从传感器、监视器到可穿戴设备及手持设备,形形色色数量巨大且范围仍在持续拓展的产品都需要具有柔性的电路。对于这类电子装置与设备,这存在一定的难度。消费者、医疗服务提供商、系统集成商以及其他最终用户都要求实现较高的性能,最好还具备精细的设计、直观的智能控制功能以及紧凑的体积,价格则要具有竞争力。在考虑项目预算的同时,OEM的工程师们必须选择合适的材料与电路技术,来实现上述所有目标。

基础电路技术

无论是刚性还是柔性,蚀刻铜电路都是电子学的基础技术。众所周知,印刷电路板(PCB)具有极高的机械完整性、导电性以及可靠性,但是应用却受到其刚性构造的约束。其扁平的外观使设计局限于两个维度,严重影响了设计的灵活性,随着电子设备的尺寸不断缩小,这一缺陷尤为明显。柔性印刷电(FPC)能够弯曲,可以充分利用三维空间,同时还可使用焊接的组件。尽管FPC可以改善电子元件的封装能力,与PCB相比成本却要高得多。

聚酯基板上的印刷型银电路一直以来都用于家电和薄膜面板行业,现在在传统电子设备上的应用也日益普遍,取代常用的蚀刻铜电路。印刷技术采用印刷的方法,在柔性聚酯(PET)基板上选择性地应用导电墨水,效果良好,而成本则要低得多。

创建深度与空间

在以前,随着电子封装密度的不断增加,设计人员的唯一选择就是整合柔性印刷电路板,在三维结构中对线迹进行路由。然而,印刷和组件粘结方面的创新,意味着设计人员可以用轻巧的柔性印刷型银电路代替应用中价格过于昂贵的传统蚀刻铜电路。

随着银墨水丝网印刷技术的进步,制造商已可印刷出宽度及间距均低至0.127mm的线迹。低阻墨水的发展实现了一种特别有效的电路,适合众多的低功率和低速信号应用。采用大批量辊间印刷工艺之后,制造商还可以控制生产规模。

元件粘结工艺得到了进一步的改进,克服了在聚酯上粘结细螺距元件的种种局限。多年来,在薄膜面板的制造中一直使用导电环氧树脂将LED、电容器和电阻器粘结到聚酯基的电路上。增强粘结材料现在已经发展到允许粘结螺距紧密度高达0.50mm的微处理器及其它元件。

低成本替代技术

与柔性蚀刻铜电路相比,印刷型银电路的一个主要优势就在于成本低。银电路不仅基础材料的性价比要高得多,使用的制造工艺也更为简单。

印刷型银电路的制造从一片空白的标准聚酯板开始, 导电墨水(一般为银或碳)通过馈送式丝网印刷或辊间工艺选择性地只沉积在聚酯基板上所需的位置,然后墨水可通过加热或照射紫外光进行固化。如果需要多个信号层, 则可进行多次印刷和固化处理。这种工艺效率极高, 几乎不产生废物, 并且也无需进行废水处理。

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图1:增强粘结材料的发展,现在已经可以粘结间距紧密度高达0.50mm的半导体组件。

随后,采用标准的拾放和回流焊设备将表面贴装组件粘结到印刷型银电路上。在粘结工艺的最后一步将涂布紫外密封剂,该密封剂在固化后将提高电路对振动和机械冲击的耐受性。但印刷型银电路并不适用于通孔或球状网格阵列(BGA)组件。

相反,传统的刚性和柔性铜电路通过减成法制作而成。该工艺从粘结到铜片上的聚酰亚胺板或FR介电板开始。首先对所需的导电通路进行遮蔽,然后采用湿化学工艺蚀刻掉所有不需要的铜金属,只留下所需的电路图案。在大多数情况下,去除掉的铜要比留在电路上的多得多,因而材料的使用率不高。如果要添加两个以上的信号层,还需要层压、钻孔和镀层工艺。多层电路可能需要超过40个工艺步骤。此外, 由于较多采用湿化学工艺,蚀刻铜的生产设备都需要配备废水处理系统。

迎接创新

从高端、精密的电子元件到易碎、一次性及其它低成本设备,印刷型银电路向任何应用敞开大门,迎接更为广泛的产品创新。聚酯材料价格便宜,是能够替代刚性PCB的一种柔性基板产品,对于FPC更是一种极具性价比的替代产品。

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图2:印刷型银电路适合任何应用,并且可配合广泛的产品创新。

丝网印刷的银电路和辊间印刷型柔性电路正用事实证明在许许多多的应用中都是一种非常可行的替代技术,这些应用包括:

  • 低成本的一次性传感器产品,包括胶粘标签、RFID以及数据记录装置;
  • 便携设备和移动设备,例如可穿戴设备、个人诊断传感器设备、健身器材和时尚用品等,是其中FPC
  • 的经济型替代技术;
  • 需要使用脆弱电路的防篡改瓶及其它易碎应用;
  • 医用传感器设备,例如用于心电图引线和氧气感应的轻量级电路;
  • 家用电器和控制装置,包括白色家电、厨房设备和供暖/空调等。

OEM的设计工程师不应忽视价格低、性能高的柔性银电路,其聚酯基板上银线迹的间距紧密并包含各种复杂的元件。根据具体应用的不同,与等效的铜电路相比,聚酯上的印刷型银电路可以节省25%或更多的基板成本。在产品设计阶段请尽早与经验丰富的合格供应商接洽,最大程度地实现丝网印刷型柔性银电路的效率和成本优势。

作者:Greg Kuchuris, Molex公司

《电子技术设计》2017年5月刊版权所有,谢绝转载。

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