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聚酯纤维: 一种成熟的印刷电路基底材料

制造商可以利用先进的印刷电子技术(PE)技术将功能材料应用到塑料薄膜上,从而到达降低成本的目的。柔性和轻质聚酯(PET)基板在许多应用中是一个可靠的选择,比传统印刷电路板(PCB)或柔性印刷电路(FPC)技术的整体成本要低。

  


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用于高端和中等范围应用的传统电路


在电子产品中使用的蚀刻铜PCB提供了许多优点,包括机械完整性、导电性和可靠性。然而,刚性结构限制了设计的灵活性。随着电子器件尺寸的减小和形状的不断变化,FPC解决方案比多氯联苯具有优势,因为它们是可弯曲的,利用了三维空间,同时保留了PCB的某些理想性能特征。然而,FPC的成本高于传统的PCB。

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图1.  传统铜蚀刻电路

 

PCB和FPC的制造都涉及到减色法制造方法,首先是一层聚酰亚胺或一种FR(玻璃纤维增强环氧基板)电介质粘在一层铜上。在用湿化学方法腐蚀不需要的铜之前,导电路径被掩盖,只留下所需的电路模式。在大多数情况下,大量的铜被移除了在基材上,导致材料利用率低。增加两个以上的信号层还需要额外的步骤,如叠层热压,钻孔和电镀过程。多层电路可能涉及40多个过程步骤。由于潮湿的化学过程,蚀刻的铜制设备也需要昂贵的水过滤和废水处理系统。 

尽管存在这些挑战,PCB仍然是高端应用的黄金标准。传统制造的基于PCB板的电子产品的性能仍然高于使用可替代的印刷电子产品。然而,许多产品不需要PCB的高端性能。大多数电子产品需要相对较低的中档性能。在这些情况下,印刷电路提供了一个可行的替代方案。


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经济型印刷电子产品提供多功能性和节约成本



在越来越多具有较低功能性能要求的实际应用中,印刷电子(PE)可以成为PCB或FPC技术的低成本替代品。顾名思义,PE结合了传统的印刷功能,将机能性油墨印刷到一个制造电子电路的基底上。机能性油墨通过单张纸或卷筒纸印刷工艺选择性地沉积在衬底上。然后这些


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图2.  印刷电路技术的演变(从左到右: PCB, FPC 以及PE 技术)

 

几种用于印刷的常见沉积方法。丝网印刷,目前最流行的PE制造方法,允许应用厚度均匀的机能层。对于更高的输出要求,可以使用flexography、rotogravure或旋转屏幕来使用连续的卷对卷(R2R)过程。柔性印刷提供了比丝网印刷更薄的油墨层的高分辨率印刷。凹版印刷是一个成本较高的过程,它可以提供优势,特别是在高速高分辨率模式的大面积电子产品。

一些R2R,多阶段印刷系统提供混合解决方案与一个印刷线结合多种沉积方法。生产速度快是R2R系统的主要优点,有些过程的速度可达每分钟1000英尺。但是,速度可以根据材料和印刷精度的不同而变化,特别是如果需要打印多层印刷油墨。通过注册是确保最终产品的正确的关键。一般来说,较慢的印刷速度会产生更均匀的材料层和更好的注册公差。R2R过程对于高通量生产也是最有效的,因为它需要一个更长的设置时间,并且需要更多的油墨和基底。

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图3.  针对大量PE产品制作流程的卷对卷(R2R) 方式


最近在功能材料和制造能力方面的发展使印刷电子产品在更广泛的应用领域变得更加通用和实用。导体、绝缘体(介质)和半导体构成了大多数印刷电子系统的功能材料。这些材料中含有无机和有机物质,这些物质能使它们的功能发挥作用。导电墨水可以包含银、碳或铜粒子,此外还有聚合物粘合剂和溶剂等其他部件。可以利用各种添加剂来影响油墨的沉积能力和功能特性。

导电微粒或填料可以是不同的尺寸或化学结构,直接影响液体油墨和干印刷层的性能。传统的填充物在尺寸上比较大,因此在印刷200微米以下的小部件时是一个限制因素。多年来,油墨制造商已经能够降低填充剂的尺寸,并微调油墨系统的组成,使其能够可靠地打印低于50微米的导电痕迹。低电阻银油墨的发展为各种低功率低转速信号的应用提供了一个特别有效的电路。


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PE技术基板的进展


印刷电子产品的另一个独特之处是能够使用更经济的基板。聚酰亚胺在传统电子电路中是一种受欢迎的柔性基底,具有很高的热稳定性和尺寸稳定性。然而,这些属性的价格限制了它对许多产品应用的使用。在制造过程中,传统的PCB和FPC基底必须满足一定的要求才能耐高温,并且耐腐蚀和电镀槽的化学物质。在印刷电子产品中使用的基底不需要如此苛刻的条件,因此PET是一个很好的基础材料选择。

 

用机能性油墨印刷的聚酯(PET)基底被证明对更广泛的应用来说是有效的,这些应用需要柔软并能弯曲的电路,以适应狭窄的空间或相应的应用领域。NFC印刷智能标记利用了这些属性,创建了一个超薄的设备,它只是比典型的纸质标签稍微突出一些。虽然基于PCB板基础的设备在平面上的应用是有限的,但印刷设备可以符合各种几何图形,增加潜在应用可能性。

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图4.  NFC 温度标签

PET基底可在多种产品中使用。根据最终的应用方向,可以选择透明的、半透明的或带厚度小于0.18mm的白色版本。在决定PET技术之前,其他的考虑因素包括材料的选择、加工参数以及通过表面安装技术(SMT)添加电子元件等后印刷过程。经过特殊处理的聚酯类型可以在不同的级别上提供稳定的印刷表面,并加强油墨和基材之间的粘结。这些处理促进粘连,防止油墨在印刷电路模式时扩散。这在打印细纹时尤其有用。


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PET 粘合材料和流程



目前生产的大多数聚乙烯可以被称为混合技术。部分电路被打印出来,而其他功能部件则采用传统的SMT过程集成。改进的导电结合材料,允许制造商在PET上附加细螺距组件。传统焊料回流过程允许附件的电子元件(二极管、电容器、电阻、集成电路等)聚酰亚胺和其他包铜基板在温度超过+ 200°C。由于聚酯在这些温度下降解,另一种选择是使用导电环氧树脂,在恒定温度下固化,但限制了可能粘结的组分的类型。405bda11c6.png

图5.  SMT 元件:  聚酰亚胺上的FPC(左) 和聚酯上的PE(右)

增强的粘合材料现在允许微处理器和其他半导体元件的连接,通过传统的回流焊工艺,其间距为0.50mm。标准的挡拆和回流设备用于将表面安装组件与印刷的银电路连接起来。在较低温度下回流处理可满足PET加工参数。作为表面安装过程的最后一步,可以在组件上放置一个可弯曲的封装材料。固化后,使焊点更耐振动和机械冲击。


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发掘印刷电路的更多机会



该应用将决定生产工艺的选择,最终选择基材(FR,聚酰亚胺或聚酯)。每个基底都有独特的设计优势,制造成本和操作限制。耐溶剂和热稳定的PET提供了一种灵活的替代品,在多氯联苯中使用的刚性FR基板和一个更划算的替代聚酰亚胺基FPCs。PET薄膜可以很好的平衡加工特性,包括温度电阻、性能和成本。

 

在薄膜开关面板的应用中,在PET衬底上印制的银电路已有多年经验。现在,他们越来越多地迁移到汽车、医疗、商业传感器和射频识别和NFC支持的产品、可穿戴设备、物联网和其他应用领域的电子应用领域。技术集成商正在将PE解决方案应用于新产品和现有产品。用于制造印刷电子产品的材料和技术的发展将继续为这一领域提供更多的机会。


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