用于高端和中等范圍應(yīng)用的傳統(tǒng)電路

制造商可以利用先進(jìn)的印刷電子技術(shù)(PE)技術(shù)將功能材料應(yīng)用到塑料薄膜上，從而到達(dá)降低成本的目的。柔性和輕質(zhì)聚酯(PET)基板在許多應(yīng)用中是一個(gè)可靠的選擇，比傳統(tǒng)印刷電路板(PCB)或柔性印刷電路(FPC)技術(shù)的整體成本要低。

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用于高端和中等范圍應(yīng)用的傳統(tǒng)電路

在電子產(chǎn)品中使用的蝕刻銅PCB提供了許多優(yōu)點(diǎn)，包括機(jī)械完整性、導(dǎo)電性和可靠性。然而，剛性結(jié)構(gòu)限制了設(shè)計(jì)的靈活性。隨著電子器件尺寸的減小和形狀的不斷變化，F(xiàn)PC解決方案比多氯聯(lián)苯具有優(yōu)勢，因?yàn)樗鼈兪强蓮澢模昧巳S空間，同時(shí)保留了PCB的某些理想性能特征。然而，F(xiàn)PC的成本高于傳統(tǒng)的PCB。

圖1. 傳統(tǒng)銅蝕刻電路

PCB和FPC的制造都涉及到減色法制造方法，首先是一層聚酰亞胺或一種FR(玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基板)電介質(zhì)粘在一層銅上。在用濕化學(xué)方法腐蝕不需要的銅之前，導(dǎo)電路徑被掩蓋，只留下所需的電路模式。在大多數(shù)情況下，大量的銅被移除了在基材上，導(dǎo)致材料利用率低。增加兩個(gè)以上的信號(hào)層還需要額外的步驟，如疊層熱壓，鉆孔和電鍍過程。多層電路可能涉及40多個(gè)過程步驟。由于潮濕的化學(xué)過程，蝕刻的銅制設(shè)備也需要昂貴的水過濾和廢水處理系統(tǒng)。

盡管存在這些挑戰(zhàn)，PCB仍然是高端應(yīng)用的黃金標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)制造的基于PCB板的電子產(chǎn)品的性能仍然高于使用可替代的印刷電子產(chǎn)品。然而，許多產(chǎn)品不需要PCB的高端性能。大多數(shù)電子產(chǎn)品需要相對(duì)較低的中檔性能。在這些情況下，印刷電路提供了一個(gè)可行的替代方案。

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經(jīng)濟(jì)型印刷電子產(chǎn)品提供多功能性和節(jié)約成本

在越來越多具有較低功能性能要求的實(shí)際應(yīng)用中，印刷電子(PE)可以成為PCB或FPC技術(shù)的低成本替代品。顧名思義，PE結(jié)合了傳統(tǒng)的印刷功能，將機(jī)能性油墨印刷到一個(gè)制造電子電路的基底上。機(jī)能性油墨通過單張紙或卷筒紙印刷工藝選擇性地沉積在襯底上。然后這些墨水被加熱或通過紫外光固化。如果需要多個(gè)信號(hào)層，就會(huì)有多個(gè)打印和治療通過。銀電路印刷工藝非常高效，不使用刺激性化學(xué)物質(zhì)，也不會(huì)產(chǎn)生任何廢物。精確的印刷方法只適用于電路中所需要的材料。

圖2. 印刷電路技術(shù)的演變(從左到右: PCB, FPC 以及PE 技術(shù)）

幾種用于印刷的常見沉積方法。絲網(wǎng)印刷，目前最流行的PE制造方法，允許應(yīng)用厚度均勻的機(jī)能層。對(duì)于更高的輸出要求，可以使用flexography、rotogravure或旋轉(zhuǎn)屏幕來使用連續(xù)的卷對(duì)卷(R2R)過程。柔性印刷提供了比絲網(wǎng)印刷更薄的油墨層的高分辨率印刷。凹版印刷是一個(gè)成本較高的過程，它可以提供優(yōu)勢，特別是在高速高分辨率模式的大面積電子產(chǎn)品。

一些R2R，多階段印刷系統(tǒng)提供混合解決方案與一個(gè)印刷線結(jié)合多種沉積方法。生產(chǎn)速度快是R2R系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)，有些過程的速度可達(dá)每分鐘1000英尺。但是，速度可以根據(jù)材料和印刷精度的不同而變化，特別是如果需要打印多層印刷油墨。通過注冊(cè)是確保最終產(chǎn)品的正確的關(guān)鍵。一般來說，較慢的印刷速度會(huì)產(chǎn)生更均勻的材料層和更好的注冊(cè)公差。R2R過程對(duì)于高通量生產(chǎn)也是最有效的，因?yàn)樗枰粋€(gè)更長的設(shè)置時(shí)間，并且需要更多的油墨和基底。

圖3. 針對(duì)大量PE產(chǎn)品制作流程的卷對(duì)卷(R2R) 方式

最近在功能材料和制造能力方面的發(fā)展使印刷電子產(chǎn)品在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域變得更加通用和實(shí)用。導(dǎo)體、絕緣體(介質(zhì))和半導(dǎo)體構(gòu)成了大多數(shù)印刷電子系統(tǒng)的功能材料。這些材料中含有無機(jī)和有機(jī)物質(zhì)，這些物質(zhì)能使它們的功能發(fā)揮作用。導(dǎo)電墨水可以包含銀、碳或銅粒子，此外還有聚合物粘合劑和溶劑等其他部件?？梢岳酶鞣N添加劑來影響油墨的沉積能力和功能特性。

導(dǎo)電微粒或填料可以是不同的尺寸或化學(xué)結(jié)構(gòu)，直接影響液體油墨和干印刷層的性能。傳統(tǒng)的填充物在尺寸上比較大，因此在印刷200微米以下的小部件時(shí)是一個(gè)限制因素。多年來，油墨制造商已經(jīng)能夠降低填充劑的尺寸，并微調(diào)油墨系統(tǒng)的組成，使其能夠可靠地打印低于50微米的導(dǎo)電痕跡。低電阻銀油墨的發(fā)展為各種低功率低轉(zhuǎn)速信號(hào)的應(yīng)用提供了一個(gè)特別有效的電路。

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PE技術(shù)基板的進(jìn)展

印刷電子產(chǎn)品的另一個(gè)獨(dú)特之處是能夠使用更經(jīng)濟(jì)的基板。聚酰亞胺在傳統(tǒng)電子電路中是一種受歡迎的柔性基底，具有很高的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。然而，這些屬性的價(jià)格限制了它對(duì)許多產(chǎn)品應(yīng)用的使用。在制造過程中，傳統(tǒng)的PCB和FPC基底必須滿足一定的要求才能耐高溫，并且耐腐蝕和電鍍槽的化學(xué)物質(zhì)。在印刷電子產(chǎn)品中使用的基底不需要如此苛刻的條件，因此PET是一個(gè)很好的基礎(chǔ)材料選擇。

用機(jī)能性油墨印刷的聚酯(PET)基底被證明對(duì)更廣泛的應(yīng)用來說是有效的，這些應(yīng)用需要柔軟并能彎曲的電路，以適應(yīng)狹窄的空間或相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域。NFC印刷智能標(biāo)記利用了這些屬性，創(chuàng)建了一個(gè)超薄的設(shè)備，它只是比典型的紙質(zhì)標(biāo)簽稍微突出一些。雖然基于PCB板基礎(chǔ)的設(shè)備在平面上的應(yīng)用是有限的，但印刷設(shè)備可以符合各種幾何圖形，增加潛在應(yīng)用可能性。

圖4. NFC 溫度標(biāo)簽

PET基底可在多種產(chǎn)品中使用。根據(jù)最終的應(yīng)用方向，可以選擇透明的、半透明的或帶厚度小于0.18mm的白色版本。在決定PET技術(shù)之前，其他的考慮因素包括材料的選擇、加工參數(shù)以及通過表面安裝技術(shù)(SMT)添加電子元件等后印刷過程。經(jīng)過特殊處理的聚酯類型可以在不同的級(jí)別上提供穩(wěn)定的印刷表面，并加強(qiáng)油墨和基材之間的粘結(jié)。這些處理促進(jìn)粘連，防止油墨在印刷電路模式時(shí)擴(kuò)散。這在打印細(xì)紋時(shí)尤其有用。

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PET 粘合材料和流程

目前生產(chǎn)的大多數(shù)聚乙烯可以被稱為混合技術(shù)。部分電路被打印出來，而其他功能部件則采用傳統(tǒng)的SMT過程集成。改進(jìn)的導(dǎo)電結(jié)合材料，允許制造商在PET上附加細(xì)螺距組件。傳統(tǒng)焊料回流過程允許附件的電子元件(二極管、電容器、電阻、集成電路等)聚酰亞胺和其他包銅基板在溫度超過+ 200°C。由于聚酯在這些溫度下降解，另一種選擇是使用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂，在恒定溫度下固化，但限制了可能粘結(jié)的組分的類型。

圖5. SMT 元件: 聚酰亞胺上的FPC(左) 和聚酯上的PE(右)

增強(qiáng)的粘合材料現(xiàn)在允許微處理器和其他半導(dǎo)體元件的連接，通過傳統(tǒng)的回流焊工藝，其間距為0.50mm。標(biāo)準(zhǔn)的擋拆和回流設(shè)備用于將表面安裝組件與印刷的銀電路連接起來。在較低溫度下回流處理可滿足PET加工參數(shù)。作為表面安裝過程的最后一步，可以在組件上放置一個(gè)可彎曲的封裝材料。固化后，使焊點(diǎn)更耐振動(dòng)和機(jī)械沖擊。

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發(fā)掘印刷電路的更多機(jī)會(huì)

該應(yīng)用將決定生產(chǎn)工藝的選擇，最終選擇基材(FR，聚酰亞胺或聚酯)。每個(gè)基底都有獨(dú)特的設(shè)計(jì)優(yōu)勢，制造成本和操作限制。耐溶劑和熱穩(wěn)定的PET提供了一種靈活的替代品，在多氯聯(lián)苯中使用的剛性FR基板和一個(gè)更劃算的替代聚酰亞胺基FPCs。PET薄膜可以很好的平衡加工特性，包括溫度電阻、性能和成本。

在薄膜開關(guān)面板的應(yīng)用中，在PET襯底上印制的銀電路已有多年經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)在，他們?cè)絹碓蕉嗟剡w移到汽車、醫(yī)療、商業(yè)傳感器和射頻識(shí)別和NFC支持的產(chǎn)品、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和其他應(yīng)用領(lǐng)域的電子應(yīng)用領(lǐng)域。技術(shù)集成商正在將PE解決方案應(yīng)用于新產(chǎn)品和現(xiàn)有產(chǎn)品。用于制造印刷電子產(chǎn)品的材料和技術(shù)的發(fā)展將繼續(xù)為這一領(lǐng)域提供更多的機(jī)會(huì)。

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