Jak může elektronický průmysl využít tisk plošných spojů ve 3D

Většina dnešních elektronických výrobků sestává z částí, které jsou vyrobeny tradičními metodami. Plastová skříňka obsahuje desku plošných spojů se součástkami. V mnoha případech jsou výsledná konstrukce a vzhled výrobku přizpůsobeny elektronice, která je uložena uvnitř. Nemělo by to ale být tak, že elektronická část je součástí návrhu, který je více založen na estetice a ergonomice?

Jediným způsobem, jak to udělat, je pokládat elektroniku za jednu z částí ovlivňujících výsledný návrh výrobku. To znamená, že podložka, na kterou jsou umístěny součástky, je tvořena vnitřním povrchem navrhovaného krytu či skříňky. Protože ty bývají prostorovými tělesy, některé součástky musí být položeny v prostoru, přičemž jejich vzájemné propojení musí být řešeno novým způsobem.

Hlavním trendem ve výrobě integrovaných obvodů (IC) je (v souladu s požadavkem neustálého zvyšování výkonu a zmenšování rozměrů) pouzdření do velmi malých pouzder a integrace na úrovni čipů, na křemíkových podložkách nebo na plastové fólii.

Taková integrace vyžaduje novou strategii provedení vodivých spojů, jako jsou via otvory skrz křemík (TSV), otočení vrstev u ball grid arrays na úrovni čipu (flip-chip) a různé hybridní přístupy k integrování tenkých čipů na fólii nebo laminát. Všechny tyto aplikace čelí stejnému problému, protože průmyslové metody zhotovení vodivých spojů jsou příliš drahé nebo nedostatečně přesné.

Ve výrobě vícevrstvých IC se tradičně používá kombinace naprašování a následného pokovení. K vytvoření obrazce spoje musí být pokovovací proces vždy doprovázen několika kroky litografického maskování a leptání. Tyto výrobní postupy jsou drahé, zejména když výrobní série je malá. Nové způsoby zapouzdření a provedení spojů typicky vyžadují metalizaci s vylepšenými rozměrovými poměry, např. metoda pokovených propojení (Through Silicon Vias, TSV), což vede k dalšímu zvýšení nákladů. Přitom je celková plocha dané struktury často velmi malá.

Proto se pro průmyslové použití začínají rozpracovávat metody přímého nanesení (direct write) vodivých spojů. Tyto mohou vytvořit levnou alternativu ke klasickým způsobům jejich výroby, když eliminují maskování a leptání a jsou přitom účinnější na malých plochách s vysokým rozměrovým poměrem (obr. 2).

Za účelem tisku vodivých spojů byla vyvinuta celá řada technik. Existující technologie jsou přehledně uvedeny v tabulce 1. Ve většině případů jsou použity kovové inkousty a pasty s nanočástečkami nebo inkoust, který umožňuje chemické pokovení vytvořeného obrazce spoje. Kovové inkousty s nanočástečkami vždy vyžadují působení tepla nebo světla k vytvrzení, a tím vytvoření vodivého spoje. Použití inkoustů s následným pokovením natisknutého obrazce spoje řeší jenom částečně problémy konvenčního způsobu vytvoření spojů.

Obecně jsou procesy zapsané v tabulce 1 dobře zavedené metody (s výjimkou metody LIFT) a mnohé z nich jsou využívány v průmyslové výrobě, jako např. při výrobě desek plošných spojů či solárních článků nebo při zapouzdření součástek. K tomu, aby bylo možné vytvořit struktury spojů kompatibilní s pokročilými technikami u IC musí být vyžadovaná jemnost jejich nanášení 1–5 μm. Jak je možné vidět z tabulky, je to přinejmenším 10× méně, než většina uvedených procesů může zajistit. Pouze metoda Laser Induced Forward Transfer má potenciál překonat rozměrové omezení.

Metoda Laser Induced Forward Transfer (LIFT) používá laser k nanesení malých kapek vodivého materiálu z nosiče na substrát, jak je ukázáno na obr. 3. Velikost nanášení je typicky menší, než je otvor ve vrstvě materiálu, ze kterého kapka pochází (donor layer). Podložka a donor se pohybují každý svojí rychlostí ve vztahu k laserovému paprsku, což je potřebné k vytvoření vzájemně se přesahujících nánosů, které formují vodivý spoj.

Inkjet tisk může být použit pro vytvoření vodivých spojů mezi součástkami. Vodivý i dielektrický inkoust je používán jako náhrada tradičních plošných spojů při tisku spojů. Ačkoliv oba organické i anorganické inkousty mohou být použity pro zhotovení vodivých cest, v tuto chvíli nabízí lepší vodivost anorganický inkoust. Ten obsahuje kovové nanočástice a organické ředidlo, které činí inkoust tisknutelným.

Tryskové tisknutí aerosolu (Aerosol Jet Printing) je další technikou nanášení spoje v tištěné elektronice. Proces začíná „atomizací“ inkoustu, který může být ohřát až na 80 °C, čímž vznikají kapky o průměru 1–2 μm. Atomizované kapky jsou unášeny proudem plynu do tiskové hlavy. V ní se mísí s čistým plynem, který zacílí kapky do velmi úzkého paprsku – ten potom proudí z tiskové hlavy skrz trysku, která stlačí aerosolový paprsek až na průměr kolem 10 μm. Proud kapek opouští ústí trysky velkou rychlostí (až kolem 50 m/sec) a dopadne na substrát. Elektrické spoje, pasivní a aktivní součástky se vytvoří pohybem tiskové hlavy, která je vybavena mechanickou uzávěrkou pro ovládání proudu kapek formou start/stop. Obrazec takto vytvořený na substrátu má šířku čar od 10 μm. Široká tisková hlava umožňuje účinně tisknout čáry v milimetrových velikostech. Celý tisk proběhne bez potřeby vakuových nebo tlakových komor při pokojové teplotě. Vysoká výstupní rychlost aerosolového proudu umožňuje relativně velkou vzdálenost tiskové hlavy od substrátu, typicky 2–5 mm. Kapky zůstávají během své cesty přesně zaměřené, což dovoluje vyhovující tisk obrazců spoje na 3D prostorovém substrátu. Navzdory vysoké rychlosti je proces tisku jemnou záležitostí – substrát není poškozen a obecně nedochází k rozstříkání kapek do okolí. Jakmile je proces ukončen, natisknutý inkoust vyžaduje dodatečnou úpravu k dosažení konečných elektrických a mechanických vlastností.

Technika 3D MID (Moulded Interconnect Devices) je dalším způsobem k vytvoření elektrických spojů uvnitř plastového krytu. Elektricky vodivý obvod je vytvořen pomocí dvoustupňového vstřikování nebo vzorkování aktivovaného laserem. Po tomto kroku se vytvořená struktura chemicky pokoví, čímž se stane vodivou. Když je elektrický obvod vytvořen, použijí se konvenční stroje pro SMT procesy k usazení součástek na požadované místo.

Záležitosti se stávají zajímavějšími, když změníme náš konvenční způsob myšlení. Co kdyby se nejdříve umístily součástky a teprve potom tiskly spoje? V takovém případě také nepotřebujeme reflow pájecí proces. Měděné spoje by potom bylo ale výhodné tisknout bez potřeby dalších úprav. Plasmová technika by v takovém případě byla dobrou volbou. Tento druh technologie by revolučním způsobem změnil výrobní proces pro citlivé povrchy substrátu při atmosférickém tlaku.

Studená aktivní atmosférická plasma zahrnuje řadu aplikací v průmyslu, v jeho solárním nebo polovodičovém segmentu, a může se stát náhradou technologie 3D MID. Plasmová technika ale pořád ještě potřebuje další vývoj k dosažení dostatečně jemných tolerancí u spojů s velmi malou roztečí.

Do úvahy se musí také vzít umístění součástek. V případě, že vytvoříme elektrický obvod na vnitřní straně skříňky a její tvar je prostorový, potřebujeme i součástky umístit v 3D prostoru. To ale znamená, že musíme být schopni aplikovat pájecí pastu nebo lepidlo také ve 3D. V případě, že umístíme součástky jako první a potom tiskneme vodivé měděné spoje, může se stát, že potřebujeme změnit návrh, pokud některé součástky mají vývody nebo chladič na druhé (spodní) straně.

Jaké výhody mohou tyto změny přinést elektronickému průmyslu? Kromě toho, že výrobek je navrhnut podle potřeby, a ne jenom přizpůsoben potřebám použité elektroniky, jsou tu také očekávané nezanedbatelné úspory ve výrobních nákladech. Pokud je možné tisknout vodivé spoje uvnitř krytu, není potřeba desky plošných spojů. Také není potřeba integrovat DPS uvnitř krytu, což je další úspora nákladů. Když některé součástky mohou být vytvořeny pomocí spojů, potom tyto součástky, ať už vývodové, nebo SMD, nejsou zapotřebí. V případě, kdy jsou nejdříve umístěny součástky a potom tisknuty měděné spoje, není potřeba používat pájecí pastu ani reflow proces pájení. Pájecí pasta by asi musela být nahrazena lepicím procesem, aby součástky držely na svém místě, zejména když jsou součástky umístěny prostorově. Omezení výrobních kroků umožní zavést rychlejší výrobní cykly. Takový proces by zjednodušil stávající proces sestavování výrobku, což by vedlo k redukci potřebného prostoru a energie.

Jak můžeme vidět, 3D tisk není zaměřen pouze na strojírenství. Existuje několik velmi zajímavých aplikací a technologií, které stojí za to prozkoumat. TNO, výzkumný ústav v Holandsku, začal strategický výzkumný projekt se zaměřením na 3D tištěnou elektroniku s cílem vyvinutí nových technik a zlepšení stávajících, v úzké spolupráci s elektronickým průmyslem a partnery. Předpokládáme, že vzhledem k rychlému vývoji 3D tisku, bude tato technologie natolik vyspělá, že povede v příštích letech k efektivnímu využití v elektronickém průmyslu. Více informací o TNO je na webové stránce (www.tno.nl/en/about-tno).

www.tno.nl