Гибкая электроника

Изображение гибких печатных плат Miraco до снятия панелей.

Камера Olympus Stylus без корпуса, демонстрирующая сборку гибкой схемы.

Гибкая электроника , также известная как гибкие схемы , представляет собой технологию сборки электронных схем путем установки электронных устройств на гибкие пластиковые подложки , такие как полиимид , PEEK или прозрачный проводящий полиэстер. фильм. Кроме того, гибкие схемы могут быть напечатаны методом трафаретной печати на полиэфире . Гибкие электронные сборки могут быть изготовлены с использованием идентичных компонентов, используемых для жестких печатных плат , что позволяет плате принимать желаемую форму или изгибаться во время ее использования.

Производство

Гибкие печатные схемы (ГПК) изготавливаются по фотолитографической технологии. Альтернативный способ изготовления цепей из гибкой фольги или гибких плоских кабелей (FFC) — это ламинирование очень тонких (0,07 мм) медных полосок между двумя слоями ПЭТ . клеем Эти слои ПЭТ, обычно толщиной 0,05 мм, покрыты термореактивным , который активируется в процессе ламинирования. FPC и FFC имеют ряд преимуществ во многих приложениях:

• Плотно собранные электронные блоки, где требуются электрические соединения по 3 осям, например, камеры (статическое применение).
• Электрические соединения, при которых узел должен изгибаться при нормальном использовании, например, складные сотовые телефоны (динамическое применение).
• Электрические соединения между узлами для замены более тяжелых и громоздких жгутов проводов, например, в автомобилях, ракетах и ​​спутниках .
• Электрические соединения, в которых решающими факторами являются толщина платы или ограниченное пространство.

Преимущество ФПК

• Возможность замены нескольких жестких плат или разъемов.
• Односторонние схемы идеально подходят для динамических или высокогибких приложений.
• Штабелированные FPC в различных конфигурациях

Недостатки ФПК

• Увеличение стоимости по сравнению с жесткими печатными платами
• Повышенный риск повреждения во время обращения или использования.
• Более сложный процесс сборки.
• Ремонт и доработка затруднены или невозможны
• Обычно худшее использование панелей приводит к увеличению стоимости.

Приложения

Гибкие схемы часто используются в качестве разъемов в различных приложениях, где гибкость, экономия места или производственные ограничения ограничивают удобство обслуживания жестких плат или ручной проводки.

Большинство гибких схем представляют собой пассивные проводные конструкции, которые используются для соединения электронных компонентов, таких как интегральные схемы, резисторы, конденсаторы и т.п.; однако некоторые из них используются только для соединения между другими электронными блоками напрямую или с помощью разъемов. В устройствах бытовой электроники используются гибкие схемы в камерах, персональных развлекательных устройствах, калькуляторах или мониторах для тренировок. Гибкие схемы встречаются в промышленных и медицинских устройствах, где требуется множество соединений в компактном корпусе. Сотовые телефоны являются еще одним широко распространенным примером гибких цепей.

Устройства ввода

Гибкие схемы обычно применяются в устройствах ввода, таких как компьютерные клавиатуры; В большинстве клавиатур для матрицы переключателей используются гибкие схемы .

Дисплеи

ЖК-дисплеи

В производстве ЖК-дисплеев в качестве подложки используется стекло. Если вместо этого в качестве подложки используется тонкий гибкий пластик или металлическая фольга, вся система может быть гибкой, поскольку пленка, нанесенная поверх подложки, обычно очень тонкая, порядка нескольких микрометров.

OLED-дисплеи

Органические светодиоды (OLED) обычно используются вместо подсветки для гибких дисплеев, образуя гибкий дисплей на органических светодиодах .

Гибкие батареи

Гибкие батареи — это батареи, как первичные, так и вторичные, которые спроектированы так, чтобы быть конформными и гибкими, в отличие от традиционных жестких.

Автомобильные схемы

В автомобильной сфере гибкие схемы используются в приборных панелях, элементах управления под капотом, схемах, скрываемых под обшивкой потолка салона, а также в системах ABS.

Принтеры

В компьютерной периферии гибкие схемы используются на движущейся печатающей головке принтеров, а также для подачи сигналов на подвижный рычаг, несущий головки чтения/записи дисковых накопителей.

Солнечные батареи

Основная статья: Тонкопленочный солнечный элемент

Гибкие тонкопленочные солнечные элементы были разработаны для питания спутников . Эти ячейки легкие, могут быть свернуты для запуска и легко развертываются, что делает их хорошим выбором для применения. Их также можно вшить в рюкзаки или верхнюю одежду, среди многих других типов приложений, ориентированных на потребителя.

Растущие рынки, связанные с гибкой и/или портативной электроникой, например, системами IoT с автономным питанием , стимулировали разработку гибких тонкопленочных фотоэлектрических элементов (PV) с целью повышения энергетической автономности таких автономных устройств. Было показано, что этот класс фотоэлектрических технологий уже способен достигать высокой эффективности преобразования солнечной энергии в электричество на уровне солнечных элементов на основе жестких пластин, особенно при интеграции с эффективными светоулавливающими структурами. Такие фотонные схемы обеспечивают высокое широкополосное поглощение в тонких материалах поглотителя фотоэлектрических элементов, несмотря на их уменьшенную толщину, необходимую для механической гибкости.

Схемы, подобные коже

В декабре 2021 года инженеры из Университета Кейо в Токио и Стэнфордского университета объявили о создании растягивающихся и похожих на кожу полупроводниковых схем. В будущем эту носимую электронику можно будет использовать для беспроводной передачи медицинских данных врачам.

История

Патенты, выданные на рубеже 20-го века, свидетельствуют о интересе к плоским электрическим проводникам, заключенным между слоями изоляционного материала . Полученные электрические схемы должны были использоваться в первых приложениях телефонной коммутации. Одно из самых ранних описаний того, что можно было бы назвать гибкой цепью, было обнаружено доктором Кеном Гиллео и раскрыто в английском патенте Альберта Хансена 1903 года, в котором описывалась конструкция, состоящая из плоских металлических проводников на парафином бумаге, покрытой . Лабораторные книги Томаса Эдисона того периода показывают, что он думал покрыть целлюлозную камедь , нанесенную на льняную бумагу, графитовым порошком, чтобы создать то, что явно представляло собой гибкие схемы, хотя нет никаких доказательств того, что это было доведено до практики.

Публикация Брунетти и Кертиса 1947 года «Техника печатных плат». краткое обсуждение создания схем на основе гибких изоляционных материалов (например, бумаги ). В 1950-х годах Дальгрен и Сандерс добились значительных успехов в разработке и патентовании процессов печати и травления плоских проводников на гибких базовых материалах для замены жгутов проводов . Реклама 1950-х годов, размещенная Photocircuits Corporation, продемонстрировала их интерес к гибким схемам.

Гибкие схемы известны во всем мире по-разному: гибкая печатная плата, гибкая печать, гибкие схемы используются во многих продуктах. Это заслуга усилий японских инженеров по упаковке электроники , которые нашли способы использовать технологию гибких схем. Гибкие цепи являются одним из наиболее быстрорастущих сегментов рынка продуктов межсетевого взаимодействия. Один из вариантов технологии гибких схем называется «гибкой электроникой». Он предполагает интеграцию в устройстве как активных, так и пассивных функций.

Гибкие схемные структуры

Гибкие схемы имеют значительные различия в своей конструкции.

Односторонние гибкие цепи

Односторонние гибкие цепи имеют проводящий слой, выполненный из металла или проводящего (металлонаполненного) полимера на гибкой диэлектрической пленке. Элементы подключения компонентов доступны только с одной стороны. В основной пленке могут быть сформированы отверстия, позволяющие проходить выводам компонентов для взаимного соединения, обычно путем пайки . использование защитного покрытия Односторонние гибкие схемы могут быть изготовлены с такими защитными покрытиями, как защитные слои или защитные покрытия, или без них, однако наиболее распространенной практикой является поверх схем. Разработка устройств поверхностного монтажа на напыленных проводящих пленках позволила производить прозрачные светодиодные пленки, которые используются в светодиодном стекле , а также в гибких автомобильных осветительных композитах.

Гибкие цепи с двойным доступом или с задней изоляцией

Гибкий провод с двойным доступом, также известный как гибкий с обратной зачищенной частью, представляет собой гибкие цепи, которые имеют один слой проводника, но обеспечивают доступ к выбранным элементам рисунка проводников с обеих сторон. Хотя этот тип схемы имеет свои преимущества, требования к специальной обработке для доступа к функциям ограничивают его использование.

Скульптурные гибкие схемы

Производство скульптурных гибких схем включает в себя специальный метод многоэтапного травления гибких схем, в результате которого получается гибкая схема с готовыми медными проводниками, толщина которых различается в разных местах по их длине. (То есть проводники тонкие в гибких участках и толстые в точках соединения.)

Двусторонние гибкие цепи

Двусторонние гибкие цепи имеют два слоя проводников. Они могут быть изготовлены со сквозными отверстиями или без них , хотя вариант со сквозными отверстиями с металлизацией встречается гораздо чаще. При изготовлении без металлизированных сквозных отверстий доступ к элементам подключения возможен только с одной стороны, а схема определяется как «Тип V (5)» в соответствии с военными спецификациями. Благодаря металлизированному сквозному отверстию клеммы предусмотрены с обеих сторон схемы, что позволяет размещать компоненты с любой стороны. В зависимости от конструктивных требований двусторонние гибкие схемы могут быть изготовлены с защитным слоем на одной, обеих или ни на одной из сторон готовой схемы, но чаще всего они изготавливаются с защитным слоем на обеих сторонах. Одним из основных преимуществ является то, что он позволяет легко выполнять перекрестные соединения. Многие односторонние схемы построены на двусторонней подложке из-за перекрестных соединений. Примером такого использования является схема, соединяющая коврик для мыши с материнской платой. Все соединения в этой схеме расположены только на одной стороне подложки, за исключением небольшого перекрестного соединения, которое использует другую сторону.

Многослойные гибкие схемы

Гибкие цепи с тремя и более слоями проводников известны как многослойные гибкие цепи. Обычно слои соединяются между собой посредством металлизированных сквозных отверстий, хотя это не требуется, поскольку можно предусмотреть отверстия для доступа к функциям нижнего уровня схемы. Слои могут или не могут быть непрерывно ламинированы вместе по всей конструкции, за исключением участков, занятых сквозными отверстиями. Прерывистое ламинирование распространено в случаях, когда требуется максимальная гибкость. Это достигается за счет того, что участки, где должен произойти изгиб или изгиб, остаются несклеенными.

Жестко-гибкие схемы

Жестко-гибкие схемы представляют собой гибрид, сочетающий жесткие и гибкие подложки, ламинированные в единую структуру. Жестко-гибкие цепи не являются жестко-гибкими конструкциями, которые представляют собой гибкие цепи, к которым прикреплен элемент жесткости для поддержки веса компонентов. Жесткая или усиленная гибкая цепь может иметь один или несколько слоев проводника. Термины представляют собой совершенно разные продукты.

Слои обычно соединяются между собой металлическими сквозными отверстиями. Жестко-гибкие схемы часто выбирают разработчики военной продукции и все чаще используют в коммерческих продуктах. Compaq Computer выбрала этот подход для для ноутбуков производства плат в 1990-х годах. Хотя основная жестко-гибкая печатная плата компьютера не сгибалась во время использования, в последующих разработках Compaq использовались жестко-гибкие схемы для навесного кабеля дисплея, претерпевшие десятки тысяч изгибов во время испытаний. К 2013 году использование жестко-гибких схем в потребительских портативных компьютерах стало обычным явлением.

Жестко-гибкие плиты обычно представляют собой многослойную структуру; однако иногда используются конструкции из двух слоев металла.

Гибкие цепи из толстой полимерной пленки

Гибкие схемы с толстой полимерной пленкой (PTF) печатают элементы схемы на полимерной пленке. Обычно они представляют собой структуры с одним проводящим слоем, однако можно напечатать два или более металлических слоя, последовательно разделенных напечатанными изолирующими слоями. Хотя схемы PTF имеют более низкую проводимость и поэтому ограничены определенными приложениями, они нашли применение в приложениях с низким энергопотреблением и немного более высокими напряжениями. Клавиатуры — распространенное приложение.

Гибкие материалы схемы

Каждый элемент конструкции гибкой схемы должен соответствовать предъявляемым к нему требованиям на протяжении всего срока службы изделия. Кроме того, материал должен надежно работать вместе с другими элементами конструкции гибкой схемы, чтобы обеспечить простоту изготовления и надежность. Ниже приведены краткие описания основных элементов конструкции гибкой схемы и их функций.

Базовый материал

Основой является гибкая полимерная пленка, которая является основой ламината. В нормальных условиях основной материал гибкой схемы обеспечивает большинство основных физических и электрических свойств гибкой схемы. В случае безклеевых конструкций схем основной материал обеспечивает все характерные свойства. Хотя возможен широкий диапазон толщины, большинство гибких пленок производятся в узком диапазоне относительно тонких размеров от 12 мкм до 125 мкм (от 1/2 до 5 мил), но возможны и более тонкие и толстые материалы. Более тонкие материалы, конечно, более гибкие, и для большинства материалов увеличение жесткости пропорционально кубу толщины. Так, например, это означает, что если толщина увеличивается вдвое, материал становится в восемь раз жестче и прогибается только на 1/8 меньше при той же нагрузке. В качестве базовых пленок используется ряд различных материалов, в том числе: полиэстер (ПЭТ), полиимид (ПИ), полиэтиленнафталат (ПЭН), полиэфиримид (ПЭИ), а также различные фторполимеры (ФЭП) и сополимеры. Полиимидные пленки наиболее распространены благодаря сочетанию преимуществ электрических, механических, химических и термических свойств.

Склеивающий клей

Клеи используются в качестве связующего средства при создании ламината. Когда дело доходит до термостойкости, клей обычно является элементом, ограничивающим эксплуатационные характеристики ламината, особенно когда основным материалом является полиимид. Из-за возникших ранее трудностей, связанных с полиимидными клеями, во многих полиимидных гибких цепях в настоящее время используются клеевые системы из различных семейств полимеров. Однако некоторые новые термопластичные полиимидные клеи находят важное применение. Как и базовые пленки, клеи бывают разной толщины. Выбор толщины обычно зависит от применения. Например, при создании покровных слоев обычно используется клей разной толщины, чтобы удовлетворить требования к заполнению медной фольги разной толщины, которые могут возникнуть.

Металлическая фольга

Металлическая фольга чаще всего используется в качестве проводящего элемента гибкого ламината. Металлическая фольга — это материал, из которого обычно вытравливаются дорожки схемы. Доступен широкий выбор металлической фольги различной толщины, из которой можно выбрать и создать гибкую схему, однако медная фольга используется в подавляющем большинстве случаев применения гибких цепей. Превосходное соотношение цены и физических и электрических характеристик меди делает ее отличным выбором. На самом деле существует много разных типов медной фольги. IPC определяет восемь различных типов медной фольги для печатных плат, разделенных на две гораздо более широкие категории: электроосажденную и деформируемую, каждая из которых имеет четыре подтипа. В результате существует ряд различных типов медной фольги, доступных для применения в гибких схемах. для удовлетворения различных целей различных конечных продуктов. В большинстве случаев медной фольги на одну сторону фольги обычно наносится тонкая поверхностная обработка, чтобы улучшить ее адгезию к основной пленке. Медная фольга бывает двух основных типов: деформируемая (прокатная) и электроосажденная, и их свойства существенно различаются. Прокатанная и отожженная фольга является наиболее распространенным выбором, однако более тонкие пленки с гальваническим покрытием становятся все более популярными.

В некоторых нестандартных случаях производителю схемы может быть предложено создать специальный ламинат, используя в конструкции указанную альтернативную металлическую фольгу, например специальный медный сплав или другую металлическую фольгу. Это достигается путем ламинирования фольги с пленкой-основой с использованием клея или без него, в зависимости от природы и свойств пленки-основы.

Отраслевые стандарты и спецификации гибких схем

Спецификации разрабатываются, чтобы обеспечить общую основу для понимания того, как продукт должен выглядеть и как он должен работать. Стандарты разрабатываются непосредственно ассоциациями производителей, такими как Ассоциация соединителей электронной промышленности (IPC), и пользователями гибких цепей.

Научные публикации

Журнал IEEE по гибкой электронике (J-FLEX)

Научные конференции

Международная конференция IEEE по технологиям гибкой электроники (IFETC)

См. также

• Аморфный кремний
• Селенид меди, индия, галлия (CIGS)
• Гибкая схема
• Гибкая клавиатура
• Капитан
• Полиимидная пленка
• Складная электроника
• Печатная электроника
• Рулон к рулону
• Мягкая робототехника
• Солнечный автомобиль
• Растягивающаяся электроника
• Датчик растяжения
• Тонкая пленка
• Нулевая сила вставки

Дальнейшее чтение

• Вонг, Уильям С.; Саллео, Альберто (2009). «Гибкая электроника (материалы и применение)». Электронные материалы: Наука . Электронные материалы: наука и технологии. 11 . дои : 10.1007/978-0-387-74363-9 . ISBN  978-0-387-74362-2 . ISSN   1386-3290 .
• Кумбс, Клайд (2007). Справочник по печатным схемам (6-е изд.). Нью-Йорк: McGraw-Hill Professional. ISBN  9780071467346 .
• Фьелстад, Джозеф (2007). Технология гибких схем, третье издание (PDF) (3-е изд.). Сисайд, Орегон: ISBN BR Publishing, Inc.  978-0-9796189-0-1 .
• Гиллео, Кен (1998). Справочник по гибким схемам (изд. 1992 г.). Нью-Йорк: Спрингер. ISBN  9780442001681 .
• Стернс, Томас (1995). Гибкая печатная схема (1-е изд.). Нью-Йорк: McGraw-Hill Professional. ISBN  9780070610323 .
• Герли, Стив (1984). Гибкие схемы . Нью-Йорк: CRC Press. ISBN  9780824772154 .
• Хусейн, Мухаммад Мустафа; Эль-Атаб, Назек, ред. (11 ноября 2019 г.). Справочник по гибкой и растяжимой электронике (1-е изд.). ЦРК Пресс. дои : 10.1201/b22262 . ISBN  978-1-315-11279-4 . S2CID   203122351 .