Tisknutá elektronika pro pružné senzory | VMANX

VMANX, výrobce tištěných elektronických součástí certifikovaný podle normy ISO 9001 a založený v roce 2006, vyvíjí tištěné elektronické součásti pro pružné senzory v Dongguanu v Číně pro průmyslové řízení, chytré domácí spotřebiče, robotiku a tenké lidsko-strojové rozhraní. Proces nanáší stříbrné, uhlíkové a dielektrické inkousty přímo na polyesterové (PET), polyimidové (PI) nebo funkční polymerové fólie, protože obvod musí být ohebný, vejít se do omezeného prostoru a často zároveň snímat sílu, dotek, polohu nebo vibrace na stejné ploše. Kombinací tisku vzorů, řízeného tuhnutí, laminace, vyražení a elektrického testování lze jednu tenkou fóliovou součást nahradit samostatnými vodiči, spínači a snímacími prvky.

Obvod se může stát součástí povrchu

Tradiční elektronika začíná s tuhou deskou a požaduje, aby produkt pro ni vytvořil prostor. Tištěná elektronika začíná povrchem výrobku a ptá se, jaké elektrické funkce lze do této geometrie integrovat.

Vodivý vzor se může stát propojovacím prvkem. Uhlíková barva může tvořit odporový prvek. Tištěná elektroda může zachytit biologický nebo piezoelektrický signál. Dielektrická vrstva umožňuje dvěma obvodům křížit se, aniž by došlo ke zkratu. Kovové kupole, LED diody a konektory lze poté integrovat tam, kde rozhraní vyžaduje fyzickou zpětnou vazbu nebo osvětlení.

Výsledkem není pouze tenčí deska plošných spojů. Je to jiná architektura: senzorová vrstva, vedení a uživatelské rozhraní sdílejí jeden flexibilní nosič místo toho, aby byly sestaveny jako samostatné mechanické součásti.

Hlavní vlastnosti a výhody Aditivní vytváření vzorů používá materiál pouze tam, kde je funkce vyžadována

V obvodu z PET s postřikem stříbra se vodivá pasta nanáší pouze tam, kde je potřebná stopa, elektroda nebo kontakt. Oficiální proces VMX-FPC-AG zahrnuje řezání PET, koronovou úpravu, potisk stříbrem, tepelné tuhnutí, volitelný potisk dielektrika nebo uhlíku, laminaci tužící vrstvy za nízké teploty, řezání a elektrické testování.

Tato aditivní metoda umožňuje vyhnout se úplnému odstraňování mědi, které se používá u leptaných obvodů. U signálových cest s nízkým proudem a jednoduchých konstrukcí s jednou nebo dvěma vrstvami to znamená rychlejší vývoj prototypů a nižší náklady na výrobu menších sérií, aniž by bylo nutné platit za výkon, který daná aplikace nepoužívá.

Funkční inkousty přeměňují jednu fólii na několik komponentů

Tisknutá elektronika je ceněná proto, že každý inkoust plní jinou elektrickou funkci:

• Stříbrná pasta tvoří vodiče a kontaktové plošky s nízkým odporem.

• Uhlíková barva tvoří odporové dráhy a oblasti citlivé na sílu.

• Dielektrický inkoust izoluje křížící se vodiče a chrání vybrané oblasti.

• Tisknuté elektrody převádějí mechanický vstup, dotyk nebo piezoelektrický vstup do obvodu.

Nanášením těchto materiálů na jediný podklad může inženýr vytvořit tlakový senzor, membránový potenciometr, dotykové rozhraní nebo sběrač signálu bez nutnosti přidat samostatný kabelový svazek pro každou funkci.

Flexibilní podklady se vejdou tam, kde se tuhé desky nevejdou.

PET je dostupný v tloušťkách 50, 75, 100, 188 a 250 μm, včetně průhledných variant. Podklady z PI jsou dostupné v tloušťkách od 12,5 do 125 μm pro aplikace vyžadující vyšší teplotní odolnost, přesnější geometrii nebo montáž SMT. Film PVDF přidává aktivní piezoelektrickou vrstvu pro snímání vibrací, akustických signálů a dynamických sil.

Tyto fólie lze navíjet kolem zakřivení, umístit pod překryvné vrstvy, protáhnout úzkými pouzdry a skrýt uvnitř hotového výrobku. Obvod je navržen podle mechanického prostoru, nikoli tak, aby bylo nutné upravit pouzdro kvůli desce.

Tisknutá elektronika podporuje více než jeden fyzikální princip senzorů.

Stejná výrobní platforma umožňuje několik různých elektrických chování:

• Piezorezistivní FSR převádí působící sílu na změnu odporu.

• Kapacitní dotyk zjišťuje blízkost nebo dotyk prstu prostřednictvím překryvu.

• Membránová potenciometrie převádí lineární nebo rotační polohu na analogový výstup.

• PVDF piezoelektrická fólie převádí dynamickou sílu, vibrace nebo akustickou energii na náboj.

• Membránové spínání kombinuje tištěné obvody s dotykovými kroužky, překryvy a volitelným osvětlením.

To je důležité pro týmy OEM, protože jeden dodavatel může vyřešit několik rozhraní pomocí souvisejících materiálů, nástrojů a logiky kontroly místo zavádění samostatné výrobní řady pro každý typ snímacího prvku.

Tři materiálové platformy, tři inženýrská okna

Tištěná elektronika není univerzální materiálový systém. Správná platforma závisí na teplotě, proudu, životnosti při ohybu, optických požadavcích a metodě montáže.

PET stříbrné tištěné obvody — rychlé, tenké a potenciálně průhledné

VMX-FPC-AG využívá stříbrnou pastu aplikovanou síťovým tiskem na PET. Standardní suchá tloušťka stříbra je 5–15 μm, minimální šířka vodivé dráhy a mezera mezi nimi je 150/150 μm; pokročilý proces umožňuje i 100/100 μm. Proudová zatížitelnost dosahuje až 0,8 A za uvedených podmínek vodivé dráhy. Provozní teplotní rozsah činí −20 °C až +80 °C při více než 50 000 cyklech ohybu.

Jeho odlišující vlastností je optická volnost: volitelná verze s nanovláknami stříbra (AgNW) dosahuje alespoň 89 % propustnosti při vlnové délce 550 nm při povrchovém odporu 50–100 Ω/čtvereček. To činí tuto platformu vhodnou pro průhledné dotykové panely, senzory s nízkou spotřebou, LED pásky a rychlé prototypování. Kompromis je stejně zřejmý: PET není vhodný pro pájení reflow a připevnění součástek vyžaduje vodivé lepidlo s nízkou teplotou tuhnutí.

PI měděné flexibilní tištěné obvody — přesnost, proudová zatížitelnost a kompatibilita se SMT

VMX-FPC-CU využívá leptanou měděnou fólii na polyimidu (PI). Podporuje minimální šířku vodivé dráhy a mezeru 75/75 μm, 50/50 μm při tloušťce mědi 0,5 uncí, řízenou impedanci 50 Ω pro jednoduchý signál nebo 100 Ω pro diferenciální signál s tolerancí ±10 % a více než 200 000 cyklů ohybu při použití mědi RA podle uvedené zkušební metody. Provozní teplotní rozsah se pohybuje od −40 °C do +150 °C a konstrukce umožňuje pájení reflow.

Tato platforma je správnou volbou, pokud obvod přenáší vyšší proud, vyžaduje husté umístění součástek, musí odolávat opakovanému dynamickému ohybu nebo musí zachovávat řízenou impedanci. Nejedná se o nejlevnější řešení, ale poskytuje rezervu pro elektrické i montážní požadavky, kterou nelze dosáhnout u cest s postřikem stříbrnou pastou.

Elektrody tisknuté z PVDF — samotná fólie se stává senzorem

Platforma VV-PVDF6866 využívá vysoce čistou PVDF fólii s tištěnými elektrodami z argentové pasty a vícevrstvou ochranou. Základní fólie je dostupná v tloušťkách 28, 44 a 110 μm; vrstva elektrod má tloušťku 5–10 μm. Publikované výkonové parametry zahrnují frekvenční odezvu od 0,1 Hz do 100 MHz, chybu linearity ±1 % plného rozsahu, provozní teplotní rozsah od −20 °C do +85 °C a průrazné napětí izolace minimálně 1800 VDC pro fólii tloušťky 44 μm.

Zde tištěná elektroda není pouze vodičem signálu od samostatného senzoru – shromažďuje náboj přímo z aktivní fólie. To umožňuje výrobu tenkých, pružných senzorů vibrací, akustických signálů a dynamických sil pro monitorování zařízení, dopravní techniku, vývoj lékařských přístrojů a nositelné zpětné vazby.

Technické specifikace

Uvedené hodnoty jsou specifikace výrobkové platformy vydané společností VMANX, nikoli univerzální limity pro každý návrh tisknuté elektroniky. Konečný výkon závisí na geometrii, typu pasty, podložce, režimu tepelného zpracování a metodě integrace.

Výrobní řetězec, který určuje opakovatelnost 1. Příprava podkladu

Fólie přichází jako mechanický materiál, nikoli jako elektronická součást. Čištění, stříhání a povrchová úprava rozhodují o tom, zda funkční inkoust rovnoměrně smáčí a spojuje povrch. Stříbrné obvody z PET se před tiskem podrobuji koronovému zpracování; nedostatečně upravený povrch může na první pohled vypadat v pořádku, avšak později selže při ohybu nebo za vlhkosti.

2. Nanášení funkčního inkoustu

Sítotisk nebo přesný vzorový tisk definuje vodivou a snímací geometrii. Šířka vodičů, tloušťka vysušené vrstvy a poloha vzoru řídí odpor a konzistenci mezi jednotlivými kanály. Nízkocenný inkoust nanášený nerovnoměrně není nízkocenným obvodem – je to proměnný rezistor maskovaný jako vodič.

3. Kontrolované tuhnutí a postupné vytváření vrstev

Energie pro vytvrzení určuje, zda tištěné stříbro dosáhne požadované vodivosti a přilnavosti. Volitelné uhlíkové a dielektrické vrstvy přidávají funkce snímání nebo izolace, avšak každá nová vrstva zavádí interakce mezi zarovnáním (registration) a vytvrzovacími procesy, které je třeba ověřit jako celek.

4. Laminace, stříhání a elektrické testování

Před konečným vyražením jsou přidány ochranné vrstvy, tužící prvky, lepicí systémy a konektory. Elektrické testování následně kontroluje spojitost, izolaci a odpovídající reakci senzoru. Právě zde se tištěný vzor mění na řízenou součástku, nikoli pouze na dekorativní fólii.

Kdy je tištěná elektronika špatnou volbou

Tištěná elektronika je výhodná tehdy, když je důležitější geometrie, tenkost, pružnost, průhlednost nebo integrované snímání než maximální hustota vodičů a zatížení výkonem. Neznamená automaticky nejlepší řešení pro každý obvod.

Pokud výrobek vyžaduje husté osazení SMT, opakované vysokoteplotní pájení v peci, řízenou impedanci nebo proud přesahující tepelný limit stříbrné vrstvy, je FPC z mědi na polyimidové bázi lepší volbou. Pokud se vyžaduje měření statické hmotnosti na nízkých frekvencích s přesností laboratorního měření, je pro daný účel vhodnější tenzometrický snímač než odporový tlakový senzor (FSR). Pokud jde o detekci přítomnosti na úrovni místnosti spíše než o tlak na jedné povrchové ploše, radaru vyhovuje tento požadavek lépe než senzorová podložka.

Technická výhoda spočívá ne v tom, že bychom každý projekt nutili k použití jediné technologie, ale v tom, že vybereme platformu s nejnižší možnou složitostí, která přesto plně splňuje skutečný požadavek.

Často kladené otázky zákazníků

Otázka: Co jsou tištěné elektronické součásti? Odpověď: Tištěné elektronické součásti vznikají nanášením vodivých, odporových, dielektrických nebo aktivních materiálů ve vzorech na substrát, například PET, PI nebo PVDF. Tištěné vrstvy přímo na fólii vytvářejí obvody, elektrody a senzorové zóny.

Otázka: Je tištěný stříbrný obvod totožný s měděným FPC? A: Ne. Tištěný stříbrný obvod na PET je aditivní proces s nízkou teplotou, vhodný pro nízkoproudové aplikace, rychlé výrobní cykly a průhledné konstrukce. Měděné flexibilní tištěné obvody (FPC) na polyimidu (PI) využívají subtraktivní leptání a umožňují užší vodivé dráhy, vyšší proudovou zátěž, povrchovou montáž (SMT) s reflow pájením a řízenou impedanci.

Q: Lze tištěnou elektroniku vyrobit průhlednou? A: Ano. Průhledná varianta VMANX na bázi stříbrných nanovláken (AgNW) má povrchový odpor 50–100 Ω/čtvereček a minimální propustnost světla 89 % při vlnové délce 550 nm. Standardní tištěné stříbro je viditelné; průhlednost vyžaduje speciální konstrukci s AgNW.

Q: Je možné součástky montovat přímo na stříbrné obvody na PET? A: Ano, avšak ne pomocí standardního vysokoteplotního reflow pájení. Pro součástky na PET se používá nízkoteplotní vodivé lepidlo. Aplikace vyžadující klasické SMT reflow pájení by měly využívat měděnou platformu na PI.

Q: Jak velkou pružnost mají obvody? A: Publikovaná PET stříbrná platforma překračuje 50 000 cyklů ohybu při uvedeném testu MIT, zatímco PI měděná vrstva s RA mědí překračuje 200 000 cyklů. Skutečná životnost závisí na poloměru ohybu, tloušťce vrstev, směru vodivých drah a mechanické kompenzaci napětí při montáži.

Q: Jaké inkousty se používají u tištěného senzoru? A: Stříbrný inkoust tvoří vodivé dráhy, uhlíkový inkoust může tvořit odporové nebo síla-aktivované prvky a dielektrický inkoust poskytuje izolaci a ochranu. Přesné uspořádání vrstev závisí na principu snímání a požadovaných elektrických parametrech.

Q: Jaké certifikace platí pro tuto průmyslovou platformu tištěné elektroniky? A: Průmyslovou platformu vyrábí společnost VMANX podle normy ISO 9001 a s dodržením omezení látek podle směrnic RoHS a REACH. Certifikace specifické pro daný výrobek závisí na konečném použití a jsou drženy značkou, která konečný výrobek uvádí na trh.

Q: Lze v jednom projektu kombinovat tištěné senzory a měděné flexibilní tištěné spojovací desky (FPC)? A: Ano. Hybridní architektura může využívat tištěnou fólii pro senzorickou nebo dotykovou vrstvu velké plochy a PI měděné flexibilní tištěné spoje (FPC) pro husté komponenty, napájení a trasování konektorů. Rozhraní mezi oběma částmi musí být navrženo tak, aby odolávalo odporu, mechanickému namáhání a zvolené teplotě montáže.

Technická podpora pro výrobu na zakázku (OEM)

VMANX podporuje programy týkající se tištěné elektroniky – od výběru materiálů a technologických postupů přes návrh obvodů, výrobu prototypů až po uvedení do sériové výroby. průmyslový portfolia zahrnují flexibilní tištěné obvody ,snímače síly dotyku ,membránové potenciometry ,Systémy HMI a PVDF piezoelektrické senzory . Podrobná technická data jsou k dispozici pro dvouřadovou průmyslovou FPC platformu ,průmyslový tenkofilmový snímač odporu (FSR) ,Snímač z fólie PVDF a specifikaci membránového spínače .

Závěr

Tisknutá elektronika odstraňuje hranici mezi obvodem a povrchem. Vodiče, odpory, elektrody, izolace a rozhraní lze přímo tisknout na pružné fólie, které se následně laminují, stříhají a testují jako jeden technicky zpracovaný komponent. Obchodní hodnota spočívá nejen v tenkosti – ale i v menším počtu samostatných dílů, menším mechanickém objemu a architektuře senzorů přizpůsobené výrobku místo toho, aby byl výrobek přizpůsobován tuhé desce.