrátu určuje výkon a požadované vlastnosti flexibilnej tlačenej elektroniky a dosiek plošných spojov. Okrem zrejmej potreby flexibility musí byť substrát schopný udržať vodivú vrstvu materiálu a pôsobiť ako izolant. Polyimid je jedným z bežných materiálov, ktorý sa už používa v ohybných DPS, ale môže sa použiť aj ako substrát pre 3D tlačené ohybné DPS. Polyimidová fólia pri zahrievaní nezmäkne, napriek tomu zostáva po termosetovaní pružná.

Okrem polyimidu medzi ďalšie materiály, ktoré možno použiť ako substrát pre ohybnú tlačenú elektroniku, patria:

  • Polyestery
  • PTFE (polytetrafluóretylén)
  • PEN (polyetylénnaftalát)
  • Iné polyméry, ktoré sa môžu rozpúšťať v rozpúšťadlách, vrátane polovodičových polymérov

Tlačové atramenty

Tlačiarenské atramenty používané v procese tlače sa zvyčajne skladajú zo spojív, rozpúšťadiel, prísad a funkčných prvkov. Najčastejšie používaným kovovým funkčným materiálom v tlačiarenských atramentoch je striebro, zatiaľ čo polovodičové atramenty môžu obsahovať oxid zinočnatý a oxid titaničitý. Atramenty používané v 3D tlačiarňach pre elektronické zariadenia sú špecializované a nie sú univerzálne kompatibilné s každou tlačiarňou. Naopak, viskozita a vlastnosti aerosólových trysiek týchto materiálov musia byť starostlivo navrhnuté, aby sa zabezpečila konzistentná depozícia a výťažnosť zariadenia.

Procesy tlače flexibilnej elektroniky

Procesy 3D tlače musia byť prispôsobené konkrétnym materiálom a tlačovým strojom. Existujú dve široké triedy procesov 3D tlače používaných pri výrobe elektroniky: nárazová a beznárazová tlač.

Nárazová tlač

Ako už názov napovedá, nárazová tlač si vyžaduje tlačovú formu (alebo všeobecnejšie "nosič obrazu", ako sa uvádza v literatúre), ktorá prenáša obraz na podklad. Niektoré príklady nárazovej tlače sú:

Sieťotlač - Jednoduchá forma 3D tlače, sieťotlače majú gumovú šablónu, šablónu a plátno s predlohou návrhu. Obrazovka sa skladá buď z plastových vlákien, kovových vlákien, alebo z prírodného hodvábneho materiálu. Sieťotlač možno použiť na tlač lacných plošných spojov pre elektronické zariadenia s malým alebo žiadnym odpadom materiálu, ale len v štandardných 2D plošných formátoch. Proces sieťotlače si vyžaduje vysoko viskózny atrament, ktorý má značnú koncentráciu pevných funkčných materiálov.

Flexografia - ide o rotačnú nepriamu tlačiarenskú metódu s vysokým výkonom, ktorá je v podstate zmenšenou verziou sieťotlače. Pri rovnakom rozlíšení dokáže poskytnúť rôzne hrúbky farby. Atramenty kompatibilné s flexografiou však nie sú ľahko dostupné a táto technika sa bežne nepoužíva pri tlači flexibilnej elektroniky na priemyselnej úrovni. Táto technika je väčšinou vo fáze výskumu a vývoja.

Hlbkotlač - Hlbkotlačou sa získavajú vysokokvalitné výtlačky s použitím farieb s nízkou viskozitou. Vzor / obraz obvodu sa vygravíruje na oceľový hĺbkotlačový valec potiahnutý meďou. Tento valec sa ponorí do zásobníka s atramentom, kým nie je riadne pokrytý atramentom. Oceľový nôž, známy ako "skalpel" nôž, odstráni z hĺbkotlačového valca všetok prebytočný atrament, aby sa zabezpečil presný prenos obrazu na podkladový materiál. Hlbkotlačový valec prenáša farbu na substrát pod vysokým tlakom.

Vo všetkých uvedených prípadoch sa môže použiť hotový polyimid bez tlače alebo sa môže vytlačiť iný materiál substrátu priamo z vhodnej 3D tlačiarne.

Bez nárazová tlač

Tieto metódy nevyžadujú tlačovú formu ani nosič obrazu a do kontaktu so substrátom prichádza len depozičný materiál. Tým sa znižuje riziko kontaminácie a poškodenia substrátu a zarovnanie vzoru je presnejšie. V prípade flexibilnej tlačenej elektroniky existujú dva dominantné tlačové procesy: atramentová tlač a aerosólová tlač.

Atramentová tlač - pri tejto technológii sa na tlač vzoru nepoužívajú žiadne fyzické nosiče obrazu. Namiesto toho sa používa pohyblivá tlačová hlava, ktorá na substrát rozprašuje kvapky atramentu. Používa sa tekutý atrament s nízkou viskozitou. Atramentová tlač je najvhodnejšia pre aplikácie, ktoré si vyžadujú organické polovodičové farby alebo farby s nanočasticami. Je to pomalý proces a priepustnosť je veľmi nízka, ale pri použití dielektrického atramentu na substrát možno vytlačiť celý výrobok s takmer akoukoľvek štruktúrou.

Príklad atramentovej 3D tlačiarne nanášajúcej aktívne materiály na substrát.

Aerosólová tlač - farba sa rozprašuje v rozprašovači a potom sa nanáša na substrát riadeným prúdom. Ide o nízkoteplotný proces, ktorý si poradí so širokou škálou materiálov a substrátov. Tento proces sa dá tiež rozšíriť, aby spĺňal požiadavky na veľkovýrobu. Touto technikou je možná aj trojrozmerná tlač, pretože prúd častíc možno riadiť a zamerať v smere osi z.

Ďalšie informácie o aditívnych procesoch pre PCB

Aditívne spracovanie v oblasti flexibilnej tlačenej elektroniky výrazne napreduje a 3D tlač je len jednou z technológií používaných na výrobu aditívne vyrábanej elektroniky. Na výrobu pevných a ohybných DPS s malou šírkou čiar a vysokou hustotou čiar sa používajú ďalšie chemické procesy, ako napríklad semiaditívne spracovanie. Tieto možnosti spracovania sú v súčasnosti k dispozícii u niektorých najmodernejších výrobcov, ale časom sa dostanú aj k tradičným poskytovateľom výroby a budú široko dostupné pre viacerých konštruktérov.

Zdroje :

Tan, H. W. a kol. "Farby s kovovými nanočasticami na 3D tlač elektroniky". Advanced Electronic Materials 5, no. 5 (2019): 1800831. [Odkaz].
Wiklund, J., et al. "A review on printed electronics: Vplyv na životné prostredie: výrobné metódy, atramenty, substráty, aplikácie a vplyv na životné prostredie." Journal of Manufacturing and Materials Processing 5, no. 3 (2021): 89. [Odkaz].

Informácia : Pokiaľ sa vám článok páčil, informácie v ňom boli pre vás užitočné a máte záujem o viac takýchto článkov, podporte drobnou sumou jeho autora. Ďakujeme
Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 250.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

       

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vaša reklama na tomto mieste

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo

ourpcb Promo

PCBWay Promo

ourpcb Promo

PCBWay Promo

ourpcb Promo


Webwiki Button