Печатная электроника: Будущее гибкого и экономичного проектирования схем

Что такое печатная электроника?

Печатная электроника — это быстро развивающаяся область, которая позволяет создавать электронные схемы и компоненты с использованием печатных технологий вместо традиционных методов производства печатных плат. В отличие от традиционной электроники, которая зависит от вытравленных медных дорожек и жестких подложек, печатная электроника использует проводящие чернила и гибкие материалы, такие как пластик, бумага и текстиль. Это позволяет создавать более тонкие, легкие и адаптируемые электронные конструкции, открывая путь для инноваций в области носимой электроники, умной упаковки, медицинских устройств и даже автомобильных приложений.

Используя техники струйной, шелкографической или гравюрной печати, электронные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы, антенны и датчики, могут быть напечатаны непосредственно на гибкие подложки. Этот подход упрощает производство, сокращает отходы и снижает производственные затраты, делая его привлекательной альтернативой для приложений, где традиционные печатные платы были бы непрактичны или слишком дороги.

Прототипы автомобильных консолей, разработанные и изготовленные с использованием технологии IME. Источник: TactoTek

Что стимулирует рост печатной электроники?

Рост интереса и внедрения печатной электроники обусловлен несколькими ключевыми факторами. Во-первых, наблюдается возрастающий спрос на легкие, гибкие и экономически выгодные электронные решения, особенно в области потребительской электроники, здравоохранения и Интернета вещей (IoT). Возможность интеграции электроники в повседневные объекты, такие как умные этикетки или медицинские пластыри, открыла новые возможности для инноваций.

Устойчивость развития является еще одним важным фактором, способствующим этому росту. Традиционное производство печатных плат включает в себя сложные процессы субтрактивного травления, химические отходы и дорогостоящие материалы. В отличие от этого, печатная электроника минимизирует отходы материалов и использует энергоэффективные аддитивные процессы, делая ее более экологичной. Согласно IDTechEx, печатная и гибкая электроника может сократить электронные отходы до 80% в одноразовых приложениях.

Кроме того, прогресс в области проводящих чернил, печатаемых полупроводников и новых материалов для подложек продолжает повышать возможности и надежность печатной электроники. Например, проводящие чернила на основе серебряных нанопроволок достигли уровня проводимости более 10⁶ С/м, что делает их пригодными для высокопроизводительных схем даже в гибких форм-факторах.

Ключевые преимущества печатной электроники

Одним из наиболее значительных преимуществ печатной электроники является ее экономичность. Поскольку цепи печатаются, а не травятся и собираются, стоимость производства может быть снижена на 30–70% в зависимости от сложности и объема производства. Процесс исключает необходимость использования дорогих подложек, таких как FR4, и минимизирует отходы материалов. Это делает печатную электронику идеальной для массового производства недорогих изделий, таких как RFID-метки, гибкие датчики и одноразовые медицинские устройства.

Гибкость — еще одно важное преимущество. Традиционные печатные платы жесткие, что ограничивает их применение в носимой электронике и дизайне для изогнутых поверхностей. С другой стороны, печатная электроника может быть интегрирована в гибкие и даже растяжимые подложки, что позволяет создавать новые форм-факторы для таких продуктов, как умная одежда, складные дисплеи и гибкие солнечные панели. Некоторые системы могут изгибаться до радиуса менее 5 мм или растягиваться до 30% без повреждений.

Производственная эффективность также выделяет печатную электронику. Используя методы аддитивного производства, несколько электронных слоев могут быть напечатаны в одном процессе, что сокращает количество операций сборки и время производства. Например, полная печать простой RFID-метки может быть выполнена менее чем за 10 секунд, что является значительным прорывом по сравнению с традиционным травлением и сборкой.

Дизайн печатной электроники с Altium Designer. Источник: TactoTek

Внутриформовая электроника: прорыв в автомобильной промышленности и потребительских товарах

Одним из самых захватывающих достижений в области печатной электроники является внутриформовая электроника (IME), сочетающая печатные схемы с литьем под давлением. Эта технология позволяет напрямую встраивать электронные схемы в трехмерные пластиковые компоненты в процессе формования. Технология IME революционизирует такие отрасли, как автомобилестроение, потребительская электроника и бытовая техника, позволяя создавать элегантные, легкие и высокоинтегрированные конструкции.

Преимущества внутриформовой электроники значительны. Сообщается о сокращении веса до 60% по сравнению с традиционными механическими сборками, что особенно ценно в автомобильной промышленности, где уменьшение каждого килограмма может увеличить топливную эффективность на 1–2%. IME также сокращает количество компонентов до 70%, значительно уменьшая сложность производства, время сборки и потенциальные точки отказа.

Кроме того, IME поддерживает более тонкие конструкции продуктов и улучшает эргономику. Емкостные сенсорные кнопки, светодиодное освещение и антенны могут быть интегрированы в изогнутые пластиковые поверхности, обеспечивая интуитивно понятные, современные интерфейсы. Циклы разработки также сокращаются на 25% благодаря меньшему количеству деталей и более быстрым итерациям инструментов.

Упаковка электроники, формируемой в процессе литья. Источник: DuPont

Проблемы в дизайне печатной электроники

Несмотря на многочисленные преимущества, печатная электроника все еще сталкивается с рядом проблем, особенно в процессе дизайна и производства. Одним из основных препятствий является интеграция MCAD и ECAD инструментов. Поскольку печатная электроника часто требует сложных трехмерных конструкций, традиционные инструменты электронного CAD (ECAD) должны работать бесперебойно с программным обеспечением механического CAD (MCAD), чтобы обеспечить точное выравнивание и функциональность. Несоответствия даже 0,1 мм могут привести к функциональным неудачам в плотных, литых сборках.

Еще одной значительной проблемой является термоформование и моделирование деформации. Многие приложения печатной электроники включают в себя формовку или растяжение цепей для соответствия определенному форм-фактору, например, в электронике, встраиваемой в форму, или гибких дисплеях. Однако, проводящие дорожки могут трескаться или терять проводимость, если их растягивать сверх пределов. Точные инструменты моделирования необходимы для прогнозирования и снижения этих эффектов, особенно для конструкций, которые деформируются во время или после производства. Моделирование деформации, учитывающее многократную деформацию, необходимо для снижения уровня отказов, который в противном случае может достигать 15–20% на ранних этапах проектирования.

Выбор материала также играет ключевую роль. Проводящие чернила, диэлектрические материалы и гибкие подложки должны быть тщательно подобраны на основе механических, электрических и экологических требований приложения. Отсутствие стандартизированных библиотек материалов во многих инструментах ECAD создает препятствия для процесса разработки и увеличивает риск сбоев в дизайне, особенно в термически или химически сложных условиях.

Поддержка слоев печатной электроники в Altium Designer для изоляции

Как Altium поддерживает проектирование печатной электроники

По мере того как печатная электроника продолжает расширять границы традиционного дизайна печатных плат, инструменты ECAD должны развиваться, чтобы соответствовать уникальным требованиям этой технологии. Altium предоставляет комплексный набор функций, специально адаптированных для печатной электроники, позволяя инженерам эффективно проектировать, моделировать и производить электронные продукты следующего поколения.

Одной из выдающихся возможностей Altium является его интеграция правил проектирования, специально оптимизированных для печатной электроники. Это обеспечивает совместимость проводящих дорожек, перекрестных соединений и стеков слоев с гибкими подложками и ограничениями по чернилам, помогая дизайнерам избегать дорогостоящих производственных ошибок.

Мощный менеджер стека слоев Altium помогает управлять нестандартными стеками, типичными для печатной электроники, включая множество печатных диэлектрических и проводящих слоев. Это гарантирует, что дизайны сохраняют необходимую механическую гибкость и тепловые характеристики.

Altium Designer Printed Electronics Layer Stack Manager Material Library support

Интегрированная библиотека материалов предоставляет различные материалы как для проводящих, так и для непроводящих слоев. Это упрощает процесс выбора материалов и помогает обеспечить надежность дизайна.

Генератор диэлектрических форм Altium Designer автоматизирует создание диэлектрических узоров над перекрестками в проектах печатной электроники. С помощью расширения Printed Electronics Crossover Generator он упрощает задачи после трассировки и обеспечивает точность и согласованность форм диэлектриков.

Генератор диэлектрических форм Altium Designer

Предоставляя единую платформу для учета электрических, механических и материальных соображений, Altium дает инженерам возможность с большей уверенностью и эффективностью переходить от концепции к производству, особенно для сложных печатных и внутриматричных конструкций.

Будущее печатной электроники

Печатная электроника готова кардинально изменить множество отраслей, от здравоохранения и автомобилестроения до потребительской электроники и умной упаковки. По мере роста спроса на легкие, гибкие и экономически выгодные электронные решения, прогресс в области проводящих материалов, техник печати и инструментов ECAD будет стимулировать дальнейшие инновации.

С инструментами вроде Altium Designer, интегрирующими критически важные возможности проектирования — такие как генератор диэлектрических форм, управление стеком слоев и библиотеки материалов — инженеры могут расширять границы возможного в печатной электронике. Хотя проблемы интеграции MCAD-ECAD и симуляции термоформования остаются, продолжающиеся разработки в области симуляции и материаловедения помогут преодолеть эти препятствия.

Согласно исследованиям рынка, ожидается, что глобальный рынок печатной электроники достигнет 43 миллиардов долларов к 2030 году, растя при этом с среднегодовым темпом роста (CAGR) более 18%. По мере того как все больше компаний начинают использовать печатную электронику для своих продуктов следующего поколения, мы можем ожидать всплеск применений, которые ранее были недостижимы с использованием традиционного производства печатных плат. От ультралегких медицинских датчиков до умных поверхностей и интерактивной упаковки, будущее электроники печатается — один слой за разом.