Was ist das Design gedruckter Elektronik?

Was ist das Design gedruckter Elektronik? Die Antwort ist einfach: Es handelt sich um Elektronikdesign. Sie nutzen Schaltungstheorien, mathematische Berechnungen und computerbasierte Simulationen für das Elektronikdesign. Sie entwerfen die elektrische Funktionalität und Leistung für ein Produkt unter Verwendung von Materialien für gedruckte Elektronik. Die Materialien sind der Schlüsselpunkt, da die für gedruckte Elektronik verwendeten Materialien andere elektrische Leistungsmerkmale aufweisen als die in traditionellen PCBs verwendeten. Darüber hinaus werden Elektronikkomponenten auf unterschiedliche Weise mit Materialien für gedruckte Elektronik gebaut. Es ist allgemein bekannt, wie Leiterbahnen auf PCBs hergestellt werden. Zuerst entwirft ein Elektronikingenieur sie, definiert Abmessungen basierend auf den elektrischen Anforderungen, und nachdem das Design fertig ist, werden die Fertigungsdateien freigegeben.

In der Fertigung wird das PCB gemäß den Design-Dateien hergestellt, indem elektrische Schaltungen auf das Kupfer eines PCBs kopiert werden, zum Beispiel durch das Belichten von UV-lichtempfindlichem Fotolackfilm mit UV-Licht. Dann wird das Kupfer, das nicht dem UV-Licht ausgesetzt wurde, weggeätzt. Das Ergebnis ist eine Leiterbahn, wie entworfen. Ihre Abmessungen sind korrekt und sie erfüllt die elektrischen Anforderungen. In der gedruckten Elektronik müssen wir dieselben Ergebnisse erzielen, aber mit neuen Designregeln, Materialien und Fertigungsmethoden.

Eingänge und Ausgänge im Design gedruckter Elektronik sind grundsätzlich die gleichen wie im PCB-Design. Der Trick zwischen Eingang und Ausgang ist ebenfalls derselbe: Elektronikdesign. Sie müssen Materialinformationen und Designregeln in Ihren Designprozess einbeziehen, und das Ergebnis sind Fertigungsdateien. Die gleichen physikalischen Gesetze gelten im Elektronikdesign von PCBs und gedruckter Elektronik und diese setzen die Grenzen dessen, was möglich ist. Zwei Schaltkreise, einer hergestellt durch PCB und der andere durch gedruckte Elektronik, können genau die gleiche Funktionalität haben, aber die Schaltungsdesigns sehen anders aus und sind es tatsächlich auch. Dies liegt an den physischen Fähigkeiten und Einschränkungen des in elektrischen Schaltkreisen verwendeten Materials. In beiden Schaltkreisen benötigen Sie Spannungsunterschiede, die über Impedanzen angelegt werden, um Strom fließen zu lassen. Um denselben Stromfluss in beiden Schaltkreisen zu erreichen, müssen die Impedanzen auf dasselbe Niveau angepasst oder schaltungsspezifische Spannungspegel eingestellt werden. Diese Parameter müssen wir typischerweise im Design gedruckter Elektronik anpassen. Wir suchen nach optimalen Lösungen, indem wir Impedanzen feinabstimmen und korrekte Spannungspegel einstellen.

In der Elektronikentwicklung ist es wesentlich, die Materialeigenschaften des Endprodukts zu kennen. Bei PCBs kennt man die Kupferdicke, den Schichtwiderstand, dessen thermische Eigenschaften, die dielektrische Konstante des PCB-Materials usw. Genau dieselben Parameter müssen Sie auch von gedruckter Elektronik kennen. Was ist die endgültige Dicke des Silbertintenleiters, was ist sein Quadratwiderstand, was ist die dielektrische Konstante des Substratmaterials? Sie führen Elektronikdesign für diese neuen Materialien durch. Ohmsches Gesetz, Kirchhoffsche Regeln der Schaltungstheorie und Maxwellsche Gleichungen sind auch in der gedruckten Elektronik anwendbar. Es gibt Hunderte verschiedener leitfähiger Tinten auf dem Markt, jede mit einer einzigartigen Quadratresistivität. Einige Tinten haben eine hohe Leitfähigkeit (die typischerweise immer noch viel mehr als reines Kupfer ist), aber nach dem Aushärten können diese sich überhaupt nicht mehr dehnen. Andere Tinten können nach dem Aushärten gedehnt werden, aber die Leitfähigkeit ist noch schlechter. In der Elektronikentwicklung ist es wesentlich zu verstehen, was der Quadratwiderstand der verwendeten Tinte nach dem endgültigen Aushärten ist.

Ein weiteres Designproblem ist, dass die Materialparameter bei gedruckter Elektronik von der verwendeten Produktion abhängen. Die Methode, wie Sie leitfähige Tinten drucken, wie Sie diese aushärten, wie andere gedruckte Tinten unter dem Leiter liegen, beeinflusst als Beispiel den endgültigen Quadratwiderstand. Wenn Sie die Produktion ändern, müssen Sie möglicherweise Ihr Layout-Design ändern. Oder die Produktion muss entsprechend den elektrischen Schaltungsanforderungen Ihres Designs festgelegt werden. Es ist äußerst wichtig, dass Sie wissen, wie die Herstellung von gedruckter Elektronik erfolgt. Dies macht bei PCBs keinen Unterschied, Sie müssen wissen, wie diese gebaut werden und was die Grenzen dieser speziellen Produktion sind, aber bei PCBs sind die Herstellungsmethoden standardisierter und jede Herstellung ist im Grunde ähnlich mit leichten Fähigkeitsunterschieden. Bei gedruckter Elektronik sind wir noch nicht auf diesem Niveau.

Leitfähige Tinten können mit verschiedenen Methoden gedruckt werden. Die am häufigsten verwendeten Methoden sind Siebdruck und Tintenstrahldruck, und mit einer Google-Suche können Sie viele weitere finden. Das Wichtigste in Bezug auf den Druckprozess ist, die Fertigungsmöglichkeiten und deren Grenzen zu verstehen. Welchen minimalen Abstand müssen Sie zwischen den Leiterbahnen haben? Wie viele leitfähige Schichten können Sie verwenden? Was sind die minimalen und maximalen Breiten für Leiterbahnen? Machen Sie sich mit den Designregeln der Produktion, die Sie verwenden werden, vertraut und prüfen Sie das Design anhand dieser Regeln. Viele in PCB-Design-Tools verfügbare Designregeln können so wie sie sind im Design gedruckter Elektronik mit korrekten Regeldefinitionen verwendet werden. Wenn die Fertigung Designregeln umfasst, die vom Elektronik-Design-Tool nicht unterstützt werden, bedeutet dies, dass Sie eine manuelle Designregelprüfung durchführen müssen. Wenn Sie beispielsweise mehrere leitfähige Schichten verwenden können, die durch gedruckte Dielektrika isoliert sind, bedeutet dies, dass Sie genau dieselbe Designregel zwischen den Leiterbahnen der 1. und 2. leitfähigen Schicht haben wie bei Leiterbahnen, die auf derselben Schicht gedruckt sind. Und dies wird von standardmäßigen PCB-Design-Tools nicht unterstützt.

Außerdem benötigen gedruckte Elektroniken Komponenten, um funktionsfähig zu sein, und das Montieren von Komponenten auf gedruckten Elektronikschaltungen ist kein standardmäßiger Lötprozess. Typische Materialien, die in der gedruckten Elektronik verwendet werden, sind Kunststoffe, was bedeutet, dass deren thermische Eigenschaften im Vergleich zu PCBs oder FPCs anders sind. Das bedeutet auch, dass die Klebstoffmaterialien anders sind. Niedrigtemperatur-Lote, leitfähige Klebstoffe oder andere Klebematerialien sind typisch für die gedruckte Elektronik SMA und diese können einen speziellen Footprint für Komponenten erfordern. Können Sie Leiterbahnen unterhalb der Komponenten verlegen? Benötigen Sie spezielle Sperrbereiche? Welche Art von Komponenten können Sie auf gedruckte Elektronik setzen? Dies sind Fragen, über die man aus einer anderen Perspektive nachdenken muss, verglichen mit der SMA von PCBs. Zusätzlich dazu können die Fertigungsdateien für die Oberflächenmontage unterschiedlich sein. Können Sie eine Pastenschablonendatei verwenden oder sollten Sie stattdessen eine Klebstoff-Dispensierkarte bereitstellen? Prüfen Sie im Voraus, was die SMA erfordert.

Da gedruckte Elektronik ein relativ neues Technologiefeld ist, sind Informationen über Materialcharakteristika und Herstellungsmethoden nicht im gleichen Umfang verfügbar wie für PCBs. Zusätzlich gibt es eine riesige Menge an gedruckten leitfähigen Tinten, die unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen, und es hängt von den Herstellungsgeräten und -methoden ab, wie die Eigenschaften im fertigen Teil sind. Design hängt davon ab, Theorien der Elektronik für neue Materialien und Herstellungsmethoden umzusetzen. Für mich bedeutet Elektronikdesign, Theorien, Physik und Mathematik zu nutzen, um elektrische Funktionalität und Leistung zu gewährleisten. Diese Methoden benötigen Kenntnisse über Materialien als Eingabe. Ich habe gesehen, dass es in der gedruckten Elektronik an Materialinformationen mangelt und manchmal Entscheidungen getroffen wurden, ohne dass Berechnungen dahinterstanden. Dann ist es kein Design, sondern es ist Raten. Und das ist dann kein Elektronikdesign.

Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie Altium Ihnen bei Ihrem nächsten PCB-Design helfen kann? Sprechen Sie mit einem Experten bei Altium, lesen Sie über gedruckte Elektronik in der Altium Designer Dokumentation, oder hören Sie sich einen Podcast über Materialien für gedruckte Elektronik oder gedruckte Elektronik bei Tactotek an, um mehr über das direkte Drucken elektronischer Schaltungen auf ein Substrat zu erfahren.