Трехмерные схемы на пластике: преимущества и перспективы

№ 2’2014
Трехмерные схемы на пластиках (3D molded interconnected device, 3D-MID) — инновационная технология, способная удовлетворить быстро меняющиеся требования времени. 3D-MID представляет собой 3D-основание из литого термопластика, на котором выполнены 3D проводники и контактные площадки. 3D-MID обеспечивает высокую гибкость проектирования за счет интеграции электронных, механических и оптических элементов, различных форм устройства, миниатюризации.

Объемная электроника

Мы уже привыкли к таким терминам, как повышение эффективности производства, функциональная интеграция, миниатюризация, свобода дизайна, уменьшение стоимости продукции… За этими словами стоит большой круг проблем и задач, решать которые можно по-разному: увеличивать степень интеграции компонентов, усложнять печатные платы или вообще переходить на новые материалы или технологии сборки. Выбор того или иного решения зависит от многих факторов и зачастую связан с необходимостью значительных инвестиций в перепроектирование изделий, перевооружение производства, обучение специалистов и многое другое. В этой статье мы хотим представить еще один вариант решения. Оно расширяет возможности традиционной электроники и дает новую степень свободы конструкторам, не требуя значительных расходов на реализацию идеи.

Трехмерные схемы на пластиках (3D molded interconnected device, 3D-MID) — инновационная технология, способная удовлетворить быстро меняющиеся требования времени. Более того, развитие этой технологии позволит в ближайшем будущем реализовывать идеи не только на пластиках, но и на металлических основаниях. Уже сегодня во всем мире все больше мехатронных1 модулей производится на основе этой технологии. Они обеспечивают огромный технический и экономический потенциал и являются более экологичными по сравнению с обычными печатными платами, однако не заменяют их, а скорее дополняют.

Исследование 3D-MID ассоциации (3-D MID е. V., Германия) показало, что с момента первого серийного изделия, созданного по МID-технологии в 2006 году, к 2012 году, благодаря технологическому импульсу, выросло количество производителей систем и расширились рынки применения устройств.

Что же такое трехмерные схемы на пластиках?

3D-MID представляет собой ЗD-основание из литого термопластика, на котором выполнены 3D проводники и контактные площадки (рис. 1). 3D-MID обеспечивает высокую гибкость проектирования за счет интеграции электронных, механических и оптических элементов, различных форм устройства, миниатюризации.

3D-MID технология не стоит на месте, она развивается. И если раньше мы говорили о пластиковых основаниях, то сейчас готовы реализовать такой же функционал уже на металлических основаниях. Причем это не требует большой технологической переработки: просто к уже ставшим традиционными операциям сборки на пластиках добавляется операция нанесения базового покрытия на металл.

Преимущества технологии

3D-MID позволяет создавать продукты с новой, до сих пор не реализованной функциональностью. Также среди преимуществ этой технологии стоит отметить меньшее число входящих в состав элементов, повышенную надежность, меньшую материалоемкость.

Возможность работы не на плоскости, а в трех измерениях позволяет значительно упростить конструкцию изделия самой физической геометрией основания детали и создавать рабочие поверхности, строго ориентированные между собой. Как пример, на рис. 2 представлены два варианта реализации трехосевого датчика перемещения — традиционного, на основе печатных плат, и нового, по технологии 3D-MID. Помимо значительного сокращения линейных размеров устройства, удалось упростить сборку изделия как такового. Для устройств этого типа очень важно взаимное пространственное расположение датчиков — это отдельная процедура сборки. Для новой технологии сама форма основания устройства задает положение сенсоров, тем самым сокращается и упрощается процедура сборки и настройки прибора.

Трехосевой датчик перемещения

Рис. 2. Трехосевой датчик перемещения: а) было; б) стало

Глобальной целью применения 3D-MID технологии является упрощение конструкции изделия, сокращение количества сборочных единиц, а в некоторых случаях — отказ от применения традиционных печатных плат или жгутов проводов как таковых.

На рис. 3 представлен образец переработки изделия по новой технологии. Изначально панель управления стиральной машины состояла примерно из 230 элементов (пластиковые компоненты корпуса и внутреннего монтажа, выключатели и переключатели, индикаторы, жгуты проводов, соединители и крепеж). Время и трудоемкость сборки изделия высоки, невозможна автоматизация процесса производства из-за большого количества компонентов и сложности самого процесса. И все это накладывается на необходимость организации крупносерийного производства узла.

Панель управления стиральной машины до переработки

Рис. 3. Панель управления стиральной машины до переработки: а) укрупненный перечень компонентов; б) общий вид изделия в сборе

На рис. 4 приведен переработанный вариант изделия, состоящий из трех сборочных единиц с полностью автоматизированной сборкой. Помимо значительного упрощения конструкции, снижения себестоимости, повышения качества изделия и улучшения его потребительских свойств, значительно сократилось время монтажа панели на машину.

а) Дизайнерский эскиз панели управления; б) действующее изделие

Рис. 4. а) Дизайнерский эскиз панели управления стиральной машины; б) действующее изделие, изготовленное по технологии 3D-MID. (Изделие получается полностью герметичным и основано на сенсорном управлении)

Области применения технологии

Идея использования корпуса изделия как функциональной части появилась в начале 1980-х годов в США, но тогда не получила широкого распространения ввиду сложностей, связанных со свойствами материалов и технологией производства. В середине 1990-х — начале 2000-х годов пальма первенства в развитии технологии перешла к европейским компаниям. К этому времени появились новые материалы и универсальные технологии производства электроники на пластике. И можно констатировать, что сейчас все больше европейских и азиатских производителей внедряют эту технологию в производство электроники.

В настоящее время, несмотря на относительную «новизну» технологии, уже сложились традиционные рынки, где используются ее возможности.

Перечислим традиционные секторы применения технологии 3D-MID и реализуемые приложения:

  • Автомобильная промышленность:

    — переключатели и соединители;

    — датчики и приводы;

    — антенны;

    — светотехника.
  • Медицинское оборудование:

    — переключатели и соединители;

    — датчики;

    — антенны;

    — слуховые аппараты.
  • Оборудование для платежных систем:

    — экраны безопасности ввода информации;

    — элементы управления;

    — модули камеры;

    — антенны.
  • Телекоммуникации:

    — антенны;

    — датчики;

    — элементы управления;

    — модули камеры.

На рис. 5 представлено распределение мирового рынка 3D-MID решений на конец 2012 года. Следует отметить, что по мере развития технологии и рынков появляются новые области, где реализуются решения с помощью 3D-MID. Например, аэрокосмическая отрасль, потребительская электроника.

Сегментирование рынка 3D-MID компонентов в мире на конец 2012 года

Рис. 5. Сегментирование рынка 3D-MID компонентов в мире на конец 2012 года (источник: Research Association Molded Interconnect Devices 3-D MID e. V.)

Сегодня имеющиеся технологические решения позволяют организовать любой объем производства: от единичных изделий до крупносерийного и массового производства.

Гибкость и свобода дизайна, которые в полной мере реализуются на базе этой технологии, позволяют легко «менять» изделие во время проектирования или в процессе производства. Все характеристики (линейные размеры, положение, геометрия и т. д.) можно легко изменить в процессе опытного производства, что значительно сокращает сроки перехода от прототипа к реальному действующему образцу. Более того, даже в процессе серийного производства мы можем вносить оперативные изменения без перестройки технологического процесса.

Возможности технологии

Для реализации идеи производства трехмерных схем на пластиках существует минимум десять технологических процессов, позволяющих получить один и тот же результат при использовании совершенно разных подходов. В принципе все они имеют право на существование, а выбор конкретного процесса должен быть основан на требуемой серийности и себестоимости продукции, имеющихся материалах и возможностях производства.

Но только три технологии получили широкое распространение благодаря высокой гибкости процессов, скорости их перестройки и высокой эффективности: прямое лазерное структурирование (Laser Direct Structuring, LDS) компании LPKF (Германия), технология двухстадийной заливки и технология литья со вставкой, созданные группой компаний во главе с одним из крупнейших мировых производителей термопластавтоматов — компанией Engel (Австрия).

В этой статье мы не будем останавливаться на тонкостях этих процессов. Каждый из них имеет свои плюсы и минусы и эффективен для разного объема производства изделий. Только отметим, что процесс, разработанный LPKF, наиболее гибок и позволяет легко и быстро создавать прототипы изделий, модифицировать топологию изделий как на этапе прототипа, так и в процессе производства, и имеет, пожалуй, лучшие характеристики по соотношению ширина проводника/зазора. Именно на базе этой технологии большинство мировых производителей смартфонов, планшетов и ноутбуков оснащают свои устройства Wi-Fi, GSM, GPS/Glonass и Bluetooth антеннами. На рис. 6 изображен типичный представитель этих устройств с GSM-антенной, выполненной на пластиковом корпусе.

Перенос GSM 900/1800 антенн на корпус телефонного аппарата

Рис. 6. Перенос GSM 900/1800 антенн на корпус телефонного аппарата позволил значительно сократить его размеры при наращивании функциональности

Производство изделий по процессам прямого лазерного структурирования и двухшаговой заливки (two step, 2S) идентично и различается только способом формирования рисунка проводников на пластиковой поверхности. В первом случае это происходит с помощью лазера по модифицированному пластику2, а во втором — сначала отливается основание будущей детали с рисунком проводников из уже активированного пластика3 и затем изделию придается конечная форма пассивным материалом, при этом на поверхности остается только рисунок проводников. Все дальнейшие операции химического осаждения проводящих слоев (традиционно это медь/никель/золото общей толщиной 10-20 мкм) и конечной сборки изделия осуществляются одинаково. На рис. 7 представлены ключевые параметры обеих технологий. Следует отметить, что материалы и толщина проводников могут быть разными в зависимости от требований изделия. Для получения толстых слоев проводников применяются методы гальванического осаждения металлов, при этом добавляются операции по разделению проводников по завершении химических процессов.

Типовые параметры толщины проводящих слоев и размеров проводников и зазоров для процессов прямого лазерного структурирования (LDS) и двухшаговой (2S) заливки

Рис. 7. Типовые параметры толщины проводящих слоев и размеров проводников и зазоров для процессов прямого лазерного структурирования (LDS) и двухшаговой (2S) заливки

После получения на поверхности проводящих слоев мы можем устанавливать электронные компоненты (рис. 8) в зависимости от материала подложки: на токопроводящий клей (для низкотемпературных материалов — ABS/PP/PC пластик) или припаивать (для высокотемпературных материалов — LCP/PES пластик).

Технология позволяет монтировать компоненты

Рис. 8. Технология позволяет монтировать компоненты на разные поверхности трехмерного изделия

В зависимости от серийности изделий процессы сборки можно осуществлять как вручную (для опытного и мелкосерийного производства), так и полностью автоматически.

Литье со вставкой — это относительно новая технология, разработанная специально для крупносерийного производства изделий. Здесь пленка с уже нанесенным рисунком проводников, сенсоров и установленными компонентами (при необходимости) подается в пресс-форму термопластавтомата и заливается пластиком. На выходе получается готовое изделие, не требующее дальнейшей доработки. Образец подобного изделия показан на рис. 4б.

Выбор той или иной технологии диктуется необходимыми параметрами изделий, материалами и серийностью.

Примеры реализации технологии:

  • медицинская техника (рис. 9);

    Пример реализации представленной технологии для зубоврачебной техники

    Рис. 9. Пример реализации представленной технологии для зубоврачебной техники, совмещающей в малом объеме механические и электронные функции (появилась возможность локальной подсветки рабочей зоны)

  • автомобильная техника (рис. 10);

    Датчик давления Bosch

    Рис. 10. Датчик давления Bosch для системы динамической стабилизации (ESP)

  • телекоммуникации (рис. 11);

    Встроенные и наружные антенны широкого диапазона частот

    Рис. 11. Встроенные и наружные антенны широкого диапазона частот: а) 900/1800 ГГц; б) 2,4 ГГц; в) конформные антенны до 60 ГГц

  • платежные системы (рис. 12).

    Экран контроля и защиты от считывания клавиатуры ввода PIN-кода

    Рис. 12. Экран контроля и защиты от считывания клавиатуры ввода PIN-кода стационарных и переносных POS-терминалов

Представленная технология открывает новые возможности для производителей электроники в совершенствовании их изделий. Корпуса и детали конструкции могут становиться элементами электронных схем, что сокращает количество сборочных единиц изделия при одновременном наращивании его функциональности.

С каждым годом технология развивается, следуя за тенденциями отрасли, а технологический процесс упрощается. Появившись как решение лишь для организации соединений с помощью пластиковых деталей и конструкций, технология перешла в стадию, когда часть электронной схемы стали собирать на пластике. А впереди перспективы создания многослойных структур, переход на новые материалы носителей, включая металлы, дальнейшее упрощение технологии, процессов прототипирования и производства, интеграция решений во все более широкие области применения: от бытовой и автомобильной электроники до систем и устройств космического базирования.

1 Мехатрóника — это область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, систем, машин и систем с интеллектуальным управлением их функциональными движениями. Для мехатроники характерно стремление к полной интеграции механики, электрических машин, силовой электроники, программируемых контроллеров, микропроцессорной техники и программного обеспечения (Источник: Википедия.)

2 Модифицированный пластик — пластик с внедренной металлосодержащей органической добавкой, высвобождающей под действием лазерного излучения металл на его поверхности, который становится центром кристаллизации меди при ее химическом осаждении.

3 Активированный пластик — пластик, на поверхности которого находятся частицы металла в несвязанном виде. Он уже готов для химического осаждения меди.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *