Гибкая электроника – переворот в цифровой и IT-индустрии

Гибкая электроника – технология сборки электронных схем путем установки ее элементов на гибкую пластиковую подкладку, сделанную из полиимидов, полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) или прозрачной проводящей полиэфирной пленки. Также гибкие схемы могут быть напечатаны на трафаретах из серебра или полиэфиров. Сборка гибких микросхем может происходить с использованием тех же компонентов, что и для их жестких аналогов, позволяя придать плате желаемую форму или гибкость при работе. В качестве альтернативного способа производства предлагаются различные методы травления на обычной кремниевой подкладке толщиной в несколько десятков микрометров для достижения необходимой гибкости.

Производство

Гибкие печатные схемы (ГПС) делаются с использованием технологии фотолитографии. Еще одним способом производства гибких схем или шлейфов является нанесение полос с очень тонким (0,07 мм) слоем меди между двумя слоями ПЭТ (полиэтилентерефталата). Эти слои, часто не превышающие 0,05 мм в толщину, покрываются вяжущими веществами, представляющими собой реактопласты, активирующиеся во время ламинирования. ГПС и шлейфы обладают рядом преимуществ во многих областях:

• Плотно смонтированные электронные блоки, где контакты размещены в 3 плоскостях (пример использования – камеры) (статичное применение)
• Электрические контакты в тех условиях, когда сборка требует гибкости при обычном применении, как в мобильных телефонах (использование в движении)
• Электрические контакты между суб-сборками для замены более массивных и громоздких кабельных жгутов (примеры использования – автомобили, ракеты, спутники)
• Электрические контакты в тех приборах, где ведущую роль играет толщина платы или ограниченное пространство

Преимущества ГПС

• Возможное замещение многочисленных жестких плат и/или соединителей
• Односторонние платы идеально подходят в областях, связанных с динамикой или нуждающихся в высокой гибкости
• Большое количество конфигураций ГПС

Недостатки ГПС

• Более высокая стоимость по сравнению с жесткими печатными платами
• Повышенный риск повреждения во время использования
• Более сложный процесс сборки
• Доработка и ремонт – сложны либо невозможны
• Худшее качество использования панелей, выливающееся в повышение стоимости

Применение

Гибкие схемы часто используют в качестве соединителей в различных отраслях, где гибкость, миниатюризация или ограничения производства уменьшают надежность эксплуатации жестких печатных плат или ручной компоновки схемы. Чаще всего их применяют в компьютерных клавиатурах, где в большинстве случаев они обеспечивают работу переключающей матрицы.

При производстве ЖК-дисплеев стекло используется в качестве подкладки. Если вместо него использовать тонкую гибкую пластиковую или металлическую фольгу, вся система станет гибкой, так как пленка, размещаемая на верху подкладки, как правило, очень тонкая (всего несколько микрометров).

Органические светодиоды (OLED), как правило, используются вместо задней подсветки в гибких дисплеях. В результате появляются гибкие дисплеи с органическими светодиодами.

Большинство гибких схем – всего лишь пассивные связующие элементы, используемые для соединения таких электронных компонентов, как интегральные схемы, резисторы и конденсаторы. Однако, некоторые из них могут применяться только для создания взаимной связи между другими электронными блоками как напрямую, так или через соединители.

В автопромышленности гибкие схемы используют в приборных панелях и системах управления, расположенных под капотом, схемах, скрытых под обшивкой салона, и антиблокировочных системах. В компьютерной периферии гибкие схемы применяются в подвижных печатающих головках принтеров и передачи сигналов к ползунку, перемещающему считывающую или печатающую головку дисковода. При производстве потребительской электроники гибкие схемы применяются в камерах, развлекательных системах, калькуляторах или датчиках движения.

Также гибкие схемы часто используют в промышленных и медицинских приборах, где необходимо большое число компактно расположенных взаимосвязей. Еще один распространенный пример их применения – сотовые телефоны.

Для обеспечения спутников энергии были разработаны гибкие фотоэлементы. Они – легкие, могут быть свернуты для запуска и легко раскладываются, что делает их подходящими в применении. Также их можно пришить к рюкзаку или верхней одежде.

История

Появившиеся в начале XX века изобретения показывают, что первые исследователи предвидели создание плоских проводов, расположенных между слоями диэлектрика, для создания электрических схем, обслуживающих ранние линии телефонии. Одним из первых описаний того, что можно назвать гибкой схемой, было обнаружено доктором Кен Джиллео и опубликовано в 1903 году Альбертом Хансеном в английском патенте, где была описана конструкция, состоящая из плоских металлических проводов, покрытых пропитанной парафином бумагой. Записи из лаборатории Томаса Эдисона того же периода поазывают, что он подумывал о том, чтобы покрыть образцы карбоксиметилцеллюлозы линованной бумагой, покрытой графитовым порошком, чтобы создать то, что определенно можно было назвать гибкой схемой, хотя нет информации о том, что она была применена на практике.

В 1947 году в публикации под названием «Методы создания печатных плат», написанной Кледо Брунетти и Роджером Кертисом, где изложено краткое изложение обсуждения вопроса создания схем, который могли обладать гибкими диэлектриками (например, бумагой), показывается, что эта идея имела место. В 1950-х годах Виктор Далгрен и Ройден Сандерс изобретатели из компании «Sanders Associates», расположенной в Нашуа (штат Нью-Гемпшир), сделали серьезные успехи в разработке и патентовании процессов печати и травления плоских проводов на основе гибких материалов, служащих в качестве замены кабельных жгутов. Начиная с 1950-х годов, нью-йоркская компания «Photocircuits Corporation» поместила рекламу гибких микросхем, показав свою заинтересованность в этой области.

На сегодняшний день гибкие схемы используется во многих товарах. Серьезное значение они приобрели благодаря усилиям японских компаний-производителей электроники и их инженеров-монтажников, придумавших бесчисленное множество новых способов применения технологии гибких схем. В последние десять лет рынок гибких схем остается одним из самых быстрорастущих сегментов рынка соединительных товаров. Более прогрессивная вариация технологии под названием «гибкая электроника» часто включает объединение активных и пассивных функций в работе.

Структуры гибких схем

Существует несколько основных компоновок гибких схем, но между ними существует серьезная разница из-за способов компоновки. Далее следуют самые распространенные схемы компоновки гибких плат

Односторонние гибкие платы

Односторонние гибкие платы обладают одним проводящим слоем, сделанным либо из металла, либо из проводящего (содержащего металл) полимера на гибкой изолированной пленке. Одно из ограничений заключается в том, что доступ существует только с одной стороны. В основной оболочке отверстия можно формовать, позволяя компонентам быть связанными, как правило – с помощью паяния. Односторонние гибкие схемы можно производить с использованием защитных оболочек или без них, однако, чаще всего используется защитное покрытие. Разработка поверхностного монтажа путем распыления проводящего материала позволила начать производство прозрачных светодиодных пленок, используемых в специальных стеклах и гибких светящихся композитных материалах.

Гибкие схемы двойного доступа

Гибкие схемы двойного доступа обладают одним проводящим слоем, но он работает так, что появляется возможность получения доступа к определенным элементам проводящей схемы с обеих сторон. Несмотря на то, что этот тип схем обладает определенными преимуществами, специальные требования к вычислениям для доступа к элементам ограничивают их применение.

Рельефные гибкие схемы

Рельефные гибкие схемы – инновационный подкласс обычных гибких схем. Процесс производства включают специальный многоступенчатый метод травления гибких плат, во время которого слой медного проводника на гибкой плате отличаются по толщине в различных местах по всей длине платы (к примеру, толщина проводника может быть ниже в гибких участках и выше – в местах соединения).

Двухсторонние гибкие схемы

Двухсторонние гибкие схемы получили свое название из-за двух слоев проводника. Они могут производиться с использованием монтажа компонентов в отверстия или без него, хотя более распространенным является первый вариант. Если схема собрана без монтажа в отверстия, а соединители доступны только с одной стороны, то она определяется, как «Тип 5» согласно военной спецификации. Такая практика имеет место, хоть и не слишком часто. Из-за монтажа в отверстия с обеих сторон платы можно разместить зажимы для электронных компонентов, что позволит поместить сами компоненты на любой из сторон. В зависимости от требований к разработке, двухсторонние гибкие схемы могут выпускаться с защитными покрытиями на одной, обеих или ни на одной из сторон завершенной схемы, но чаще всего их выпускают с покрытием на обеих сторонах. Одним из главных преимуществ этого типа подкладок является возможность легко создать перекрестные соединения. Многие односторонние гибкие схемы монтируются на двухсторонней подкладке просто потому, что у них есть одно или два перекрестных соединений. Пример использования этих схем – соединение тачпэда и материнской платы в ноутбуке. Все соединения этой схемы расположены только на одной стороне подкладки, кроме самых малых из них, которые используют вторую сторону подкладки.

Многослойные гибкие схемы

Гибкие схемы, обладающие тремя и более слоями проводника, известны, как многослойные гибкие схемы. Часто слои взаимосвязаны за счет монтажа компонентов в отверстия, хотя в это нет необходимости, так как возможно обеспечить доступ к более низкоуровневым связям. Слои этого типа гибких схем могут непрерывно ламинироваться во время конструирования за исключением зон, занятых компонентами, смонтированными в отверстия. Практика дискретного ламинирования распространена в тех случаях, когда необходима максимальная гибкость. Это достигается путем выделения зон, свободных от связей, где необходима гибкость.

Жестко-гибкие схемы

Жестко-гибкие схемы – гибридный вид схем, состоящих из жестких и гибких подкладок, склеенных в единую структуру. Их не стоит путать с усиленными гибкими схемами, которые представляют собой обычные схемы, усиленные для того, чтобы выдерживать вес электронных компонентов. Усиленные гибкие схемы могут обладать одним и более проводящими слоями. Несмотря на то, что два термина звучат похоже, они представляют абсолютно разные изделия.

Слои жесткой схемы, как правило, соединены при помощи металлизированных монтажных отверстий. С годами жестко-гибкие схемы стали невероятно популярными среди разработчиков военной продукции, однако технология была разработана для использования в коммерческой отрасли. Хоть часто и говорится, что эти товары производятся в низких объемах из-за сложностей, в 1990-е годы компания «Compaq computer» сделала впечатляющие попытки использовать эту технологию для производства монтажных плат ноутбуков. Хоть главные компьютерные жестко-гибкие схемы не гнутся во время работы, последующие разработки компании использовали жестко-гибкие схемы для шарнирных видеокабелей, достигавших до 1000 единиц гибкости при тестировании. К 2013 году использование жестко-гибких схем в ноутбуках для массового потребления стало распространенным.

Как правило, жестко-гибкие схемы являются многослойными структурами, однако иногда используются компоновки с двумя слоями металла.

Гибкие схемы на полимерных толстых пленках

Гибкие схемы на полимерных толстых пленках (ПТП) – печатные схемы с проводниками, пропечатанными на полимерных толстых пленках. Как правило, это – структуры с одним проводящим слоем, однако несколько слоев металла могут быть распечатаны вместе со слоями диэлектрика по последовательной схеме между уже распечатанными слоями кондуктора. Несмотря на то, что проводимость данных схем – ниже, а значит – их нельзя будет использовать во всех отраслях, гибкие схемы на ПТП успешно применяются в большом количестве отраслей, где нужны малые мощности. Самый распространенный пример их применения – клавиатура. Однако существует большое количество возможных отраслей применения для этого выгодного способа производства гибких схем.

Материалы гибких схем

Каждый элемент компоновки гибких схем должен соответствовать тем требованиям, которые выдвигаются при расчете рабочего цикла изделия. К тому же, материал должен надежно работать вместе с другими элементами схемы для обеспечения легкости в сборке и надежности. Далее кратко описаны основные элементы гибких схем и их функции.

Основной материал

Основным материалом схемы служит гибкая полимерная пленка, обеспечивающая основу для слоистого материала. При нормальных условиях основной материал для гибкой схемы обеспечивает большую часть ее физических и электрических свойств. Если говорить об адгезионных способностях, то и также обеспечивает основной материал. Несмотря на то, что возможно использование различной толщины, большинство гибких пленок обеспечивает малый диапазон относительной толщины, измеряемый в пределах от 12 до 125 нм (0,5-5 мил), хотя существуют как более, так и менее тонкие материалы. Более тонкие материалы, разумеется, более гибки, ведь для большей части материалов жесткость растет пропорционально кубу толщины. Следовательно, это значит, что при увеличении толщины в два раза материал станет в восемь раз жестче и сможет отражать только 1/8 часть энергии при равной нагрузке. Существует множество материалов, использующихся в качестве основы для пленок, среди которых – полиэфиры, полиимиды, полиэтиленнафталаты (ПЭН), полиэфиримид, а также – многие фторопласты и сополимеры. Полиимидные пленки распространены больше всего за счет сочетания превосходных электрических, механических, химических и термических свойств.

Клеящий состав

Адгезивы используются, как средство скрепления при нанесении слоистого материала. За счет своей термоустойчивости адгезив, как правило, используется в качестве ограничителя при нанесении слоистого материала, особенно – при работе с полиимидами, как основным материалом. Из-за ранних сложностей, связанных с полиимдными адгезивами, многие полиимидные гибкие схемы сейчас используют адгезивы, сделанные из различных полимеров. Однако некоторые, более современные термопластичные полиимидные адгезивы уже дали серьезный толчок для развития. Как и в случае с базовыми пленками, толщина адгезивов отличается. Как правило, выбор толщины зависит от области применения. К примеру, адгезивы разной толщины часто используются для создания покрытий, нужных для защиты медной фольги различной толщины.

Металлическая фольга

Металлическая фольга чаще всего используется в качестве проводника схемы. Металлической фольгой называют тот материал, из которого можно нормально вытравить пути в схеме. Существует широкий спектр видов фольги переменной толщины, из которых можно выбрать материал для создания гибкой схемы, однако в подавляющем большинстве используется медная фольга. Лучшим выбором ее делает отличный баланс между ценой меди и ее физическими и электрическими свойствами. На сегодняшний день существует много разных типов медной фольги. Компания «IPC» выделяет восемь типов медной проволоки для печатных схем, разделенных на две более крупных категории (гальванически осажденные и обработанные давлением), в которой имеется четыре подкласса. Вследствие этого существует множество различных типов медной проволоки, пригодной для производства гибких схем, нужных в различных отраслях промышленности и конечных продуктах. В большинстве случаев работы с медной проволокой при обработке на тонкую поверхность часто наносится одна сторона, чтобы улучшить ее приклеивание к основной пленке. Медная проволока делится на два типа – гальванически осажденная и обработанная давлением, и свойства каждого из типов – очень отличаются. Обработанная давлением и прокаленная фольга является самым часто используемым видом фольги, хотя более тонкие пленки, получаемые гальваническим осаждением, становятся все популярнее.

При нестандартных условиях производителю схем придется создать специальное слоистое покрытие с применением фольги из другого металла или специального медного сплава. Это происходит путем нанесения фольги на основную пленку с использованием или без использования адгезива в зависимости от происхождения и свойств основной пленки.

Нормативно-техническая документация в производстве гибких схем

Нормативы разработаны для обеспечения общей основы для понимания того, как должна выглядеть и работать производимая продукция. Стандарты производства были разработаны непосредственно такими ассоциациями производителей, как Ассоциации производителей связующей электроники, а также – пользователями гибких схем.