Гибкая электроника , также известная как гибкие схемы , представляет собой технологию сборки электронных схем путем монтажа электронных устройств на гибких пластиковых подложках , таких как полиимид , ПЭЭК или прозрачная проводящая полиэфирная [1] пленка. Кроме того, гибкие схемы могут быть серебряными схемами, напечатанными на полиэстере . Гибкие электронные сборки могут быть изготовлены с использованием идентичных компонентов, используемых для жестких печатных плат , что позволяет плате принимать нужную форму или изгибаться во время использования.
Гибкие печатные платы (FPC) изготавливаются с помощью фотолитографической технологии. Альтернативным способом изготовления гибких фольгированных плат или гибких плоских кабелей (FFC) является ламинирование очень тонких (0,07 мм) медных полос между двумя слоями ПЭТ . Эти слои ПЭТ, обычно толщиной 0,05 мм, покрыты термореактивным клеем и будут активированы в процессе ламинирования. FPC и FFC имеют несколько преимуществ во многих приложениях:
Гибкие платы часто используются в качестве соединителей в различных приложениях, где гибкость, экономия места или производственные ограничения ограничивают возможность использования жестких печатных плат или ручной разводки.
Большинство гибких схем представляют собой пассивные структуры проводки, которые используются для соединения электронных компонентов, таких как интегральные схемы, резисторы, конденсаторы и т. п.; однако некоторые из них используются только для создания соединений между другими электронными узлами либо напрямую, либо с помощью разъемов. Устройства бытовой электроники используют гибкие схемы в камерах, персональных развлекательных устройствах, калькуляторах или мониторах для упражнений. Гибкие схемы встречаются в промышленных и медицинских устройствах, где требуется много соединений в компактном корпусе. Сотовые телефоны являются еще одним распространенным примером гибких схем.
Распространенным применением гибких схем являются устройства ввода , такие как компьютерные клавиатуры; в большинстве клавиатур гибкие схемы используются для коммутационной матрицы .
При изготовлении ЖК-дисплеев в качестве подложки используется стекло. Если вместо подложки использовать тонкий гибкий пластик или металлическую фольгу, вся система может быть гибкой, поскольку пленка, нанесенная поверх подложки, обычно очень тонкая, порядка нескольких микрометров.
Органические светодиоды (OLED) обычно используются вместо подсветки в гибких дисплеях, создавая гибкий дисплей на органических светодиодах .
Гибкие батареи — это батареи, как первичные, так и вторичные, которые разработаны так, чтобы быть конформными и гибкими, в отличие от традиционных жестких.
В автомобильной промышленности гибкие схемы используются в приборных панелях, элементах управления под капотом, схемах, которые необходимо скрыть в обивке потолка салона, а также в системах ABS.
В компьютерной периферии гибкие схемы используются на подвижной печатающей головке принтеров, а также для подключения сигналов к подвижному рычагу, несущему головки чтения/записи дисководов.
Гибкие, тонкопленочные солнечные элементы были разработаны для питания спутников . Эти элементы легкие, их можно сворачивать для запуска, и их легко развертывать, что делает их хорошими для применения. Их также можно вшивать в рюкзаки или верхнюю одежду, [2] среди многих других типов потребительских приложений.
Растущие рынки, связанные с гибкой и/или портативной электроникой, например, для автономных систем IoT , стимулировали разработку гибких тонкопленочных фотоэлектрических элементов (ФЭ) с целью повышения энергетической автономности таких автономных устройств. [3] Было показано, что этот класс фотоэлектрических технологий уже способен достигать высокой эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую на уровне жестких солнечных элементов на основе пластин, особенно при интеграции с эффективными светоулавливающими структурами. Такие фотонные схемы обеспечивают высокое широкополосное поглощение в тонких материалах ФЭ-поглотителя, несмотря на их уменьшенную толщину, необходимую для механической гибкости. [4] [5]
В декабре 2021 года инженеры из Университета Кейо в Токио и Стэнфордского университета объявили о создании растягивающихся и подобных коже полупроводниковых схем. В будущем эта носимая электроника может быть использована для беспроводной передачи данных о состоянии здоровья врачам. [6]
Патенты, выданные на рубеже 20-го века, демонстрируют интерес к плоским электрическим проводникам, зажатым между слоями изоляционного материала . Полученные электрические цепи должны были служить в ранних приложениях телефонной коммутации. Одно из самых ранних описаний того, что можно было бы назвать гибкой цепью, было обнаружено доктором Кеном Джиллео и раскрыто в английском патенте 1903 года Альбертом Хансеном, в котором описывалась конструкция, состоящая из плоских металлических проводников на покрытой парафином бумаге . Лабораторные книги Томаса Эдисона того периода указывают на то, что он думал покрыть целлюлозную смолу, нанесенную на льняную бумагу, графитовым порошком, чтобы создать то, что явно было бы гибкими цепями, хотя нет никаких доказательств того, что это было реализовано на практике. [ необходима цитата ] [ необходима цитата ]
Публикация 1947 года "Printed Circuit Techniques" Брунетти и Кертиса [7] краткое обсуждение создания схем на том, что было бы гибкими изоляционными материалами (например, бумагой ). 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. [ необходима цитата ]
Гибкие схемы известны во всем мире под разными названиями: гибкая печатная проводка, гибкая печать, гибкие схемы, используются во многих продуктах. Заслуга в этом принадлежит японским инженерам по упаковке электроники , которые нашли способы использовать технологию гибких схем. Гибкие схемы являются одним из наиболее быстрорастущих сегментов рынка соединительных продуктов. Одна из разновидностей технологии гибких схем называется «гибкая электроника». Она подразумевает интеграцию как активных, так и пассивных функций в устройство. [ необходима цитата ]
Гибкие схемы имеют существенные различия в конструкции.
Односторонние гибкие схемы имеют проводящий слой, выполненный из металла или проводящего (металлонаполненного) полимера на гибкой диэлектрической пленке. Компонентные оконечные элементы доступны только с одной стороны. В базовой пленке могут быть сформированы отверстия, чтобы позволить выводам компонентов проходить через них для соединения, обычно с помощью пайки . Односторонние гибкие схемы могут быть изготовлены с такими защитными покрытиями, как покровные слои или покрытия, или без них, однако использование защитного покрытия поверх схем является наиболее распространенной практикой. Разработка поверхностно монтируемых устройств на распыленных проводящих пленках позволила производить прозрачные светодиодные пленки, которые используются в светодиодном стекле , а также в гибких автомобильных световых композитах.
Двойной доступ к гибкой плате, также известный как back-bared flex, представляет собой гибкие схемы с одним слоем проводника, но допускающие доступ к выбранным функциям схемы проводника с обеих сторон. Хотя этот тип схемы имеет преимущества, специальные требования к обработке для доступа к функциям ограничивают его использование.
Изготовление рельефных гибких схем включает в себя специальный метод многоэтапного травления гибких схем, который позволяет получить гибкую схему с готовыми медными проводниками, толщина которых различается в разных местах по всей длине. (То есть проводники тонкие в гибких областях и толстые в точках соединения.)
Двухсторонние гибкие схемы имеют два слоя проводников. Они могут быть изготовлены с металлизированными сквозными отверстиями или без них , хотя вариант с металлизированными сквозными отверстиями встречается гораздо чаще. При изготовлении без металлизированных сквозных отверстий доступ к соединительным элементам осуществляется только с одной стороны, и схема определяется как «Тип V (5)» в соответствии с военными спецификациями. Из-за металлизированного сквозного отверстия выводы предусмотрены с обеих сторон схемы, что позволяет размещать компоненты с любой стороны. В зависимости от требований к конструкции двухсторонние гибкие схемы могут быть изготовлены с защитными покровными слоями с одной, обеих или ни с одной стороны готовой схемы, но чаще всего производятся с защитным слоем с обеих сторон. Одним из главных преимуществ является то, что он позволяет легко выполнять перекрестные соединения. Многие односторонние схемы построены на двухсторонней подложке из-за перекрестных соединений. Примером такого использования является схема, которая соединяет коврик для мыши с материнской платой. Все соединения на этой схеме расположены только с одной стороны подложки, за исключением небольшого перекрестного соединения, которое использует другую сторону.
Гибкие схемы с тремя или более слоями проводников известны как многослойные гибкие схемы. Обычно слои соединяются между собой посредством металлизированных сквозных отверстий, хотя это не обязательно, поскольку можно обеспечить отверстия для доступа к функциям нижнего уровня схемы. Слои могут или не могут быть непрерывно ламинированы вместе по всей конструкции, за исключением областей, занятых сквозными отверстиями. Прерывистое ламинирование распространено в случаях, требующих максимальной гибкости. Это достигается путем оставления несвязанными областей, где должно произойти сгибание или изгибание.
Жестко-гибкие схемы представляют собой гибрид, объединяющий жесткие и гибкие подложки, ламинированные в единую структуру. Жестко-гибкие схемы не являются жесткими гибкими конструкциями, которые являются гибкими схемами, к которым прикреплено ребро жесткости для поддержки веса компонентов. Жесткая или усиленная гибкая схема может иметь один или несколько слоев проводников. Эти термины обозначают совершенно разные продукты.
Слои обычно соединены между собой металлизированными сквозными отверстиями. Жестко-гибкие схемы часто выбирают разработчики военной продукции и все чаще в коммерческих продуктах. Compaq Computer выбрала этот подход для плат ноутбуков в 1990-х годах. В то время как основная жестко-гибкая печатная плата компьютера не изгибалась во время использования, последующие разработки Compaq использовали жестко-гибкие схемы для навесного кабеля дисплея, проходя десятки тысяч изгибов во время тестирования. К 2013 году использование жестко-гибких схем в потребительских ноутбуках стало обычным явлением.
Жестко-гибкие платы обычно представляют собой многослойные конструкции, однако иногда используются конструкции из двух металлических слоев. [8]
Полимерные толстопленочные (PTF) гибкие схемы печатают элементы схемы на полимерной пленке. Обычно это однослойные структуры проводника, однако два или более металлических слоя могут быть напечатаны последовательно, разделенные печатными изолирующими слоями. Несмотря на более низкую проводимость и, таким образом, ограниченные определенными приложениями, схемы PTF нашли свое применение в маломощных приложениях при немного более высоких напряжениях. Клавиатуры являются обычным приложением.
Каждый элемент конструкции гибкой цепи должен быть способен последовательно удовлетворять требованиям, предъявляемым к нему в течение срока службы продукта. Кроме того, материал должен надежно работать в сочетании с другими элементами конструкции гибкой цепи, чтобы гарантировать простоту изготовления и надежность. Ниже приведены краткие описания основных элементов конструкции гибкой цепи и их функций.
Базовым материалом является гибкая полимерная пленка, которая обеспечивает основу для ламината. При нормальных обстоятельствах базовый материал гибкой схемы обеспечивает большинство основных физических и электрических свойств гибкой схемы. В случае конструкций схем без адгезива базовый материал обеспечивает все характерные свойства. Хотя возможен широкий диапазон толщины, большинство гибких пленок поставляются в узком диапазоне относительно тонких размеров от 12 мкм до 125 мкм (от 1/2 мил до 5 мил), но возможны более тонкие и более толстые материалы. Более тонкие материалы, конечно, более гибкие, и для большинства материалов увеличение жесткости пропорционально кубу толщины. Так, например, означает, что если толщина удваивается, материал становится в восемь раз жестче и будет прогибаться только на 1/8 при той же нагрузке. В качестве базовых пленок используется ряд различных материалов, включая: полиэстер (ПЭТ), полиимид (ПИ), полиэтиленнафталат (ПЭН), полиэфиримид (ПЭИ), а также различные фторполимеры (ФЭП) и сополимеры. Полиимидные пленки получили наибольшее распространение благодаря сочетанию выгодных электрических, механических, химических и термических свойств.
Клеи используются в качестве связующего вещества для создания ламината. Когда дело доходит до термостойкости, клей обычно является элементом, ограничивающим производительность ламината, особенно когда полиимид является базовым материалом. Из-за более ранних трудностей, связанных с полиимидными клеями, многие полиимидные гибкие схемы в настоящее время используют клеевые системы из различных семейств полимеров. Однако некоторые новые термопластичные полиимидные клеи делают важные въезды. Как и в случае с базовыми пленками, клеи бывают разной толщины. Выбор толщины обычно является функцией области применения. Например, разная толщина клея обычно используется при создании покровных слоев, чтобы удовлетворить требования заполнения разной толщины медной фольги, которые могут встречаться.
Металлическая фольга чаще всего используется в качестве проводящего элемента гибкого ламината. Металлическая фольга — это материал, из которого обычно вытравливаются дорожки цепи. Доступно большое разнообразие металлической фольги различной толщины, из которой можно выбирать и создавать гибкую цепь, однако медная фольга служит подавляющему большинству всех применений гибких цепей. Превосходное соотношение стоимости и физических и электрических характеристик меди делает ее отличным выбором. На самом деле существует множество различных типов медной фольги. IPC выделяет восемь различных типов медной фольги для печатных схем, разделенных на две гораздо более широкие категории: электроосажденную и кованую, каждая из которых имеет четыре подтипа.) В результате существует ряд различных типов медной фольги, доступных для применения в гибких цепях, которые служат различным целям различных конечных продуктов. Для большинства медных фольг тонкая поверхностная обработка обычно применяется к одной стороне фольги для улучшения ее адгезии к базовой пленке. Медная фольга бывает двух основных типов: кованая (прокатная) и электроосажденная, и их свойства совершенно различны. Наиболее распространенным выбором является прокатанная и отожженная фольга, однако все большую популярность приобретают более тонкие пленки, нанесенные методом гальванопокрытия.
В некоторых нестандартных случаях производитель схем может быть призван создать специальный ламинат, используя указанную альтернативную металлическую фольгу, например, специальный медный сплав или другую металлическую фольгу в конструкции. Это достигается путем ламинирования фольги на базовую пленку с клеем или без него в зависимости от природы и свойств базовой пленки. [ необходима цитата ]
Спецификации разрабатываются для обеспечения общей основы понимания того, как должен выглядеть продукт и как он должен работать. Стандарты разрабатываются непосредственно ассоциациями производителей, такими как Association Connecting Electronics Industries (IPC), и пользователями гибких схем.
Журнал IEEE по гибкой электронике (J-FLEX) [9]
Международная конференция IEEE по технологиям гибкой электроники (IFETC) [10]
