Что такое дизайн печатной электроники?

Что такое дизайн печатной электроники? Ответ прост: это дизайн электроники. Вы используете теории цепей, математические расчеты и компьютерные симуляции для проектирования электроники. Вы разрабатываете электрические функции и производительность продукта с использованием материалов для печатной электроники. Ключевым моментом являются материалы, поскольку материалы, используемые для печатной электроники, имеют другие характеристики электрической производительности, чем те, что используются в традиционных печатных платах (PCB). Кроме того, электроника создается другими способами с использованием материалов для печатной электроники. Хорошо известно, как делаются дорожки на PCB. Сначала инженер-электронщик проектирует их, определяет размеры на основе электрических требований, и после того, как дизайн готов, выпускаются производственные файлы.

На производстве PCB изготавливается в соответствии с дизайнерскими файлами путем копирования электрических цепей на медь PCB, например, путем облучения маскированной УФ-чувствительной фоторезистной пленки УФ-светом. Затем медь, которая не была облучена УФ-светом, удаляется травлением. В результате получается дорожка, как было задумано. Ее размеры корректны, и она соответствует электрическим требованиям. В печатной электронике нам нужно достичь тех же результатов, но с новыми правилами дизайна, материалами и методами производства.

Входы и выходы в проектировании печатной электроники в основном такие же, как и в проектировании печатных плат (PCB). Трюк между входом и выходом также одинаков: проектирование электроники. Вам нужно взять информацию о материалах и правила проектирования в ваш процесс проектирования, а выходом будут файлы для производства. Те же физические законы действуют в проектировании электроники как для PCB, так и для печатной электроники, и они устанавливают границы того, что можно сделать. Две схемы, одна изготовленная с помощью PCB, а другая с помощью печатной электроники, могут иметь абсолютно одинаковую функциональность, но их конструкции выглядят и на самом деле различаются. Это связано с физическими возможностями и ограничениями материала, используемого в электрических цепях. В обеих схемах вам нужны различия в напряжении, приложенные через импеданс, чтобы ток начал течь. Для получения одинакового тока в обеих цепях требуется настройка импедансов до одного уровня или установка специфических для цепи уровней напряжения. С этими параметрами мы обычно работаем в проектировании печатной электроники. Мы ищем оптимальные решения, тонко настраивая импедансы и устанавливая правильные уровни напряжения.

В проектировании электроники крайне важно знать характеристики материалов конечного продукта. Для печатных плат вы должны знать толщину меди, удельное сопротивление, тепловые свойства, диэлектрическую проницаемость материала платы и т.д. Точно такие же параметры вам необходимо знать и для печатной электроники. Какова конечная толщина проводника из серебряных чернил, каково его удельное сопротивление в квадрате, какова диэлектрическая проницаемость материала подложки? Вы выполняете проектирование электроники для этих новых материалов. Закон Ома, законы теории цепей Кирхгофа и уравнения Максвелла также применимы в печатной электронике. На рынке существуют сотни различных проводящих чернил, каждое из которых имеет уникальное удельное сопротивление в квадрате. Некоторые чернила обладают высокой проводимостью (которая, как правило, все еще значительно выше, чем у чистой меди), но после отверждения они вообще не могут растягиваться. Другие чернила могут растягиваться после отверждения, но их проводимость еще хуже. В проектировании электроники крайне важно понимать, каково удельное сопротивление в квадрате используемых чернил после окончательного отверждения.

Еще одной проблемой дизайна являются параметры материалов, используемых в печатной электронике, которые зависят от выбранного производственного метода. Способ, которым вы печатаете проводящие чернила, как вы их отверждаете, как расположены другие печатные чернила под проводником, например, влияет на конечное сопротивление квадрата. Если вы меняете производство, вам, возможно, придется изменить ваш дизайн платы. Или же производство должно быть настроено в соответствии с требованиями электрической схемы вашего дизайна. Крайне важно знать, как устроено производство печатной электроники. Это не делает разницы в печатных платах, вам нужно знать, как они изготавливаются и каковы ограничения данного конкретного производства, но в печатных платах методы производства более стандартизированы и каждое производство в основном похоже с небольшими различиями в возможностях. В печатной электронике мы пока не достигли этого уровня.

Проводящие чернила могут быть напечатаны различными методами. Наиболее используемыми методами являются шелкография и струйная печать, и, проведя поиск в Google, вы можете найти и многие другие. Ключевым моментом, связанным с процессом печати, является понимание производственных возможностей и их ограничений. Какое минимальное расстояние вам необходимо обеспечить между дорожками? Сколько проводящих слоев вы можете использовать? Каковы минимальная и максимальная ширины дорожек? Ознакомьтесь с правилами проектирования производства, которое вы собираетесь использовать, и проверьте дизайн на соответствие этим правилам. Довольно много правил проектирования, доступных в инструментах для проектирования печатных плат, могут быть использованы как есть в дизайне печатной электроники с правильными определениями правил. Если производство включает правила проектирования, которые не поддерживаются инструментом проектирования электроники, это означает, что вам придется проводить проверку правил проектирования вручную. Например, если вы можете использовать несколько проводящих слоев, которые изолированы напечатанными диэлектриками, это означает, что у вас есть точно такое же правило проектирования между дорожками первого и второго проводящего слоя, как и для дорожек, напечатанных на одном слое. И это не поддерживается стандартными инструментами проектирования печатных плат.

Также, для функционирования печатной электроники необходимы компоненты, и монтаж компонентов на печатных электронных схемах не является стандартным процессом пайки. Типичные материалы, используемые в печатной электронике, - это пластики, что означает, что их тепловые характеристики отличаются по сравнению с PCB или FPC. Это также означает, что используются другие клеящие материалы. Низкотемпературные припои, проводящие клеи или другие клеящие материалы являются типичными для печатной электроники SMA, и они могут требовать специального расположения компонентов. Можно ли прокладывать дорожки под компонентами? Нужны ли специальные зоны, свободные от монтажа? Какие компоненты можно устанавливать на печатную электронику? Это вопросы, о которых нужно думать с другой точки зрения по сравнению с SMA для PCB. Кроме того, производственные файлы для поверхностного монтажа могут отличаться. Можно ли использовать файл трафарета для пасты или вместо этого следует предоставить карту нанесения клея? Заранее проверьте, что требуется для SMA.

Поскольку печатная электроника является довольно новой областью технологий, информация о характеристиках материалов и методах производства не доступна в таком же объеме, как для печатных плат (PCB). Кроме того, существует огромное количество печатных проводящих чернил, которые имеют различные электрические характеристики, и от оборудования и методов производства зависит, какими будут характеристики готовой детали. Дизайн зависит от применения теорий электроники к новым материалам и методам производства. Для меня дизайн электроники означает использование теорий, физики и математики для обеспечения электрической функциональности и производительности. Эти методы требуют знаний о материалах в качестве входных данных. Я видел, что в печатной электронике не хватает информации о материалах и иногда решения принимались без поддержки расчетами. Тогда это не дизайн, а угадывание. И это уже не дизайн электроники.

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам с вашим следующим проектом печатной платы? Обратитесь к эксперту в Altium, прочитайте о печатной электронике в документации Altium Designer или послушайте подкаст о материалах для печатной электроники или о печатной электронике в Tactotek, чтобы узнать больше о печати электронных схем непосредственно на подложку.