Co to jest projektowanie elektroniki drukowanej?

Co to jest projektowanie elektroniki drukowanej? Odpowiedź jest prosta: to projektowanie elektroniki. Wykorzystujesz teorie obwodów, obliczenia matematyczne i symulacje komputerowe do projektowania elektroniki. Projektujesz funkcjonalność elektryczną i wydajność produktu za pomocą materiałów do elektroniki drukowanej. Kluczowe są materiały, ponieważ materiały używane do elektroniki drukowanej mają inne charakterystyki wydajności elektrycznej niż te używane w tradycyjnych PCB. Ponadto, elektronika jest budowana w różny sposób przy użyciu materiałów do elektroniki drukowanej. Dobrze wiadomo, jak wykonywane są ścieżki PCB. Na początku inżynier elektronik projektuje je, określa wymiary na podstawie wymagań elektrycznych, a po przygotowaniu projektu, pliki produkcyjne są wydawane.

W produkcji, PCB jest wytwarzana zgodnie z plikami projektowymi przez kopiowanie obwodów elektrycznych na miedzi PCB, na przykład przez naświetlanie maskowanego, wrażliwego na UV filmu fotoopornego światłem UV. Następnie miedź, która nie została naświetlona światłem UV, jest trawiona. Efektem jest ścieżka, zgodnie z projektem. Jej wymiary są poprawne i spełnia wymagania elektryczne. W elektronice drukowanej musimy osiągnąć te same wyniki, ale z nowymi zasadami projektowania, materiałami i metodami produkcji.

Wejścia i wyjścia w projektowaniu elektroniki drukowanej są zasadniczo takie same, jak w projektowaniu PCB. Sztuczka między wejściem a wyjściem jest również taka sama: projektowanie elektroniki. Musisz wziąć pod uwagę informacje o materiałach i zasady projektowania w swoim procesie projektowym, a wyjściem są pliki produkcyjne. Te same prawa fizyczne obowiązują w projektowaniu elektroniki PCB i elektroniki drukowanej, i to one wyznaczają granice tego, co można zrobić. Dwa obwody, jeden wykonany przez PCB, a drugi przez elektronikę drukowaną, mogą mieć dokładnie taką samą funkcjonalność, ale projekty obwodów wyglądają i są różne. Wynika to z fizycznych możliwości i ograniczeń materiału używanego w obwodach elektrycznych. W obu obwodach potrzebne są różnice napięć stosowane na impedancji, aby uzyskać przepływ prądu. Aby uzyskać taki sam przepływ prądu w obu obwodach, wymaga to dostosowania impedancji do tego samego poziomu lub ustawienia specyficznych dla obwodu poziomów napięcia. To parametry, z którymi zwykle musimy się bawić w projektowaniu elektroniki drukowanej. Szukamy optymalnych rozwiązań, dostrojając impedancje i ustawiając właściwe poziomy napięcia.

W projektowaniu elektroniki kluczowe jest poznanie właściwości materiałowych gotowego produktu. W przypadku PCB znasz grubość miedzi, oporność powierzchniową, właściwości termiczne, stałą dielektryczną materiału PCB itp. Dokładnie te same parametry musisz znać również w przypadku elektroniki drukowanej. Jaka jest końcowa grubość przewodnika z tuszu srebrnego, jaka jest jego oporność powierzchniowa, jaka jest stała dielektryczna materiału podłoża? Projektujesz elektronikę dla tych nowych materiałów. Prawo Ohma, prawa teorii obwodów Kirchhoffa oraz równania Maxwella są również stosowane w elektronice drukowanej. Na rynku dostępnych jest setki różnych tuszy przewodzących, każdy z nich ma unikalną oporność powierzchniową. Niektóre tusze mają wysoką przewodność (która zazwyczaj jest nadal znacznie większa niż czystej miedzi), ale po utwardzeniu w ogóle nie mogą się rozciągać. Inne tusze mogą być rozciągane po utwardzeniu, ale ich przewodność jest jeszcze gorsza. W projektowaniu elektroniki kluczowe jest zrozumienie, jaka jest oporność powierzchniowa używanego tuszu po ostatecznym utwardzeniu.

Kolejnym wyzwaniem projektowym są parametry materiałów używanych w elektronice drukowanej, które zależą od zastosowanej metody produkcji. Sposób, w jaki drukuje się tusze przewodzące, sposób ich utwardzania, jak również to, co znajduje się pod drukowanym przewodnikiem, na przykład, wpływa na końcowy opór kwadratowy. Zmiana produkcji może wymagać zmiany projektu układu. Albo produkcja musi być dostosowana do wymagań elektrycznych obwodu twojego projektu. Niezwykle ważne jest, abyś wiedział, jak przebiega produkcja elektroniki drukowanej. Nie robi to różnicy w przypadku PCB, musisz wiedzieć, jak są one budowane i jakie są ograniczenia danej produkcji, ale w przypadku PCB metody produkcji są bardziej ustandaryzowane i każda produkcja jest zasadniczo podobna, z niewielkimi różnicami w możliwościach. W elektronice drukowanej nie osiągnęliśmy jeszcze tego poziomu.

Atramenty przewodzące mogą być drukowane różnymi metodami. Najczęściej stosowane to sitodruk i druk atramentowy, a poszukując w Google można znaleźć wiele innych. Kluczową kwestią dotyczącą procesu drukowania jest zrozumienie możliwości produkcyjnych i ich ograniczeń. Jakie jest minimalne odstępstwo, które musisz zachować między ścieżkami? Ile warstw przewodzących możesz użyć? Jakie są minimalne i maksymalne szerokości ścieżek? Zapoznaj się z zasadami projektowania produkcji, której zamierzasz użyć i sprawdź projekt pod kątem tych zasad. Wiele zasad projektowania dostępnych w narzędziach do projektowania PCB może być stosowanych jako takie w projektowaniu elektroniki drukowanej przy poprawnych definicjach zasad. Jeśli produkcja obejmuje zasady projektowania, które nie są obsługiwane przez narzędzie do projektowania elektroniki, oznacza to, że musisz przeprowadzić ręczne sprawdzenie zasad projektowania. Na przykład, jeśli możesz używać wielu warstw przewodzących, które są izolowane przez drukowane dielektryki, oznacza to, że masz dokładnie taką samą zasadę projektowania między ścieżkami 1. a 2. warstwy przewodzącej, jak ścieżki drukowane na tej samej warstwie. I nie jest to obsługiwane przez standardowe narzędzia do projektowania PCB.

Ponadto, elektronika drukowana wymaga komponentów do uzyskania funkcjonalności, a montaż komponentów na obwodach elektroniki drukowanej to nie jest standardowy proces lutowania. Typowe materiały używane w elektronice drukowanej to tworzywa sztuczne, co oznacza, że ich właściwości termiczne różnią się w porównaniu do PCB lub FPC. Oznacza to również, że różne są materiały klejące. Niskotemperaturowe luty, przewodzące kleje lub inne materiały klejące są typowe dla elektroniki drukowanej SMA i mogą wymagać specjalnych śladów dla komponentów. Czy można umieścić ścieżki pod komponentami? Czy potrzebne są specjalne strefy wolne od elementów? Jakiego rodzaju komponenty można umieścić na elektronice drukowanej? To pytania, nad którymi należy zastanowić się z innej perspektywy w porównaniu do SMA PCB. Dodatkowo, pliki produkcyjne dla montażu powierzchniowego mogą być inne. Czy można użyć pliku szablonu pasty, czy zamiast tego należy dostarczyć mapę dozowania kleju? Sprawdź wcześniej, czego wymaga SMA.

Ponieważ elektronika drukowana to stosunkowo nowa dziedzina technologii, informacje na temat charakterystyk materiałów i metod produkcji nie są dostępne w takiej skali, jak dla PCB. Dodatkowo, istnieje ogromna ilość drukowanych tuszy przewodzących, które mają różne charakterystyki elektryczne, i to od sprzętu produkcyjnego oraz metod zależy, jakie charakterystyki będą miały gotowe części. Projektowanie zależy od wdrażania teorii elektroniki dla nowych materiałów i metod produkcyjnych. Dla mnie projektowanie elektroniki oznacza wykorzystywanie teorii, fizyki i matematyki do zapewnienia funkcjonalności elektrycznej i wydajności. Te metody wymagają wiedzy o materiałach jako danych wejściowych. Zauważyłem, że w elektronice drukowanej brakuje informacji o materiałach i czasami decyzje były podejmowane bez obliczeń stojących za nimi. Wtedy to nie jest projektowanie, ale zgadywanie. I to wtedy nie jest projektowanie elektroniki.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium może pomóc Ci w następnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem w Altium, przeczytaj o elektronice drukowanej w dokumentacji Altium Designer, lub posłuchaj podcastu o materiałach do elektroniki drukowanej lub o elektronice drukowanej w Tactotek, aby dowiedzieć się więcej o drukowaniu obwodów elektronicznych bezpośrednio na podłożu.