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使用低成本基板降低电子印刷产品成本
 

【作者: Marian Rebros】2018年06月01日 星期五

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聚酯纤维:经过验证的印刷电路基板材料

制造商可以利用先进的印刷电子(PE)技术将功能材料应用到塑胶薄膜上,从而达到降低成本的目的,柔性和轻质聚酯(PET)基板是适合许多种应用的可靠选择,而且整体成本较传统印刷电路板(PCB)或柔性印刷电路(FPC)技术更低。


用于高阶和中阶应用的传统电路

在电子产品中使用的蚀刻铜PCB提供了许多优点,包括卓越的机械完整性、导电性和可靠性,然而刚性结构限制了设计的灵活性。随着电子器件尺寸的减小和形状的不断变化,FPC解决方案比多氯联苯具有优势,因为它们是可弯曲的,能够充分利用三维空间,同时保留了PCB的某些理想性能特征,然而FPC的成本高于传统的PCB。



图1 : 传统铜蚀刻电路
图1 : 传统铜蚀刻电路

PCB和FPC的制造都涉及到减法制程,首先是一层聚醯亚胺或一种FR(玻璃纤维增强环氧基板)电介质粘在一层铜上。导电路径会先被掩盖,然后使用湿化学方法腐蚀不需要的铜,只留下所需的电路。在大多数情况下,基材上很多铜物料都会被消除,因此材料的利用率很低。如要增加两个以上的讯号层,还需要额外的步骤,例如叠层热压、钻孔和电镀过程。多层电路可能涉及40多个程序步骤。由于采用湿化学过程,因此蚀刻的铜制设备也需要昂贵的水过滤和废水处理系统。


尽管存在这些挑战,PCB仍然是严苛应用的理想标准,以传统方式制造的PCB板电子产品的性能仍然高于印刷电子产品这种替代解决方案,然而许多产品不需要PCB的高端性能,大多数电子产品需要相对较低的中档性能。在这些情况下,印刷电路提供了一个可行的替代方案。


经济型印刷电子产品提供多功能性和节约成本

在越来越多要求较低功能性的实际应用中,印刷电子(PE)可以成为PCB或FPC技术的经济型替代品。顾名思义,PE结合了传统的印刷功能,将机能性油墨印刷到一个制造电子电路的基板上,机能性油墨通过单张纸或卷筒纸印刷制程选择性地沉积在基板上,然后这些墨水被加热或利用紫外光固化。如果需要多个讯号层,就会经过多次的印刷和烘烤。银电路印刷制程非常高效率,毋须使用刺激性化学物质,也不会产生任何废物,仅需要把电路中所需要的材料进行精确印刷,废物少,所以效益很高。



图2 : 印刷电路技术的演变(图左至右:PCB、FPC及PE 技术)
图2 : 印刷电路技术的演变(图左至右:PCB、FPC及PE 技术)

现时有多种用于印刷的常见沉积方法。网版印刷(screen printing)是目前最流行的PE制造方法,可用于应用厚度均匀的机能层。对于更高的输出要求,可以使用弹性凸版印刷(flexography)、凹版印刷(rotogravure)或旋转萤幕来使用连续的卷对卷 (R2R) 过程。弹性凸版印刷提供了比网版印刷更薄油墨层的高解析度印刷。凹版印刷是一个成本较高的过程,它具有优势,特别是在高速高解析度模式的大面积电子产品。


一些R2R的多阶段印刷系统提供混合解决方案,在一个印刷线结合多种沉积方法。生产速度快是R2R系统的主要优点,有些过程的速度可达每分钟1000英尺,但是,速度可以根据材料和印刷精度的不同而变化,特别是如果需要列印多层印刷油墨。通过注册(Pass to pass registration)是确保最终产品具有恰当功能的关键。一般来说,较慢的印刷速度会产生更均匀的材料层和更好的注册公差,R2R过程对于高通量生产也是最有效的,因为这种生产需要一个更长的设置时间,并且需要更多的油墨和基板。



图3 : 针对大量PE产品制作流程的卷对卷(R2R) 方式
图3 : 针对大量PE产品制作流程的卷对卷(R2R) 方式

最近在功能材料和制造能力方面的发展,使印刷电子产品在更广泛的应用领域变得更加通用和实用。导体、绝缘体(介质)和半导体构成了大多数印刷电子系统的功能材料。这些材料中含有无机和有机物质,这些物质能使它们的功能发挥作用。导电墨水可以包含银、碳或铜粒子,此外,还有聚合物粘合剂和溶剂等其他部件。可以利用各种添加剂来影响油墨的沉积能力和功能特性。


导电微粒或填料有多种不同的尺寸或化学结构,直接影响液体油墨和干印刷层的性能。传统的填充物在尺寸上比较大,因此在印刷200微米以下的小部件时,是一个限制因素。多年来,油墨制造商已经能够降低填充剂的尺寸,并微调油墨系统的组成,使其能够可靠地列印低于50微米的导电痕迹。低电阻银油墨的发展,为各种低功率低转速讯号的应用提供了一个特别有效的电路。


PET基板的进展

印刷电子产品的另一个独特之处是能够使用更经济的基板。在传统电子电路中,聚醯亚胺是一种受欢迎的柔性基板,具有很高的热稳定性和尺寸稳定性,然而它的价格高,限制了它在许多产品应用的使用。在制造过程中,传统的PCB和FPC基板必须满足一定的要求才能耐高温,并且具有耐腐蚀和电镀槽的化学物质,在印刷电子产品中使用的基板不需要如此苛刻的条件,因此PET是一个很好的基础材料选择。


以机能性油墨印刷的聚酯(PET)基板,已证实可实质用于范围更广的应用,这些应用需要柔软并能弯曲的电路,以适应狭窄的空间或相应的应用领域;NFC印刷智慧标签利用了这些属性,创建了一个超薄的设备,它只是比典型的纸质标签稍微突出一些;虽然采用PCB板的设备在平面上的应用是有限的,但印刷设备可以符合各种几何图形,增加潜在应用可能性。



图4 : NFC温度标签
图4 : NFC温度标签

PET基板可在多种产品中使用,根据最终的应用方向,可以选择透明的、半透明的或带厚度小于0.18mm的白色版本。在决定PET技术之前,其他的考虑因素包括材料的选择、加工参数以及利用表面安装技术(SMT)添加电子元件等后印刷过程;经过特殊处理的聚酯类型可以在不同的级别上提供稳定的印刷表面,并加强油墨和基板之间的粘合,这些处理促进粘连,防止油墨在印刷电路模式时扩散,这在列印细线时尤其有用。


PET 粘合材料和过程

目前生产的大多数聚乙烯可以被称为混合技术,部分电路被列印出来,而其他功能部件则采用传统的SMT过程整合,改进的导电粘合材料允许制造商在PET上附加细螺距组件,传统焊料回流过程允许附件的电子元件(二极体、电容器、电阻、积体电路等)聚醯亚胺和其他包铜基板抵受超过+ 200°C的温度,由于聚酯在这些温度下降解,另一种选择是使用导电环氧树脂,在恒定温度下固化,但限制了可能粘合的组分的类型。



图5 : SMT 元件:(左)聚??亚涞上的FPC、(右)聚窬上的PE
图5 : SMT 元件:(左)聚??亚涞上的FPC、(右)聚窬上的PE

强化的粘合材料现在允许微处理器和其他半导体元件的连接,通过传统的回流焊制程,其间距为0.50mm,标准的零件贴着和回流设备用于将表面安装元件与印刷的银电路连接起来,在较低温度下回流处理可满足PET加工参数;作为表面安装过程的最后一步,可以在元件上放置一个可弯曲的封装材料,固化后,使焊点更耐振动和机械冲击。


发掘印刷电路的更多机会

生产制程的选择,以及基材(FR、聚醯亚胺或聚酯)的选择,均视乎应用而定,每个基板都有独特的设计优势、制造成本和操作限制。耐溶剂和热稳定的PET提供了一种灵活的替代品,在多氯联苯中使用的刚性FR基板和一个更划算的替代聚醯亚胺基FPC,PET薄膜可以有很好的平衡加工特性,包括温度电阻、性能和成本。


在薄膜开关面板的应用中,PET基板上印制的银电路已有多年经验。现在,他们越来越多地扩展到汽车、医疗、商业感测器、射频识别和NFC支援的产品、穿戴式设备、物联网和其他应用领域的电子应用领域。技术整合商正在将PE解决方案应用于新产品和现有产品,用于制造印刷电子产品的材料和技术的发展,将继续在这一领域开创更多的机会。


(本文作者Marian Rebros为Molex印刷电路解决方案制程工程师)


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