Как инженеры-электрики используют литые электронные компоненты для интеграции схем непосредственно в функциональные поверхности

Kirsch Mackey
|  Создано: 8 Мая, 2025
Внутриформовая электроника - будущее интегральных схем

Представьте себе нажатие на элегантный, бесшовный элемент управления на панели приборов, который кажется частью самой поверхности — без кнопок, без рамок, только изящный интерфейс, который загорается при вашем прикосновении. За этим, казалось бы, волшебным взаимодействием стоит революционный подход, называемый технологией внедрения электроники в форму (IME), где цепи больше не прикрепляются к поверхностям печатных плат. Теперь они становятся самой поверхностью.

 

Проблемы традиционных интерфейсов

На протяжении десятилетий электронные интерфейсы следовали одной и той же базовой конструкции: жесткие печатные платы, населенные компонентами, соединенные с отдельными механическими элементами, такими как кнопки и переключатели, все это помещено в защитный корпус. Такой подход создает внутренние ограничения:

  • Ограничения дизайна: Традиционные интерфейсы требуют вырезов, рамок и крепежных элементов, которые ограничивают эстетические возможности.
  • Проблемы надежности: Каждое механическое соединение представляет потенциальную точку отказа.
  • Сложность производства: Сборка требует множества шагов, компонентов и процессов.
  • Штрафы за пространство и вес: Отдельные печатные платы, кнопки и корпуса занимают ценное пространство и добавляют вес.
  • Уязвимость к воздействию окружающей среды: Щели и отверстия создают точки входа для влаги и загрязнителей.

Революция IME

Внутриматричная электроника (IME) коренным образом меняет этот парадигм, позволяя напечатать электронные схемы непосредственно на плоскую пленку, которая затем формируется в трехмерную форму и заключается в литой под давлением пластик. В результате получается единый, интегрированный компонент, в котором электроника и структура неразделимы.

Процесс IME обычно следует следующим шагам:

  • Печать: Проводящие, резистивные и диэлектрические чернила наносятся шелкографией на плоскую термопластичную пленку.
  • Размещение компонентов: Компоненты для поверхностного монтажа прикрепляются с использованием проводящих клеев.
  • Термоформование: Печатная пленка нагревается и формируется в желаемую трехмерную форму.
  • Литье под давлением: Сформированная пленка помещается в форму, и за ней впрыскивается пластик, создавая твердую структуру.

Такой подход предоставляет трансформационные преимущества:

  • Свобода дизайна: Изогнутые, контурированные поверхности могут включать в себя электронные функции.
  • Консолидация деталей: То, что ранее требовало десятков частей, теперь может быть изготовлено как единый компонент.
  • Повышенная прочность: Благодаря отсутствию швов или механических соединений, интерфейсы IME по своей сути более устойчивы к влаге, пыли и физическим повреждениям.
  • Снижение веса: Устранение отдельных печатных плат, корпусов и крепежных деталей может сократить вес на 40-70%.
  • Эффективность производства: Меньшее количество деталей означает меньшее количество этапов сборки и зависимостей в цепочке поставок.

Согласно исследованию IDTechEx, технология IME может сократить количество деталей до 90%, уменьшая при этом производственные затраты на 20-30% для сложных пользовательских интерфейсов.

Реальные истории успеха

Автомобильная промышленность: Центральная консоль Ford Mustang Mach-E

Электрический Mustang Mach-E от Ford оснащен инновационной центральной консолью с интегрированными управляющими элементами, изготовленными с использованием технологии IME. 

Дизайн позволил устранить 50% проводки панели приборов и сократить время сборки более чем на 30% по сравнению с традиционными подходами.

Консоль интегрирует сенсорные кнопки, светодиодные индикаторы и элементы тактильной обратной связи в один литой компонент, исключая отдельные детали, которые потребовались бы в традиционном дизайне.

Бытовая электроника: Управляющие панели умной техники Whirlpool

Линейка премиальной техники Whirlpool оснащена управляющими панелями IME, которые преобразили как внешний вид, так и функциональность. Панель управления посудомоечной машины интегрирует 15 сенсорных кнопок, индикаторы состояния и окно дисплея в единое, непрерывное пространство, которое можно легко очистить.

Покупатели ценят бытовую технику, которая одновременно красива и легка в уборке. IME позволяет производственным компаниям, таким как Whirlpool, устранять щели, в которых скапливаются грязь и влага в традиционных кнопочных интерфейсах.

Панели IME доказали свою устойчивость к чистящим средствам на 300% больше, чем механические массивы кнопок, и сократили претензии по гарантии, связанные с отказами управления, на 45%.

Медицина: Портативный Ультразвуковой Интерфейс Philips

Последнее портативное ультразвуковое устройство от Philips Healthcare оснащено поверхностью управления IME, которая революционизировала как удобство использования, так и контроль за инфекциями. Бесшовный интерфейс устраняет щели, где могут скрываться загрязнители, позволяя полностью дезинфицировать устройство между пациентами.

IME позволило производителям создавать интерфейсы, которые могут выдерживать дезинфицирующие средства медицинского класса, сохраняя при этом идеальную функциональность.

Инженерный Процесс: От Концепции до Производства

Чтобы понять, как электроинженеры подходят к проектированию IME, давайте проследим разработку гипотетической панели управления климатом в автомобиле от концепции до производства.

1. Концептуализация Дизайна

В отличие от традиционного проектирования электроники, которое начинается со схематических чертежей, проектирование IME начинается с физической формы и взаимодействия с пользователем. Инженеры и промышленные дизайнеры с первого дня сотрудничают, чтобы определить:

  • Трехмерная геометрия поверхности
  • Точки взаимодействия пользователя и механизмы обратной связи
  • Требования к окружающей среде (диапазон температур, воздействие солнечного света, чистящие химикаты)
  • Требования к механическим характеристикам (устойчивость к ударам, сила активации)

2. Выбор материала

Выбор материала критичен для успеха IME. Инженеры должны учитывать:

  • Основная пленка: Обычно PET или PC, должна выдерживать как термоформование, так и температуры литья под давлением.
  • Проводящие чернила: Обычно используются чернила на основе серебра, но для экономичных приложений могут использоваться углеродные чернила.
  • Диэлектрические материалы: Должны обеспечивать надежную изоляцию, оставаясь при этом гибкими.
  • Смола для литья под давлением: Обычно PC, ABS или смеси PC/ABS, совместимые с основной пленкой.

Совместимость материалов является основой успешного IME. Каждый слой должен сохранять адгезию и функциональность через множество термических циклов.

3. Проектирование схем с учетом деформации

В отличие от традиционного проектирования печатных плат, схемы IME должны корректно функционировать после их растяжения и деформации в процессе термоформования. Это требует:

  1. Проектирование схем с зонами растяжения, которые могут растягиваться без разрыва
  2. Избегание размещения компонентов в зонах высокой деформации
  3. Использование растяжимых схематических узоров (змеевидные дорожки) в зонах, подвергающихся значительной формовке
  4. Моделирование процесса деформации для прогнозирования точек напряжения

4. Прототипирование и Валидация

Прототипирование IME обычно следует поэтапному подходу:

  1. Электрическая Валидация: Тестирование функциональности схемы на плоских пленках до формовки
  2. Испытания Формовки: Тестирование формуемости печатных схем без компонентов
  3. Функциональные Прототипы: Полные сборки с компонентами, тестируемые на электрическую производительность после формовки
  4. Испытания Литья под Давлением: Подтверждение, что схемы и компоненты выдерживают процесс литья
  5. Экологические Испытания: Подвергание прототипов температурным циклам, влажности, воздействию УФ-излучения и химическим тестам на стойкость

5. Производственная Инженерия

Масштабирование от прототипа к производству требует тщательной инженерии процессов:

  1. Оптимизация трафаретной печати: Обеспечение постоянного нанесения краски в процессе производства
  2. Точность размещения компонентов: Разработка приспособлений и процессов для точного и повторяемого крепления компонентов
  3. Параметры формования: Определение точных температуры, давления и времени для термоформования
  4. Настройка литья под давлением: Оптимизация расположения входов, давлений и температур для предотвращения повреждения схем

Инструменты дизайна, которые делают это возможным

Создание успешных IME-дизайнов требует специализированных инструментов, которые связывают электрические, механические и производственные дисциплины.

Altium Designer: Включение революции IME

Altium Designer разработал специализированные возможности для IME-дизайна, которые решают уникальные проблемы этой технологии:

  • Правила дизайна, специфичные для материала: Применение ограничений дизайна на основе используемых чернил и материалов.
  • Выходные данные для производства: Генерация специализированных выходных данных, необходимых для трафаретной печати, размещения компонентов и формования.

Ключевые особенности, которые делают Altium Designer идеальным для разработки IME, включают:

  • Настройки печатной электроники: Специализированная среда для стеков печатных плат в менеджере стека слоев
  • Осведомленность MCAD: Бесшовный импорт 3D-моделей из систем механического CAD
  • Документация для производства: Создание специализированных выходных данных, необходимых для производства IME

Дополнительные инструменты в рабочем процессе IME

Хотя Altium Designer занимается аспектами электрического проектирования, полный рабочий процесс IME обычно включает:

  • Механический CAD: Инструменты вроде SOLIDWORKS или Creo для проектирования 3D-формы
  • Симуляция формования: Программное обеспечение вроде Moldex3D или Polyflow для симуляции процесса термоформования
  • Симуляция литья под давлением: Инструменты для прогнозирования влияния процесса литья на сформированную цепь

Преодоление проблем проектирования IME

Несмотря на свои преимущества, IME представляет уникальные вызовы, с которыми инженерам необходимо справиться:

1. Удлинение и целостность дорожек

Когда плоская цепь формируется в 3D-форму, проводящие дорожки должны растягиваться без разрыва. Инженеры разработали несколько стратегий:

  • Серпантинные узоры дорожек: Проектирование дорожек с преднамеренными изгибами, которые могут выпрямляться во время растяжения
  • Градиент толщины: Изменение толщины чернил в областях, ожидаемых значительной деформации
  • Стратегическое маршрутизирование: Избегание размещения дорожек в областях максимальной деформации

2. Выживаемость компонентов

Компоненты для поверхностного монтажа должны выдерживать процессы термоформования и литья под давлением:

  1. Выбор компонентов: Выбор компонентов, квалифицированных для температурных профилей формования и литья
  2. Стратегическое размещение: Размещение компонентов в зонах с минимальной деформацией
  3. Защитная инкапсуляция: Использование дополнительных материалов для защиты чувствительных компонентов во время литья

3. Тестирование и контроль качества

Традиционные методы тестирования печатных плат не всегда применимы к IME:

  • Тестирование в схеме: Традиционное тестирование на стенде с контактными иглами часто невозможно на 3D-поверхностях
  • Функциональное тестирование: Разработка специальных тестовых приспособлений, соответствующих 3D-геометрии
  • Оптическая инспекция: Использование 3D-сканирования для проверки целостности дорожек после формования

Будущие возможности

Область IME быстро развивается, на горизонте многочисленные захватывающие разработки:

Растяжимая электроника

Следующее поколение IME будет включать в себя действительно растяжимые схемы, которые могут удлиняться на 100% или более, что позволит интегрировать их в высокодеформируемые поверхности, такие как чехлы автомобильных подушек безопасности или медицинские носимые устройства.

Интегрированные датчики

Будущие проекты IME будут включать в себя печатные датчики, непосредственно интегрированные в формованную поверхность:

  • Датчики давления для обнаружения прикосновений с обратной силовой связью
  • Температурные датчики для мониторинга окружающей среды
  • Тензодатчики для мониторинга состояния конструкций
  • Газовые датчики для обнаружения качества воздуха

Биоразлагаемая и устойчивая IME

По мере того как устойчивое развитие становится всё более важным, исследователи разрабатывают экологически чистые материалы IME:

  • Биоразлагаемые пленки подложки
  • Водные проводящие чернила
  • Перерабатываемые формовочные соединения

Заключение

Технология внутримолдовой электроники представляет собой фундаментальный сдвиг в нашем представлении об электронных интерфейсах. Интегрируя схемы непосредственно в функциональные поверхности, IME устраняет искусственную границу между электроникой и структурой, создавая продукты, которые более элегантны, долговечны и эффективны.

Для электроинженеров IME требует нового мышления — такого, которое одновременно учитывает электрические, механические и производственные факторы с самых ранних этапов проектирования. Инструменты вроде Altium Designer развиваются, чтобы поддерживать этот интегрированный подход, позволяя инженерам реализовать полный потенциал этой трансформационной технологии. Чтобы начать проектировать свои собственные продукты IME, запустите менеджер стека слоёв в среде размещения печатной платы в Altium, затем выберите иконку с тремя линиями в верхнем правом углу.

Printed Electroncics Stackup in Altium Designer

Вы увидите несколько вариантов типов печатных плат, таких как печатная электроника, жёстко-гибкие и так далее. Выберите печатную электронику. Ваш стек печатной платы изменяется навсегда, и затем вы можете определить диэлектрический материал между проводящими слоями. 

Altium является одной из немногих компаний SaaS, которая занимается этим дизайном и разработкой для инновационных проектов. Родная поддержка печатной электроники в Altium Designer обеспечивает среду проектирования, в которой понимаются электрические соединения между последовательными прогонами печати. Возможно вручную создать изолирующие области из диэлектрического материала или автоматически в местах пересечения трасс.

Эти проводящие материалы (например, медь) именно те, что печатаются на поверхности гибких объектов.

По мере созревания IME мы можем ожидать его расширения за пределы пользовательских интерфейсов в структурную электронику, где целые продукты становятся умными, реагирующими системами, а не пассивными корпусами для электронных компонентов.

Будущее принадлежит инженерам, которые могут думать за пределами печатной платы — которые могут представлять электронику не как компоненты для размещения, а как неотъемлемые элементы продуктов, которые они создают.

Изучите, как Altium Designer поддерживает печатную электронику и позволяет интегрировать электрические цепи с трехмерными механическими частями.

Об авторе

Об авторе

Кирш Маки — инженер-электрик и электронщик, преподаватель и создатель контента, увлеченный переводом сложных инженерных концепций в доступные, применимые знания. Имея более десятилетний профессиональный опыт, Кирш утвердился как универсальный эксперт в области, овладев дисциплинами, включая дизайн печатных плат, разработку аппаратного обеспечения, системы управления (классические, современные и продвинутые), силовую электронику и системное проектирование энергетики.

Работа Кирша преодолевает разрыв между теорией и практикой, помогая инженерам и дизайнерам создавать эффективные, надежные решения в области высокоскоростных цифровых систем, РЧ-продуктов и далее. Его глубокие знания в программировании, особенно на Python, дополнительно позволяют ему инновировать на стыке аппаратного и программного обеспечения.

Будучи приглашенным профессором и основателем HaSofu, Кирш посвящен обучению следующего поколения инженеров через курсы, учебные пособия и семинары, акцентирующие внимание на практическом, реальном применении передовых технологий. Его вклад в Altium основан на его широкой экспертизе, предлагая взгляды на современные процессы проектирования, оптимизацию структуры печатных плат и последние тенденции в индустрии, чтобы уполномочить инженеров на всех уровнях.

Когда Кирш не занимается проектированием или преподаванием, ему нравится исследовать взаимодействие науки о данных, машинного обучения и инженерии, чтобы расширять границы инноваций.

Связанные ресурсы

Связанная техническая документация

Вернуться на главную
Thank you, you are now subscribed to updates.