Electrónica Híbrida Flexível: Estratégias para Viabilizar Substratos Mais Baratos.
Imagine uma placa de circuito impresso flexível (FPCB) e quase inevitavelmente visualizará uma folha de plástico laranja/castanho, provavelmente com algumas pistas de cobre e talvez alguns componentes soldados a ela. Esse plástico é o PI (poliimida/Kapton), e a sua ubiquidade deve-se principalmente à sua resistência à temperatura e durabilidade geral. De facto, é tão durável e insensível à temperatura que o PI é normalmente utilizado em fornos de laboratório, criostatos e (quando laminado com alumínio) em satélites.
Desvantagens da poliimida:
Estas propriedades fazem com que pareça o material ideal para aplicações eletrónicas flexíveis, mas existem algumas desvantagens. Em primeiro lugar, o seu custo é cerca de 100 vezes superior ao do PET (tereftalato de polietileno), um plástico transparente comum utilizado nas garrafas de bebidas. Isto não importa se o filme plástico se destina a um laboratório ou a um satélite, mas como substrato de circuito para embalagens inteligentes descartáveis ou outras aplicações de baixo custo, é uma desvantagem significativa.
Em segundo lugar, e correndo o risco de ser óbvio, é laranja. Isto impede a sua utilização em aplicações ópticas, como folhas revestidas com LEDs. Em terceiro lugar, a contrapartida da sua durabilidade é que não estica, o que dificulta a sua utilização em adesivos de pele vestíveis ou tecidos eletrónicos.
Tudo isto significa que a transição para substratos transparentes mais baratos, mas termicamente mais frágeis, como o PET, o PEN (polietileno naftolato) e o TPU extensível (poliuretano termoplástico), é uma tendência importante na indústria da eletrónica flexível. No entanto, isto exige uma mudança tecnológica significativa na forma como os componentes eletrónicos são fixados ao substrato. Esta fixação de componentes convencionais a substratos flexíveis com interligações impressas (em vez de gravadas) é designada por eletrónica híbrida flexível (FHE).
O novo relatório da IDTechEx, "Eletrónica Híbrida Flexível 2020-2030: Aplicações, Desafios, Inovações e Previsões", analisa as tecnologias e inovações necessárias para viabilizar o fabrico de eletrónica em substratos de baixo custo. Baseia-se numa extensa investigação primária, incluindo entrevistas e visitas a empresas em todo o mundo, e é referenciado ao longo deste artigo.
A eletrónica híbrida flexível requer substratos de baixo custo.
A eletrónica híbrida flexível (FHE, na sigla em inglês) promete combinar a funcionalidade da eletrónica rígida convencional com a flexibilidade da eletrónica impressa. O diagrama mostra um protótipo de um circuito FHE, no qual um circuito integrado é combinado com muitos outros elementos, incluindo (por exemplo) sensores impressos, uma antena, uma bateria de película fina e até células fotovoltaicas de película fina. Nem todos os componentes precisam de estar incluídos, ou mesmo impressos, para que um circuito seja considerado FHE, mas deve incluir pelo menos a funcionalidade impressa e posicionada.
Numa placa de circuito impresso rígida convencional, ou mesmo numa placa de circuito impresso flexível (FPCB), a união dos componentes é feita através de soldadura, uma tecnologia crucial que é muitas vezes subestimada. A soldadura oferece diversos benefícios: a tensão superficial ajuda a posicionar os componentes no alinhamento correto, reduzindo a necessidade de precisão; os erros podem ser corrigidos manualmente; e, mais importante, proporciona excelentes ligações elétricas e mecânicas. Infelizmente para os fabricantes que procuram utilizar substratos alternativos mais baratos e termicamente frágeis, a soldadura convencional com elétrodos de prata e cobre (SnAgCu) requer temperaturas de refluxo de cerca de 250 °C, o que não representa um problema para a poliimida (PI), mas causa derretimento e degradação na maioria dos outros substratos plásticos.
Adesivos Condutores Anisotrópicos.
Até à data, este problema tem sido resolvido com a utilização de adesivos condutores anisotrópicos (ACAs), que podem ser curados termicamente a temperaturas adequadas. No entanto, a IDTechEx acredita que representam uma solução paliativa para muitas aplicações, principalmente aquelas que exigem uma elevada durabilidade: custam 3 a 10 vezes mais do que a soldadura e, notavelmente, não oferecem vantagens. Assim, têm sido dedicados esforços consideráveis ao desenvolvimento de soldadura a baixa temperatura ou sinterização fotónica, que podem fazer com que a soldadura reflua sem danificar o substrato. Qual destas abordagens será mais amplamente adotada permanece uma questão em aberto, mas o desenvolvimento de métodos de fixação de componentes compatíveis com PET é, sem dúvida, um passo crucial para o avanço da adoção de eletrónica híbrida flexível e de baixo custo.
Estes materiais de fixação de componentes, juntamente com estudos de caso de abordagens inovadoras, incluindo solda super-arrefecida contendo nanopartículas e ACA alinhado no terreno, são avaliados em detalhe no novo relatório da IDTechEx.
Roteiro para a Adoção de Substratos:
Considerando os requisitos em termos de desenvolvimento tecnológico e métodos de fabrico para substratos de baixo custo, a IDTechEx prevê que a sua adoção será mais provável em aplicações de alto volume e alto custo. A IDTechEx sugere que os substratos de papel se tornarão gradualmente dominantes para etiquetas RFID e embalagens inteligentes. Haverá também uma mudança da utilização de IP para substratos mais baratos e termicamente mais frágeis, como o PET, impulsionada por aplicações com menores requisitos de durabilidade. O roteiro específico para a adoção de substratos da IDTechEx é apresentado esquematicamente abaixo.
Um roteiro esquemático que mostra a evolução na escolha de substratos para diversas aplicações de FHE (high efficiency electrophoresis). As aplicações sensíveis aos custos, como as embalagens inteligentes, provavelmente experimentarão a maior mudança do PI (polietileno) para o PET (polietileno). O papel é também uma opção para substratos de embalagens inteligentes, caso seja possível integrar equipamentos de fabrico eletrónico nas linhas de embalagem existentes.
Uma Visão Abrangente da
Eletrónica Híbrida Flexível (FHE): O novo relatório da IDTechEx, "Eletrónica Híbrida Flexível 2020-2030: Aplicações, Desafios, Inovações e Previsões", oferece uma análise completa desta fronteira tecnológica emergente. A IDTechEx avalia e acompanha as tecnologias e os mercados de eletrónica impressa há mais de uma década. Este relatório baseia-se em novas pesquisas primárias, incluindo entrevistas e visitas a empresas com todos os principais players globais. Identifica e examina todas as principais tendências de inovação em materiais e sistemas de produção, abrangendo materiais de fixação, substratos e metalização, bem como técnicas de produção, incluindo pick-and-place de alto rendimento e várias técnicas de impressão S2S e R2R. Este relatório cria um roteiro de aplicações, mostrando como a FHE crescerá em complexidade, desde as simples etiquetas RFID de hoje até à complexa eletrónica híbrida flexível do futuro, possibilitando aplicações em embalagens inteligentes, monitorização industrial, dispositivos wearable e muito mais. Oferece uma análise detalhada do cronograma de aplicações, desafios e oportunidades de inovação. Além disso, prevê o crescimento desta tecnologia facilitadora, demonstrando que o mercado pode atingir X até Y, com o ponto de inflexão onde ocorre a rápida adoção, provavelmente em 2025.
Previsões de receitas de mercado para a adoção de FHE em diversas aplicações. Estas previsões baseiam-se em análises detalhadas de mais de 20 subcategorias, nos benefícios oferecidos pela FHE em cada categoria e nas previsões de preços para componentes e métodos de montagem específicos de cada aplicação.
