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未来电子产品的外形:弧形、可弯曲、可拉伸、三维立体

二月 20, 2019 | I-Connect007
未来电子产品的外形:弧形、可弯曲、可拉伸、三维立体

如今电子产品可无缝集成到弧形、可弯曲,甚至可拉伸的表面中,主要是由于多种市场的需求,如汽车(仪表盘、照明、传感器),智能建筑(照明外墙、空气质量、太阳能光伏板),医疗(健康贴片、X射线、分析)和智能服装(位置跟踪,运动)。对于需要轻便、占用空间小、舒适、易于集成等特性的产品,可以大大提升用户体验。此外,此类型产品应该采用经济合理,耗材更少的工艺,并且技术应该与物联网(IoT)发展路线图保持一致。

图1:在膜上卷对卷印制电路,最高速度可达每分钟60米

印制电子产品概念

印制电子产品可在聚合物薄膜上生成印制电路,为应用提供智能表面,利用传统的图形印制技术(如丝网印制和喷墨印制)在片式或卷式铜箔上形成电路。

印制电子产品的一个明显优势是生产效率很高。例如,Holst Centre的卷对卷丝网印制设备,最高运行速度可达每分钟60米,可直接在卷上形成无缝电路(图1和图2)。金属油墨的光子烧结允许在约130℃的受控温度下保持高运行速度,以防止箔熔化。与卷对卷印制相结合,贴装设备可以将电子元件放置在卷上。导电粘合剂通常用作互连。

图2:膜上卷对卷印制电路

可以通过交替印制导电层和介电层来形成交叉走线和导通孔,这些层可以保持类似PCB结构,只是现在是在卷上生成电路。所有聚合物箔材料都是适合于作为印制电子产品的基材。 用于印制电子器件的已知基材有聚酯,例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、环烷酸聚乙烯酯(PEN)、橡胶类材料(热塑性聚氨酯或TPU),还有纸。 这些材料的成本较低,是印制电子产品的第二大优势。

印制电子产品的第三大优势是能够改变PCB的外形。 通过弯曲、轧制、切割和层压,箔易于成形为所需形状。通过这种方式,电子产品可以很容易地集成到诸如衣服、建筑和可穿戴应用中。

印制可以做到无缝,其PCB的尺寸只受到卷的长度和宽度限制。 在Holst中心印制LED箔,长度可达300米,宽度可达30厘米。 LED箔的间距为5厘米,可用作室内应用的壁纸光源。

印制电子产品技术

作为一个成熟的行业,PCB生产遵循高度标准化的程序和设计规则,形成了稳定可靠的混合制造工艺。 用PET挠性薄膜代替聚酰亚胺和FR-4等基材会给这个行业带来冲击。 目前,印制电子产品中的银线可以在行业验证的工艺条件下实现金属银导电性的10%~20%,并且线宽/线距为150/150微米。据报道,导电率为金属银的20%~40%、油墨可拉伸、线宽/线距为20/20微米的印制电子产品正在研发中。

越来越多的电子功能可以通过印制实现。包括电阻、温度和压力传感器以及触觉功能。其他功能 ,如微控制器、电池和电容也可以使用传统的贴装设备集成在挠性电路中。 通常可以通过点涂或印制沉积各向同性或各向异性导电粘合剂实现互连。不久的将来将实现在箔状基材上组装箔状元器件。 这些元器件有OLED、TFT芯片和基于箔的电池等。

从2D到3D的印制电子产品

最近,已经出现了可拉伸的油墨,可以生产出可拉伸的电子产品。这些油墨可以承受10%至50%的变形,将这些油墨印制在可成形基材上可令PCB变形却不会损坏结构。

可依据周围的环境要求而制造出薄而舒适的电子产品,并集成到衣服和贴片中。比如在服装里集成传感器、太阳能电池和显示器。含电子元件的服装既要穿着舒适,同时又要经受洗涤测试,如需要克服橡胶的滞后现象,以及其互连性能需完全可承受拉伸等,这类服装已经通过验证,完成了可拉伸电子产品的技术挑战。

对于有极端要求的产品外形,这些材料也可用于制造可热成型或模制电子产品。 这些电子产品完成平面制造,再形成所需的形状。电路和图形图案印制在像聚碳酸酯这样的基材上。 同样,采用传统的贴装设备组装电气元器件,然后再将整个组件成型为所需的形状,之后可以将其压铸成最终产品。 因此,可以以更具成本效益的方式生产仪表盘或消费品等物品(图3)。

图3:用于汽车应用的热成型中控器,包括电容式触摸、OLED集成和NFC读出

最后,整个结构可以3D打印。复合材料允许组合导电和结构材料,并且能够设计三维电子产品。

印制电子产品概述

业界要求将智能功能集成到许多产品上,同时,需要更具成本效益以及大批量生产以满足市场需求,尤其是在物联网应用中。印制电子产品可能是推动物联网发展的关键因素,因为它们可在卷对卷生产的挠性材料上实现印制和分立元器件组装的完美组合。

未来电子产品的变化趋势将是从平面到三维。 可拉伸电子技术、可热成型电子技术、模制电子技术和3D打印已经被用于创建3D电子产品。

图4:在热成型为3D产品之前印制在平板上的电路

作者简介:CornéRentrop是Holst Centre的项目经理,Holst Centre是一家位于荷兰的独立研发中心,致力于开发自主无线传感器技术和挠性电子技术。从2005年成立之初,霍尔斯特中心就开始涉足挠性电子产品领域。

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