Пути к 3D электронике: оценка технологий и применений
Пути к 3D электронике: оценка технологий и применений
02 апреля 2020 года
Директор исследовательской компании «IDTechEx»
Металлизация 3-мерных (3D) поверхностей является растущей областью для различных применений. В опубликованной статье кратко рассмотрены некоторые технологии и их применение. Более пристальное внимание уделено прямому лазерному структурированию (LDS), аэрозольному нанесению, 3-мерной печатной электронике (3DPE), двушаговому формованию и литьевой электронике (IME).
Что движет этими тенденциями?
Межсоединения часто формируются в печатных платах (PCB). Эти платы могут быть изготовлены на гибких материалах, в основном полиимидах, позволяя создавать тонкие, гибкие и многослойные схемы. Полиимид обладает довольно высокой температурой обработки, свидетельствуя о совместимости с обычными процессами оплавления. Раз так, то процесс сборки подобен обычному на платах, например жёстких из FR4.
Более того, могут изготавливаться многослойные платы. При таких возможностях можно изготовить высокоплотные платы, пригодные для всех способов компоновки интегральных схем (IC).
Эти гибкие платы могут быть размещены в тесных пространствах и/или вокруг неплоских поверхностей.
Однако, они не столь гибкие и не очень поддатливые. Раз так, то они ограничивают свободу дизайну. Более того, они забирают дополнительное пространство и потребуют очень много операционных переходов в сборке. Следовательно, есть необходимость создать межсоединения на объектах 3D произвольной формы для преодоления недостатков. Эти способы выявили многие применения начиная от антенн до носимых устройств, автомобилей и деталей бытовой техники.
Достижения: нет подходящего размера для всего.
LDS (прямое лазерное формование)
LDS или прямое лазерное формование, теперь — установившаяся технология. В которой лазер формирует рисунок на специальной пластиковой подложке с заглублённым проводящим металлом или с доваками окисла металла. Скорость сканирования обычно около 4 м/сек, при ширине проводника 150−200 мкм, хотя фокусировка лазера может достигать гораздо меньшей ширины, например, 60 мкм или около того. Лазер удаляет поверхностный слой в сканируемых местах, освобождая проводящие части, где они затем гальванически меднятся. Изменение конструктива в цифровой форме не требует дополнительного инструментария.
Процесс имеет некоторые недостатки:
объём объекта ограничен (обычно размеры объекта не превышают 400×70×80 мм3);
работоспособен на уже металлизированных поверхностях;
требует специализированных полимеров;
при использовании технологии точечного монтажа потребуется место на 3-мерных структурах для нанесения адгезива;
переход к производству потребует относительно большого пространства в недвижимости для гальванического оборудования;
проводники будут недостаточно толстыми для электропитания (относительно передачи сигналов) при обычных проводниках.
Тем не менее, эта технология уже успешна, особенно в антеннах мобильных телефонов. Эти антенны были прямо нанесены на пластиковые части, создавая 3-мерный конструктив и устраняя избыточность ГПП.
Вызовом является то, что развивается конструктив антенны в телефоне, особенно для 5G, вероятно форсируя появление этой технологии.
Далее, этой технологии не удалось проникнуть на другие рынки. Конечно, показаны многие области применения и много изготовлено в небольших объёмах. Но, нет больших объёмов для конкуренции с имеющимся размахом антенного бизнеса.
В частности, рынок поставок оборудования находился в свободном падении, имея достаточную установленная мощность для удовлетворения существующего и краткосрочного прогнозируемого спроса, увеличилось количество поставщиков, несмотря на то, что первые разработчики стремились закрепить свои заявленные права интеллектуальной собственности.
Аэрозоль
Аэрозольное осаждение — прямой конкурент LDS. Оно также открывает путь металлизации 3-мерных конструктивов. Оно, также, с цифровым контролем рисунка, позволяя быстро менять и просматривать даже в малых производственных партиях. Создание больших объёмов здесь небольшое, как и в LDS.
Процесс отличается от LDS. Здесь формируется туман частиц, подаваемых с реактивной скоростью прямо на объект металлизации. Это высокоскоростное распыление, например, при более 50 м/сек., остаётся высокосконцентрированным, обеспечивая ширину проводника, к примеру, до 10−20 мкм на лабораторных установках. Установка содержит одну или несколько аэрозольных, реактивных головок, перемещаемых в 3-мерном пространстве рукой робота, и модуль (-и) отверждения. В связи с чем, процесс организован на очень малом физическом пространстве.
Туман состоит из частиц, в основном, из нано серебра, размером, например, 50−150 нм или около этого.
Необходимы чернила с высокой однородностью частиц или они создадут неравномерность при распылении, приводящую к неоднородности нанесения. Более того, чернила должны продемонстрировать хорошую адгезию к ряду общепринятых пластиков, например, к поликарбонату или смеси его с АБС. Чернила также должны обладать высокой проводимостью при низких температурах отверждения. Ограничивающим скорость шагом будет время отверждения, оэтому, желательно быстрое отверждение. Несмотря на это, заявлено, что такт — короче, чем у LDS. Так как проводники сформированы из чернил, то они не столь электропроводны, гальваническая медь.
Эта технология также успешна в производстве антенн. Зафиксировано создание около 16−18 установок промышленного уровня или около того. Некоторые из моделей раннего выпуска уже выработали свой срок службы. Остаётся посмотреть не появятся ли новые волновые антенны или подобные применения для аэрозоля в предстоящие годы. Это станет вызовом, определяющим будущее аэрозоля в 3-мерной металлизации.
3D печатная электроника
3D печать уже главная на рынке. Она используется для прототипов и растёт также в производстве.
Ассортимент материалов охватывает пластики, металлы, а также — керамику.
Пластмассовые конструктивы 3-мерной печати часто играют только механическую роль. Раз так, то необходимо рассматривать их как пассивные структуры. Поэтому, способность интегрирования электроники в 3-мерный конструктив позволит разработчикам печатать «интеллектуальные» объекты.
Для этого, электронные компоненты должны быть смонтированы на или в пределах 3-мерного объекта. Монтаж на внешней поверхности следует после завершения 3D печати. При размещении в структуре конструктива необходимы далее два спаренных процесса, сборка должна быть частью 3-мерной печати. Во всех случаях, компонентам необходимы межсоединения. Как для передачи сигналов, так и для электропитания. Для наилучшего использования возможностей 3-мерной печати межсоединения должны быть заглублены внутри конструктива (не только на внешней поверхности) и охватывать 3D пространство (а не металлизировать в двумерном плане в рамках 3-мерного объекта). Достижение этого открывает много новых возможностей в конструировании новой продукции. Она будет иметь малую скорость производства, предлагая превосходный дизайн и возможности покупательской продукции. Многие компании и стартапы гоняются за различными стратегиями для обладания этим. В
особенности, некоторые стараются целенаправить процесс программного конструирования и создать банк готовых, совместимых электронных устройств. Наконец, обратите внимание, что некоторые используют проводящий пластик в качестве исходного материала для 3D-печати. Наполняющие добавки, однакл, обладают достаточной проводимостью в применении для электростатического разряда и вряд ли хороши для схемы.
Двушаговое формование
Другой технологией является двушаговое формование. Здесь используется два типа смол: одна содержит катализатор проводимости (железо или общеизвестный палладий), а другая — без катализатора. Две части формуются одна за другой так, чтобы только катализированная была доступна. 3-мерную формованную деталь далее зачищают, очищают, металлизируют и завершают отделку. Уже есть применение: инсулиновые насосы.
Литьевая электроника
Литьевая электроника — другой путь создания 3-мерных металлизированных деталей, исключая использование дополнительных печатных плат. Здесь функциональные и графические чернила печатаются на одной или двух плоских плёнках, например, поликарбонатной, а далее монтируются жёсткие интегральные схемы. Этот плоский функциональный лист может затем формоваться в 3-мерную структуру инжекционным литьём.
Эта технология, которая в некоторых случаях эволюционна в литьевом декорировании, конечно, сильно отличается от всего вышеописанного. Соответственно, скорость изготовления и размеры продукции могут быть выше и больше. Монтаж на плоской поверхности облегчает и ускоряет процесс. Поэтому, процесс может быть более продуктивныи и вести к снижению единичной стоимости. Раз так, то эта технология может быть целевой для очень разных рынков. Более того, электроника, действительно, структурно интегрирована, сохраняя эстетический и графический вид продукта. Окончательно, иные структуры, как световоды, также могут быть встроены.
Необходимы многие инновации для внедрения технологии на данном этапе, включая:
— растяжимые проводящие чернила;
— специальные адгезивы, выдерживающие условия процесса;
— тонкие оптические волноводы для распределения света.
Более того, полностью просматривается разработка
Эта технология ттакже имеет некоторые вызовы, представляющие инновации материалов и возможности оптимизации процесса:
— необходима очень высокая надёжность, поскольку заглублённость электроники не даёт возможности последующего ремонта;
— сигнальные проводники работают при низкой проводимости;
— непростой конструктив, учитывающий оригинальность многих базовых и технологических материалов;
— производство требует глубокого обучения и пока слабо обеспечено.
Тем не менее, эта технология, по нашему мнению, на пути к успеху, несмотря на некоторые предшествовавшие неудачи, например, отзыв продукции Форда. По нашему прогнозу этот рынок превысит к 2029 году 1 млрд. долларов, несмотря на медленный рост. Этот успех придёт, начиная с малых, простых шагов, намечая первое поколение продукции, в относительно небольших объёмах, с небольшой сложностью схем и при невысоких ттребованиях к надёжности. Прменение в автомобильной промышленности достигнет значительных объёмов к 2022−2023 годам.
Картинки, представленные в красной рамке, демонстрируют двушаговое формование, LDS и аэрозоль.
В чёрной рамке показана продукциия и прототипы IME.
***********************
Компания «БалтМедиа Партнёр» в коммерческом партнёрстве с коллегами помогает внедрению и освоению эффективной техники и технологий на российском рынке производителей электроники, обеспечивая информационную поддержку, поставку оборудования и материалов, рациональную организацию производства.
По вопросам, связанным с производством электронной продукции, просьба использовать контакт:
Тел. +7 (921) 895−1422, (812) 994−9502
Электронная почта: office@bmptek.ru
Управляющий проекта — Алексей Леонов
