Гибкая гибридная электроника: стратегии для создания более дешевых подложек.
Представьте себе гибкую печатную плату (FPCB), и вы почти наверняка увидите лист оранжево-коричневого пластика, вероятно, с медными травлениями и, возможно, несколькими припаянными к нему компонентами. Этот пластик — полиимид (PI/Kapton), и его повсеместное распространение в основном обусловлено термостойкостью и общей прочностью. На самом деле, он настолько прочен и нечувствителен к температуре, что полиимид широко используется в лабораторных печах, криостатах и (при ламинировании алюминием) в качестве обертки для спутников.
Недостатки полиимида:
Благодаря этим свойствам он кажется идеальным материалом для гибких электронных устройств, но есть и некоторые недостатки. Во-первых, его цена примерно в 100 раз выше, чем у ПЭТ (полиэтилентерефталата), распространенного прозрачного пластика, используемого в бутылках для напитков. Это не имеет значения, если пластиковая пленка используется в лаборатории или на спутнике, но в качестве подложки для схем в одноразовой «умной» упаковке или других недорогих устройствах это существенный недостаток.
Во-вторых, и это очевидно, он оранжевого цвета. Это препятствует его использованию в оптических приложениях, например, в светодиодных покрытиях. В-третьих, компромиссом в пользу его прочности является то, что он не растягивается, что затрудняет его использование в носимых на коже пластырях или электронном текстиле.
Всё это означает, что переход на более дешевые, но более термически хрупкие прозрачные подложки, такие как ПЭТ, ПЕН (полиэтиленнафтолат) и эластичный ТПУ (термопластичный полиуретан), является важной тенденцией в индустрии гибкой электроники. Однако это требует значительного технологического сдвига в способе крепления электронных компонентов к подложке. Такое крепление обычных компонентов к гибким подложкам с помощью печатных (а не травленых) межсоединений называется гибкой гибридной электроникой (ГГЭ).
В новом отчете IDTechEx «Гибкая гибридная электроника 2020-2030: приложения, проблемы, инновации и прогнозы» анализируются технологии и инновации, необходимые для обеспечения производства электроники на недорогих подложках. Он основан на обширных первичных исследованиях, включая интервью и посещения компаний по всему миру, и используется в качестве источника информации на протяжении всей статьи.
Для гибкой гибридной электроники необходимы недорогие подложки.
Гибкая гибридная электроника (ГГЭ) обещает объединить функциональность традиционной жесткой электроники с гибкостью печатной электроники. На схеме показан прототип схемы ГГЭ, в которой интегральная схема объединена со многими другими элементами, включая (например) печатные датчики, антенну, тонкопленочную батарею и даже тонкопленочный фотоэлектрический элемент. Не все компоненты обязательно должны быть включены или даже напечатаны, чтобы схема соответствовала критериям ГГЭ, но она должна включать как минимум печатную и размещенную функциональность.
В обычных жестких печатных платах, или даже в платах с гибкой печатной платой (FPCB), соединение компонентов осуществляется с помощью пайки — важнейшей технологии, которая в значительной степени воспринимается как нечто само собой разумеющееся. Пайка имеет множество преимуществ: поверхностное натяжение помогает правильно расположить компоненты, снижая требования к точности установки; ошибки можно исправить вручную; и, что наиболее важно, она обеспечивает превосходные электрические и механические соединения. К сожалению, для производителей, стремящихся использовать более дешевые, термически хрупкие альтернативные подложки, традиционная пайка SnAgCu (SAC) требует температуры оплавления около 250 °C, что не является проблемой для полиимида, но вызывает плавление и деградацию большинства других пластиковых подложек.
Анизотропные проводящие клеи.
До настоящего времени эта проблема решалась с помощью анизотропных проводящих клеев (АКК), которые могут быть термически отверждены при подходящих температурах. Однако, по мнению IDTechEx, они представляют собой временное решение для многих применений, особенно тех, которые требуют высокой долговечности: они стоят примерно в 3-10 раз дороже, чем пайка, и, что важно, не обладают никакими преимуществами. В связи с этим значительные усилия были направлены на разработку низкотемпературной пайки или фотонного спекания, которые могут вызывать оплавление припоя без повреждения подложки. Какой из этих подходов получит более широкое распространение, остается открытым вопросом, но разработка методов крепления компонентов, совместимых с ПЭТ, несомненно, является важным шагом на пути к внедрению недорогой и гибкой гибридной электроники.
В новом отчете IDTechEx подробно рассматриваются эти материалы для крепления компонентов, а также примеры инновационных подходов, включая сверххолодный припой, содержащий наночастицы, и магнитоактивный контакт с выравниванием поля.
План внедрения подложек:
Учитывая требования к технологическому развитию и методам производства недорогих подложек, IDTechEx прогнозирует, что они будут чаще использоваться в крупномасштабных и дорогостоящих приложениях. IDTechEx предполагает, что бумажные подложки постепенно станут доминирующими для RFID-меток и интеллектуальной упаковки. Также произойдет переход от интеллектуальной собственности к более дешевым, термически более хрупким подложкам, таким как ПЭТ, в связи с приложениями, требующими меньшей прочности. Схема плана внедрения подложек IDTechEx для конкретных приложений представлена ниже.
Схематическая дорожная карта, показывающая эволюцию выбора подложек для различных применений FHE. В экономически чувствительных приложениях, таких как интеллектуальная упаковка, наиболее вероятным будет наибольший переход от PI к PET. Бумага также может быть вариантом подложек для интеллектуальной упаковки, если электронное производственное оборудование может быть интегрировано в существующие упаковочные линии.
Комплексный обзор гибкой гибридной электроники (FHE):
Новый отчет IDTechEx «Гибкая гибридная электроника 2020-2030: приложения, проблемы, инновации и прогнозы» предлагает всесторонний анализ этого нового технологического направления. IDTechEx более десяти лет занимается оценкой и отслеживанием технологий и рынков печатной электроники. Этот отчет основан на новых первичных исследованиях, включая интервью и посещения компаний со всеми ключевыми игроками по всему миру. В нем определены и изучены все ключевые инновационные тенденции в материалах и производственных системах, охватывающие материалы крепления, подложки и металлизацию, а также методы производства, включая высокопроизводительную технологию «захват-перемещение» и различные методы печати «от поверхности к поверхности» (S2S) и «от поверхности к поверхности» (R2R). В отчете представлена дорожная карта применения, показывающая, как FHE будет усложняться от простых RFID-меток до сложной гибкой гибридной электроники будущего, позволяющей использовать ее в интеллектуальной упаковке, промышленном мониторинге, носимых устройствах и многом другом. Он предлагает подробный анализ сроков применения, проблем и инновационных возможностей. Кроме того, в нем прогнозируется рост этой перспективной технологии, демонстрируя, что рынок может достичь X к Y, а переломный момент, когда произойдет быстрое внедрение, вероятно, наступит в 2025 году.
Прогнозы рыночной выручки от внедрения FHE в различных областях применения. Эти прогнозы основаны на детальном анализе более 20 подкатегорий, преимуществ, предлагаемых FHE в каждой категории, а также прогнозах цен на компоненты и методы сборки, специфичные для конкретных областей применения.
