Трехмерные схемы на пластике: преимущества и перспективы

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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);

  

  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);

  

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

• телекоммуникации (рис. 11);

  

  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).

  

  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.