česky english Vítejte, dnes je úterý 16. duben 2024

Výroba, možnosti a další vývoj 3D elektroniky

DPS 4/2022 | Články
Autor: Ing. Milan Klauz

Konzultační firma IDTechEx [1] se ve své zprávě „3D Electronics/ Additive Electronics 2022−2032“ věnuje všem možným technologiím, které by mohly v budoucnu nahradit tradiční desky plošných spojů integrovanou elektronikou s cílem zjednodušit výrobní procesy a snížit objem i hmotnost finálních výrobků. Zabývá se elektronikou na povrchu 3D objektů, tzv. In-mold elektronikou i kompletní tištěnou 3D elektronikou. Uvádí profily různých společností působících v těchto oborech a zamýšlí se nad vývojem jednotlivých technologií výroby 3D elektroniky v příštích deseti letech.

3D elektronika je nastupujícím způsobem výroby, který umožňuje, aby byly elektronické obvody integrovány uvnitř nebo na povrchu 3D objektů. I když je tento způsob výroby používán již delší dobu pro přidávání antén a jednoduchých dílů na povrch plastových dílů, komplexnější obvody jsou přidávány na povrch objektů z různých materiálů až nyní s využitím nových aditivních technik.

3D elektronika zhotovená aditivním způsobem umožňuje navíc integrovat kompletní obvody dovnitř objektu a tím nabízet další výhody, zejména jednodušší výrobu. Když se mluví o 3D elektronice, přidání elektroniky k objektu nevyžaduje použití pevné, planární desky plošných spojů ani propojení spínačů, snímačů, napájecích zdrojů a dalších externích komponentů pomocí vodičů. Elektronika tvoří s 3D objektem jeden celek.

Je více možností, jak integrovat elektroniku s 3D objektem, ale základní jsou tři následující způsoby.

Aplikování elektroniky na povrch 3D objektů

Nejpropracovanějším způsobem přidání elektroniky na povrch 3D objektů je metoda LDS (Laser Direct Structuring), při které se laserem aktivují přísady plastu, který se tvaruje vstřikováním. Použitím laseru na povrchu plastu tak vznikají vzory, které jsou následně chemickým procesem pokovené. Vzniknou tak vodivé cesty, ze kterých již lze zhotovit plošné spoje, pájecí plošky či antény. Vzniklá elektronika je pevnou součástí povrchu plastu. Metoda LDS zažila enormní nárůst používání zhruba před deseti lety a je i nadále cestou k výrobě stovek milionů elektronických dílů ročně, zejména právě antén a plošných spojů. Nevýhodou procesu LDS je, že pokovení může být provedeno pouze na plastových dílech, které obsahují potřebné přísady a jsou vyrobené vstřikováním. Kromě toho lze tímto způsobem vytvořit na povrchu objektu pouze jednu kovovou vrstvu, což neumožňuje výrobu komplexnějších obvodů.

Metodu LDS používá např. německá firma Harting [2] při výrobě svých nosičů SMD součástek (obr. 1).

Obr. 1 (jpg)

Kvůli omezením, která proces LDS má, se začaly postupně vyvíjet i další metody, které umožňují zhotovení vodivých cest na povrchu 3D objektů. Tak například nanesení vodivé pasty je další možný způsob výroby antén na povrchu objektů, podobně jako rozstřikování aerosolu. Jiná metoda, nazvaná Laser-Induced Forward Transfer (LIFT), umožňuje rychlé nanášení vodivého materiálu s velkým rozlišením na povrch objektů, přičemž spektrum vlastností nanášeného materiálu je velmi široké.

In-mold elektronika

Elektronické obvody natištěné na tenký film se stávají součástí tenkého 3D plastového objektu poté, co byl film tepelně vytvarován do požadované podoby a vložen do vstřikovací komory ještě před vstříknutím plastu. Metoda In-mold electronics (IME) umožňuje výrobu složitější elektroniky, která obsahuje i dotykové spínače a LED indikaci. Takto zhotovený produkt je velmi lehký, odolný proti vlivům okolního prostředí a jednoduchý na montáž díky svému 3D provedení s potřebnými úchyty.

Obr. 2 (jpg)

Metoda IME navazuje na již rozšířený způsob výroby IMD (In-mold Decorating), při kterém se dekorativní motivy natištěné na film stávají ve vstřikovací komoře součástí plastového výrobku. V případě elektroniky se na film tisknou sítotiskem vodivé spoje pomocí inkoustu, který umožní následné vytvarování do 3D použitím tepla. Na natištěné spoje a pájecí plošky je možné připevnit i SMD součástky, což se v současnosti provádí zejména v případě LED.

Dlouhodobým cílem používání metody IME je stát se konkurentem dnešních pevných desek plošných spojů. To bude vyžadovat vypracování standardů pro použité materiály, ale také pravidel pro návrh a vývoj návrhových programů.

Podrobné vysvětlení procesu IME je k dispozici na stránkách Promwed [3].

Tištěná 3D elektronika

Nejnovějším způsobem výroby 3D elektroniky je tištěná (aditivní) výroba, při které jsou na sebe postupně nanášeny vodivé a nevodivé (dielektrické) vrstvy. Takový tisk lze kombinovat i s umístěnými SMD součástkami, což nabízí potenciál vytvoření komplexních vícevrstvých struktur v podobě 3D objektů. Hlavní výhodou se ukazuje možnost zhotovení různých elektronických objektů bez nutnosti změny vybavení, protože tisk probíhá stále na tomtéž zařízení.

Obr. 3  (jpg)

3D tištěná elektronika se tak dobře hodí na aplikace, kdy je potřeba vyrobit široký rozsah produktů v krátké době a na poslední chvíli. Tato technologie je také vstřícná k požadavkům aplikací, u kterých je důležité dodržet požadovaný tvar a funkčnost 3D objektu, což bývá případ zdravotních pomůcek, například naslouchátek. Schopnost výroby různých 3D elektronických objektů na stejném zařízení je také vhodná pro zakázkovou výrobu. Jistou momentální nevýhodou 3D tištěné elektroniky je pomalejší výrobní proces, protože se musí každá vrstva 3D objektu nanášet postupně jednotlivě. I když se tisk může do jisté míry zrychlit použitím několika tiskových hlav, jejím hlavním zaměřením je zakázková kusová výroba.

V úvahu se musí vzít i skutečnost, že elektronika uzavřená uvnitř 3D objektu se nedá opravit. Tato nevýhoda by mohla být vyřešena optickou inspekcí každé vrstvy před tiskem té další.

Jedním z průkopníků 3D tištěné elektroniky je společnost Nano Dimensions [5], která vyrábí jak samotné zařízení, tak i dielektrické a vodivé inkousty. Tato firma také v souvislosti s 3D tiskem elektroniky zavedla termíny AME (Additively Manufactured Electronics) a Micro-AM (Micro Additive Manufacturing), které přesněji vystihují podstatu tohoto procesu.

Odkazy:

[1] www.idtechex.com

[2] www.harting.com

[3] https://promwad.com/company/news/mold-electronics-imehow-it-works-and-why-its-new-trend

[4] https://inmoldsolutions.com

[5] www.nano-di.com