Thiết kế Điện tử In là gì?

Thiết kế điện tử in ấn là gì? Câu trả lời rất đơn giản: đó là thiết kế điện tử. Bạn sử dụng lý thuyết mạch, tính toán toán học và mô phỏng dựa trên máy tính để thực hiện thiết kế điện tử. Bạn thiết kế chức năng và hiệu suất điện của một sản phẩm sử dụng vật liệu điện tử in ấn. Vật liệu là điểm then chốt vì vật liệu được sử dụng cho điện tử in ấn có các đặc tính hiệu suất điện khác biệt so với những vật liệu được sử dụng trong PCB truyền thống. Ngoài ra, điện tử được xây dựng theo các cách khác nhau sử dụng vật liệu điện tử in ấn. Cách thức tạo ra các đường mạch trên PCB đã được biết đến rộng rãi. Đầu tiên, một kỹ sư điện tử thiết kế nó, xác định kích thước dựa trên yêu cầu điện, và sau khi thiết kế hoàn tất, các tệp sản xuất được phát hành.

Trong quá trình sản xuất, PCB được sản xuất theo các tệp thiết kế bằng cách sao chép mạch điện lên đồng của PCB, ví dụ, bằng cách phơi bức xạ phim chống UV nhạy cảm với ánh sáng UV. Sau đó, đồng không được phơi bức xạ UV sẽ được ăn mòn đi. Kết quả là một đường mạch, như đã thiết kế. Kích thước của nó chính xác và nó đáp ứng các yêu cầu điện. Trong điện tử in ấn, chúng ta cần đạt được kết quả tương tự, nhưng với các quy tắc thiết kế, vật liệu và phương pháp sản xuất mới.

Các đầu vào và đầu ra của thiết kế điện tử in ấn cơ bản giống như trong thiết kế PCB. Mánh khóe giữa đầu vào và đầu ra cũng giống nhau: thiết kế điện tử. Bạn cần lấy thông tin vật liệu và quy tắc thiết kế vào quá trình thiết kế của mình và đầu ra là các tệp sản xuất. Các định luật vật lý giống nhau đều có giá trị trong thiết kế điện tử của PCB và điện tử in ấn, và những điều này thiết lập ranh giới của những gì có thể được thực hiện. Hai mạch, một được làm bằng PCB và cái kia được làm bằng điện tử in ấn, có thể có chức năng hoàn toàn giống nhau, nhưng thiết kế mạch trông và thực sự khác nhau. Điều này là do khả năng và hạn chế vật lý của vật liệu được sử dụng trong mạch điện. Trong cả hai mạch, bạn cần áp dụng sự chênh lệch điện áp qua trở kháng để có dòng điện chảy. Để có cùng dòng điện chảy trong cả hai mạch đòi hỏi phải điều chỉnh trở kháng về cùng một mức hoặc thiết lập mức điện áp cụ thể cho mạch. Đây là các tham số mà chúng ta thường cần điều chỉnh trong thiết kế điện tử in ấn. Chúng tôi đang tìm kiếm các giải pháp tối ưu bằng cách tinh chỉnh trở kháng và thiết lập mức điện áp chính xác.

Trong thiết kế điện tử, việc biết được đặc tính vật liệu của sản phẩm cuối cùng là rất quan trọng. Từ PCB, bạn biết được độ dày của đồng, điện trở bề mặt, tính chất nhiệt, hằng số điện môi của vật liệu PCB, v.v. Chính xác những thông số tương tự bạn cần biết từ điện tử in. Độ dày cuối cùng của mực dẫn bạc là bao nhiêu, điện trở bề mặt của nó là bao nhiêu, hằng số điện môi của vật liệu nền là bao nhiêu? Bạn thực hiện thiết kế điện tử cho những vật liệu mới này. Luật Ohm, các định luật mạch điện Kirchhoff và phương trình Maxwell cũng được áp dụng trong điện tử in. Có hàng trăm loại mực dẫn khác nhau trên thị trường, mỗi loại có điện trở bề mặt đặc trưng riêng. Một số mực có độ dẫn cao (thường vẫn cao hơn nhiều so với đồng nguyên chất), nhưng sau khi chữa lành chúng không thể giãn ra chút nào. Các loại mực khác có thể được kéo dãn sau khi chữa lành nhưng độ dẫn còn tệ hơn. Trong thiết kế điện tử, việc hiểu được điện trở bề mặt của mực đã sử dụng sau khi chữa lành cuối cùng là rất quan trọng.

Một thách thức thiết kế khác là các thông số vật liệu được sử dụng trong điện tử in phụ thuộc vào phương pháp sản xuất được sử dụng. Cách bạn in mực dẫn điện, cách bạn làm khô chúng, cách các loại mực in khác nằm dưới lớp dẫn điện, ví dụ, ảnh hưởng đến điện trở vuông cuối cùng. Bạn thay đổi sản xuất, bạn có thể cần thay đổi thiết kế bố trí của mình. Hoặc sau đó, sản xuất phải được thiết lập theo yêu cầu mạch điện của thiết kế của bạn. Điều cực kỳ quan trọng là bạn biết cách sản xuất điện tử in như thế nào. Điều này không tạo ra sự khác biệt nào trong PCB, bạn cần biết chúng được xây dựng như thế nào và những hạn chế của sản xuất cụ thể này là gì, nhưng trong PCB, các phương pháp sản xuất được chuẩn hóa hơn và mỗi quy trình sản xuất cơ bản tương tự với những khác biệt nhỏ về khả năng. Trong điện tử in, chúng ta chưa đạt đến mức này.

Mực dẫn điện có thể được in bằng nhiều phương pháp. Các phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là in lưới và in phun, và bằng cách tìm kiếm trên Google, bạn cũng có thể tìm thấy nhiều phương pháp khác. Điều quan trọng liên quan đến quá trình in là hiểu được khả năng sản xuất và những hạn chế của nó. Khoảng cách tối thiểu bạn cần phải có giữa các đường dẫn là bao nhiêu? Bạn có thể sử dụng bao nhiêu lớp dẫn điện? Chiều rộng tối thiểu và tối đa cho các đường dẫn là bao nhiêu? Hãy làm quen với các quy tắc thiết kế của nhà sản xuất mà bạn sẽ sử dụng và kiểm tra thiết kế dựa trên những quy tắc thiết kế này. Khá nhiều quy tắc thiết kế có sẵn trong các công cụ thiết kế PCB có thể được sử dụng như vậy trong thiết kế điện tử in với các định nghĩa quy tắc chính xác. Nếu quá trình sản xuất bao gồm các quy tắc thiết kế không được công cụ thiết kế điện tử hỗ trợ, điều này có nghĩa là bạn phải thực hiện kiểm tra quy tắc thiết kế thủ công. Ví dụ, nếu bạn có thể sử dụng nhiều lớp dẫn điện được cách ly bởi các điện môi in, điều này có nghĩa là bạn có cùng một quy tắc thiết kế giữa các đường dẫn lớp dẫn điện thứ nhất và thứ hai giống như các đường dẫn được in trên cùng một lớp. Và điều này không được hỗ trợ bởi các công cụ thiết kế PCB tiêu chuẩn.

Ngoài ra, điện tử in cần các linh kiện để có chức năng và việc lắp ráp các linh kiện trên mạch điện tử in không phải là quy trình hàn chuẩn. Các vật liệu thường được sử dụng trong điện tử in là nhựa, điều này có nghĩa là các đặc tính nhiệt của chúng khác biệt so với PCB hoặc FPC. Điều này cũng có nghĩa là các vật liệu kết dính cũng khác biệt. Hàn nhiệt độ thấp, keo dẫn điện hoặc các vật liệu kết dính khác là điển hình cho điện tử in SMA và những thứ này có thể yêu cầu dấu chân đặc biệt cho các linh kiện. Bạn có thể đặt các đường dẫn đi dưới các linh kiện không? Bạn có cần các khu vực giữ khoảng cách đặc biệt không? Bạn có thể đặt những loại linh kiện nào trên điện tử in? Đây là những câu hỏi cần phải suy nghĩ từ góc độ khác so với SMA của PCB. Thêm vào đó, các tệp sản xuất cho lắp ráp bề mặt có thể khác nhau. Bạn có thể sử dụng tệp khuôn kem hay bạn nên cung cấp bản đồ phân phối keo thay thế? Kiểm tra trước xem SMA yêu cầu điều gì.

Vì điện tử in là một lĩnh vực công nghệ khá mới, thông tin về đặc tính của vật liệu và phương pháp sản xuất không có sẵn ở cùng quy mô như đối với PCB. Thêm vào đó, có một lượng lớn mực dẫn điện in có các đặc tính điện khác nhau, và tùy thuộc vào thiết bị và phương pháp sản xuất mà đặc tính của sản phẩm hoàn thiện sẽ như thế nào. Thiết kế phụ thuộc vào việc áp dụng các lý thuyết điện tử cho vật liệu mới và phương pháp sản xuất mới. Đối với tôi, thiết kế điện tử có nghĩa là sử dụng các lý thuyết, vật lý và toán học để đảm bảo chức năng và hiệu suất điện. Những phương pháp này cần kiến thức về vật liệu làm đầu vào. Tôi đã thấy trong điện tử in có sự thiếu hụt thông tin về vật liệu và đôi khi các quyết định được đưa ra mà không có tính toán đằng sau. Khi đó, đó không phải là thiết kế, mà là đoán mò. Và đó không phải là thiết kế điện tử.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của bạn không? Hãy nói chuyện với một chuyên gia tại Altium, đọc về điện tử in trong tài liệu của Altium Designer, hoặc nghe một podcast về Vật liệu Điện tử In hoặc Điện tử In tại Tactotek để tìm hiểu thêm về việc in mạch điện tử trực tiếp lên một nền.