Различие аддитивной и субтрактивной технологий

10 июнь 2023 года

Аддитивный и субтрактивный методы производства электроники — два определяющих процесса с длинной и содержательной историей. В зависимости от того, что необходимо осуществить, могут понадобиться преимущества обоих.

Поработав какое-то время в электронике, возникает знакомство с субтрактивным производством печатных плат (ПП), доминирующим процессом на протяжении более 60-ти лет. Но, вероятно, что знания об аддитивном производстве, известном, как печатная электроника (ПЭ), или о развивающейся области гибкой, гибридной электроники (ГГЭ) — неполны.

Субтрактивная, аддитивная и гибкая, гибридная электроника.

Субтрактивное производствоzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Субтрактивное электронное производство ограничено несколькими базовыми материалами, в основном, подложками FR4 или Kapton, с медью для соединения мощных кремниевых компонентов, являющихся приводом успехов электроники на протяжении последних десятилетий.

Субтрактивное производство охватывает удаление меди с подложки с помощью кислого химического травления, оставляя рисунок схемы, а затем — пайка электронных компонентов. Это — промышленный процесс, использующий крепкие химикаты и специальное оборудование для массового производства.

Прохождение по циклам прототипов при разработке конструктива, субтрактивное производство может замедлить продвижение на продолжительное время, нарушив цепь поставок, и создав дополнительные затраты, связанные с ограниченным заказом. Если желательно решение по прототипу на месте, по собственному временному графику, то можно рассмотреть аддитивные методы для этого.

Аддитивное производствоzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

Аддитивная электроник создаётся нанесением проводящих чернил на подложку, для создания рисунка схемы, а затем — пайка компонентов. Ключевым моментом аддитивного электронного производства является быстрый отклик. Процесс идеален при разработке конструктива на одном принтере, осуществляющем на месте сверление, печать, пайку и оплавление.

Другим преимуществом является масштабирование. Если использовать технологию прямой печати при конструировании-разработке, то можно сделать безболезненный переход от сеткографической печати к массовому производству, т. к. обе технологии совместимы по использованию чернил. В сеткографической печати электроники, проводящие чернила проходят через мелкую сетку трафарета с нанесением рисунка схемы на материале (аналогичный процесс применяется при отпечатках на ткани).

В аддитивном производстве электроники можно создавать жёсткие ПП. Однако, можно получать оттиски схемы и на всех других подложках, создавая растяжимую, гибкую или изменяемую электронику. Существуют бескрайние варианты материалов.

Аддитивные методы для производства электроники открывают мир возможностей при обращении к чернилам, подложкам и технологиям, но сдерживают для обучения. Если работать с нестандартными материалами, то будет трудно с технологией печати для использования и/или изгиба головки для повторения формы подложки.

Однако, интерес к гибкой гибридной электронике (ГГЭ) ведет к более тесной связи в создании стоимости и расширении сотрудничества в отрасли.

Гибкая, гибридная электроникаzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

ГГЭ — объединение печатных элементов (изготовленных аддитивно) с обычными полупроводниковыми компонентами (произведёнными субтрактивно).

Это объединяет мощь жёстких интегральных схем (ИС) с широкой доступностью новых материалов в аддитивной технологии, открывая дверь для новых применений и форм, никогда ранее не использованных.

Сюда включены и медицинские датчики, которые органически сочетаются с кожей пациента или печатной схемой прямо на круглом корпусе ракеты.

Примечание: ГГЭ не следует путать с ГПП, изготовленной из материала Kapton с вытравленной медью, произведённой по субтрактивной технологии.

Новые технологии печати делают возможным осаждение проводящих чернил почти на всём: от улоьного волокна до стекла и биоразлагаемых материалов, и даже на изогнутых поверхностях (см. фото). Принтер ГГЭ размещается даже на столе, делая технологию доступной, чем ранее.

Для большинства инженеров по электронике и конструкторов, незнакомых с ГГЭ, может быть неожиданностью узнать, что ПЭ не является новомодным процессом. Аддитивное производство электроники существует также давно, как и сама электроника.

Эволюция электронного производстваzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

В начале 20-го столетия не было различия между субтрактивными и аддитивными процессами производства. Люди только скрепляли вместе компоненты проволокой, припоем или проводящей лентой, надеясь создать электронное устройство, сжигая, иногда, в процессе собственный дом. Конечно, там не было ничего, что напоминало бы современную ПП, но первые новаторы закладывали фундамент, приведший к созданию современной высокотехнологичной электроники.

Во время Второй мировой войны США и Великобритания начали аддитивное производство встроенных предохранителей для ракет, выравнивая горячий производственный процесс. Сопротивления, диэлектрики и проводники из пасты печатались на керамической плате, плата помещалась в печи при 850ºС, а в результате — получалась красиво выглядевшая гибридная микросхема.

В 1948 году национальное бюро стандартов собрало симпозиум для обсуждения 26 различных путей изготовления электронных схем, определивший, на первое время, аддитивные и субтрактивные методы.

Десять лет спустя в Силиконовой Долине была создана ИС. Спустя несколько лет, в 1964 году, продана первая коммерческая ИС. ИС очень чувствительны к теплу, поэтому субтрактивное производство было единственным совместимым со встраиванием ИС в ПП.

На протяжении последующих десятилетий быстро внедряемых инноваций электроника стала компактнее и более мощной. Компьютеры усохли от комнатных размеров до размера телефона, а количество цифровых ИС на ПП — ежегодно удваивалось (сегодня ИС имеют миллионы транзисторов).

Производство аддитивной электроники продолжало развиваться более медленными темпами, добившись прогресса на нескольких нишевых рынках: солнечные панели, полоски для измерения уровня глюкозы в крови и тестер печатных батарей Duracell, но никто не придумал, как внедрить ИС, используя аддитивные методы.

Вхождение в новое столетие ознаменовало эру аддитивных технологий. В 2002 году американское Агентство исследовательских проектов по национальной безопасности (DARPA) мощно инвестировало в проекты аддитивного производства в части инициативы создания прорывных технологий и возможностей по национальной безопасности. Их целью стало нахождение пути печати чего-либо на чём-либо.

Благодаря существенным финансовым вливаниям, исследователи создали технологии прямой и струйной печати, которые позволяют печатать проводники, сопротивления и изоляторы. Успехи в науке о материалах привели к разработке биочувствительных, теплоэлектрических и электролюминисцентных чернил, растягиваемых материалов и иного.

В результате прогресса Национальный исследовательский совет установил необходимость организации промышленности по аддитивной технологии для улучшения взаимодействия, создания стандартов, выстраивания стабильных цепей поставок и нахождения путей встраивания жёстких кремниевых ИС в гибкие материалы. Это ведёт к новой эре ГГЭ.

Будущее электроникиzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz

В то время, как эти два метода привели к существующему положению, субтрактивный производственный процесс установился для жёстких ПП, а аддитивный — только в начале раскрытия потенциала, будущее электроники имеет место для обоих процессов. ГГЭ использует лучшее из обоих миров, сокращая разрыв между тем, что можно сделать, и тем, что хотелось бы сделать с помощью электроники.

*************************************************

.

. Компания «БалтМедиа Партнёр» решает все возникающие на российской территории вопросы поставок, информационной поддержки, запуска и сопровождения обслуживаемого производства поверхностного монтажа, печатных плат и гальваники. Санкт-Петербург, Таллинское шоссе, 206 Тел. +7 (921) 895−1422, (921) 994−9502 Эл. почта: office@bmptek.ru Управляющий проекта — Алексей Леонов