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使用低成本基板降低電子印刷產品成本
 

【作者: Marian Rebros】   2018年06月01日 星期五

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聚酯纖維:經過驗證的印刷電路基板材料

製造商可以利用先進的印刷電子(PE)技術將功能材料應用到塑膠薄膜上,從而達到降低成本的目的,柔性和輕質聚酯(PET)基板是適合許多種應用的可靠選擇,而且整體成本較傳統印刷電路板(PCB)或柔性印刷電路(FPC)技術更低。


用於高階和中階應用的傳統電路

在電子產品中使用的蝕刻銅PCB提供了許多優點,包括卓越的機械完整性、導電性和可靠性,然而剛性結構限制了設計的靈活性。隨著電子器件尺寸的減小和形狀的不斷變化,FPC解決方案比多氯聯苯具有優勢,因為它們是可彎曲的,能夠充分利用三維空間,同時保留了PCB的某些理想性能特徵,然而FPC的成本高於傳統的PCB。



圖1 : 傳統銅蝕刻電路
圖1 : 傳統銅蝕刻電路

PCB和FPC的製造都涉及到減法製程,首先是一層聚醯亞胺或一種FR(玻璃纖維增強環氧基板)電介質粘在一層銅上。導電路徑會先被掩蓋,然後使用濕化學方法腐蝕不需要的銅,只留下所需的電路。在大多數情況下,基材上很多銅物料都會被消除,因此材料的利用率很低。如要增加兩個以上的訊號層,還需要額外的步驟,例如疊層熱壓、鑽孔和電鍍過程。多層電路可能涉及40多個程序步驟。由於採用濕化學過程,因此蝕刻的銅製設備也需要昂貴的水過濾和廢水處理系統。


儘管存在這些挑戰,PCB仍然是嚴苛應用的理想標準,以傳統方式製造的PCB板電子產品的性能仍然高於印刷電子產品這種替代解決方案,然而許多產品不需要PCB的高端性能,大多數電子產品需要相對較低的中檔性能。在這些情況下,印刷電路提供了一個可行的替代方案。


經濟型印刷電子產品提供多功能性和節約成本

在越來越多要求較低功能性的實際應用中,印刷電子(PE)可以成為PCB或FPC技術的經濟型替代品。顧名思義,PE結合了傳統的印刷功能,將機能性油墨印刷到一個製造電子電路的基板上,機能性油墨通過單張紙或捲筒紙印刷製程選擇性地沉積在基板上,然後這些墨水被加熱或利用紫外光固化。如果需要多個訊號層,就會經過多次的印刷和烘烤。銀電路印刷製程非常高效率,毋須使用刺激性化學物質,也不會產生任何廢物,僅需要把電路中所需要的材料進行精確印刷,廢物少,所以效益很高。



圖2 : 印刷電路技術的演變(圖左至右:PCB、FPC及PE 技術)
圖2 : 印刷電路技術的演變(圖左至右:PCB、FPC及PE 技術)

現時有多種用於印刷的常見沉積方法。網版印刷(screen printing)是目前最流行的PE製造方法,可用於應用厚度均勻的機能層。對於更高的輸出要求,可以使用彈性凸版印刷(flexography)、凹版印刷(rotogravure)或旋轉螢幕來使用連續的卷對卷 (R2R) 過程。彈性凸版印刷提供了比網版印刷更薄油墨層的高解析度印刷。凹版印刷是一個成本較高的過程,它具有優勢,特別是在高速高解析度模式的大面積電子產品。


一些R2R的多階段印刷系統提供混合解決方案,在一個印刷線結合多種沉積方法。生產速度快是R2R系統的主要優點,有些過程的速度可達每分鐘1000英尺,但是,速度可以根據材料和印刷精度的不同而變化,特別是如果需要列印多層印刷油墨。通過註冊(Pass to pass registration)是確保最終產品具有恰當功能的關鍵。一般來說,較慢的印刷速度會產生更均勻的材料層和更好的註冊公差,R2R過程對於高通量生產也是最有效的,因為這種生產需要一個更長的設置時間,並且需要更多的油墨和基板。



圖3 : 針對大量PE產品製作流程的卷對卷(R2R) 方式
圖3 : 針對大量PE產品製作流程的卷對卷(R2R) 方式

最近在功能材料和製造能力方面的發展,使印刷電子產品在更廣泛的應用領域變得更加通用和實用。導體、絕緣體(介質)和半導體構成了大多數印刷電子系統的功能材料。這些材料中含有無機和有機物質,這些物質能使它們的功能發揮作用。導電墨水可以包含銀、碳或銅粒子,此外,還有聚合物粘合劑和溶劑等其他部件。可以利用各種添加劑來影響油墨的沉積能力和功能特性。


導電微粒或填料有多種不同的尺寸或化學結構,直接影響液體油墨和乾印刷層的性能。傳統的填充物在尺寸上比較大,因此在印刷200微米以下的小部件時,是一個限制因素。多年來,油墨製造商已經能夠降低填充劑的尺寸,並微調油墨系統的組成,使其能夠可靠地列印低於50微米的導電痕跡。低電阻銀油墨的發展,為各種低功率低轉速訊號的應用提供了一個特別有效的電路。


PET基板的進展

印刷電子產品的另一個獨特之處是能夠使用更經濟的基板。在傳統電子電路中,聚醯亞胺是一種受歡迎的柔性基板,具有很高的熱穩定性和尺寸穩定性,然而它的價格高,限制了它在許多產品應用的使用。在製造過程中,傳統的PCB和FPC基板必須滿足一定的要求才能耐高溫,並且具有耐腐蝕和電鍍槽的化學物質,在印刷電子產品中使用的基板不需要如此苛刻的條件,因此PET是一個很好的基礎材料選擇。


以機能性油墨印刷的聚酯(PET)基板,已證實可實質用於範圍更廣的應用,這些應用需要柔軟並能彎曲的電路,以適應狹窄的空間或相應的應用領域;NFC印刷智慧標籤利用了這些屬性,創建了一個超薄的設備,它只是比典型的紙質標籤稍微突出一些;雖然採用PCB板的設備在平面上的應用是有限的,但印刷設備可以符合各種幾何圖形,增加潛在應用可能性。



圖4 : NFC溫度標籤
圖4 : NFC溫度標籤

PET基板可在多種產品中使用,根據最終的應用方向,可以選擇透明的、半透明的或帶厚度小於0.18mm的白色版本。在決定PET技術之前,其他的考慮因素包括材料的選擇、加工參數以及利用表面安裝技術(SMT)添加電子元件等後印刷過程;經過特殊處理的聚酯類型可以在不同的級別上提供穩定的印刷表面,並加強油墨和基板之間的粘合,這些處理促進粘連,防止油墨在印刷電路模式時擴散,這在列印細線時尤其有用。


PET 粘合材料和過程

目前生產的大多數聚乙烯可以被稱為混合技術,部分電路被列印出來,而其他功能部件則採用傳統的SMT過程整合,改進的導電粘合材料允許製造商在PET上附加細螺距組件,傳統焊料回流過程允許附件的電子元件(二極體、電容器、電阻、積體電路等)聚醯亞胺和其他包銅基板抵受超過+ 200°C的溫度,由於聚酯在這些溫度下降解,另一種選擇是使用導電環氧樹脂,在恆定溫度下固化,但限制了可能粘合的組分的類型。



圖5 : SMT 元件:(左)聚醯亞胺上的FPC、(右)聚酯上的PE
圖5 : SMT 元件:(左)聚醯亞胺上的FPC、(右)聚酯上的PE

強化的粘合材料現在允許微處理器和其他半導體元件的連接,通過傳統的回流焊製程,其間距為0.50mm,標準的零件貼著和回流設備用於將表面安裝元件與印刷的銀電路連接起來,在較低溫度下回流處理可滿足PET加工參數;作為表面安裝過程的最後一步,可以在元件上放置一個可彎曲的封裝材料,固化後,使焊點更耐振動和機械衝擊。


發掘印刷電路的更多機會

生產製程的選擇,以及基材(FR、聚醯亞胺或聚酯)的選擇,均視乎應用而定,每個基板都有獨特的設計優勢、製造成本和操作限制。耐溶劑和熱穩定的PET提供了一種靈活的替代品,在多氯聯苯中使用的剛性FR基板和一個更划算的替代聚醯亞胺基FPC,PET薄膜可以有很好的平衡加工特性,包括溫度電阻、性能和成本。


在薄膜開關面板的應用中,PET基板上印製的銀電路已有多年經驗。現在,他們越來越多地擴展到汽車、醫療、商業感測器、射頻識別和NFC支援的產品、穿戴式設備、物聯網和其他應用領域的電子應用領域。技術整合商正在將PE解決方案應用於新產品和現有產品,用於製造印刷電子產品的材料和技術的發展,將繼續在這一領域開創更多的機會。


(本文作者Marian Rebros為Molex印刷電路解決方案製程工程師)


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