Кафедра радиоконструирования и производства радиоапаратуры

Национальный технический университет Украины
"Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского"

Время печатать платы на принтере

Виробники роблять реальністю електроніку, надруковану на 3D-принтері навіть для конструкцій зі складними багатошаровими платами. Відходять у минуле часи, коли прототипи електронних пристроїв виконувались на макетних платах із сіткою зовнішніх провідників. Все частіше виникають ідеї електронних пристроїв, створених на основі плат, виготовлених настільними приладами, на зразок струменевих 3D-принтерів. І мова йде не лише про забезпечення потреб руху мейкерів і любителів для їх власних проектів. На ринку, а надто в процесі проектування, уже існують при-лади здатні виробляти складні багатошарові друковані плати. За словами виробників навіть тонкоплівкові транзистори та діоди можуть бути виготовлені за до-помогою представлених на ринку 3D принтерів.

Як стверджують менеджери Nano Dimension оголшений до випуску у наступному році прилад The Dragonfly 2020 зможе друкувати багатошарові друковані плати

Для прикладу, пристрій, що має назву Squink використовує дві осі позиціонування – одна для переміщення друкуючої головки та інша для платформи з платою. При цьому одна головка призначена як для друку плати, так і для встановлення SMD-елементів.

Цікаво, що не схоже, щоб хтось із флагмані в області 3D-друку голосно заявляв про початок «друкованої» електроніки. Жоден досі не заявив про вихід продукції у цій області.

Тим не менше, ринок друкованої електроніки є відносно мізерним, і за словами Джона Харропа, директора IDTechEx (фірма з дослідження ринку), зараз він ледве сягає 20 мільйонів доларів – трохи більше, ніж «Ню Йоркські Янкі» заплатили нападаючому Олексу Родрігесу за гру у бейсбол у 2015-му. Харроп також стверджує, що ця сума (розмір ринку) у найближче десятиліття зросте щонайменше до мільярда доларів. Для прикладу, надрукована електроніка є ідеальним рішенням для багатьох проблем на активно зростаючому ринку носимих технологій і структурної електроніки. На проекті Kickstarter можна знайти чимало заголовків стосовно друкованої електроніки, які пов’язані з такими компаніями як AgIC, Voltera, Cartesian Co. і BotFactory, у яких цей напрям розвивається силами любителів або окремих інженерів.

Більшість представлених на КікСтартері проектів побудовані на основі звичайних друкуючих головок, що наносить чорнило, яке може володіти власти-востями провідника або діелектрика. Після нанесення чорнило потребує процесу термічного задублювання, внаслідок якого воно затвердіває і набуває необхідної механічної міцності, і зазвичай виконується на самому ж принтері. Швидкість друку для багатьох приладів забезпечує друк невеличкої плати за 15хв, для ствердіння ж провідників потрібно ще близько пів години.

Уже зараз компанія Agic пропонує спеціалізовані картриджі для струменевих принтерів, які забезпечують друк струмопровідними чорнилами; для друку потрібен спеціальний папір.

Принтер компанії Voltera O-One забезпечує друк провідників шириною 0,2мм, при необхідності замінюючи картридж на інший для нанесення діелектрика. Друкуючи пошарово шари із провідниками і шари з діелектриком отримуються багатошарові плати з міжшаровими переходами у необхідних місцях. Ціна такого приладу складає близько $2000.

Дещо інший підхід втілений компанією BotFactory у їхньому приладі Squink PCB. Після друку шару провідників і діелектрика Squink наносить точки з провідникового клею у кожній контактній площинці, де буде встановлено електронний компонент. Використовуючи вбудовані інструменти виконується розставлення елементів схеми, після чого виконується 15-хв нагрівання для фіксації клею. При-лад потребує близько 30хв для виготовлення провідникового рисунку і розставлення компонентів на платі розмірами 100×100мм. Тестування показали придатність таких плат для реалізації функціональних вузлів, що працюють на частотах до 400Мгц; на вищих частотах проявляються проблеми, пов’язані з нерівномірні-стю ширини провідників. Прилад на разі забезпечує лише одношаровий друк без виконання перехідних отворів. Ціна приладу близько $3000.

У компанії Nano Dimension анонсували свій прилад Dragonfly 2020, який дасть змогу друкувати багатошарові плати з кількістю шарів понад 10 і шириною до 0,1мм на платі з габаритами 200×200мм. Використання технології друку плат дозволяє створювати плівкові елементи товщиною у кілька мікрометрів, даючи змогу створювати плівкові конденсатори безпосередньо у друкованій платі. Ви-пуск приладу очікується у другій половині 2016 року за ціною близько $50000.

Кардинально інший підхід до створення друкованої електроніки використано у Optomec. Більшість інших розробників використовують відомі друкарські головки, для яких використовують власні чорнила для забезпечення друку плати. Компанія розробила власний картридж на основі технології Aerosol Jet, які забезпечують використання різноманітних чорнил, представлених іншими фірмами. Картриджі забезпечують друк елементів розмірами від 10×10мкм товщиною, що вимірюється у нанометрах, при тому, що та сама друкарська головка може створювати елементи шириною кілька міліметрів і товщиною кілька мікрометрів. Особливість технології полягає у попередньому розпорошенні «чорнила», після чого воно випорскується, і навколо нього створюється потік інертного газу, що одночасно і прискорює розпилене чорнило, і забезпечує його фокусування, забезпечуючи діаметр потоку до 10мкм.

Потенційним застосуванням технології Aerosol Jet є друк тонкоплівкових електронних компонентів, зокрема навіть транзисторів

 

Перевагою процесу є і його екологічність, оскільки для реалізації не потрібне нанесення нікелю і міді на підкладинку, що вимагається традиційними технологіями.

Технологія орієнтована виключно на великосерійні виробництва, тому не дивно, що вартість системи становить понад $150000.

За матеріалами журналу Design World, November, 2015

Переклад: