Může Printed Electronics nahradit klasickou DPS?

Poslední tři roky v naší firmě sledujeme, zkoumáme a nyní i testujeme možnosti technologie tištěné elektroniky (Printed Electronics) s cílem nahradit tak klasickou desku plošných spojů. Nyní můžeme konstatovat, že minimálně z větší části lze náhradu klasické DPS opravdu vyrobit.

Testy s použitím inkoustové tiskárny pro tisk plošných spojů byly sice povzbudivé, ale nakonec vyšly naprázdno kvůli velké spotřebě náplní, které byly potřeba k vytvoření požadované tloušťky vrstvy s dostatečně nízkým elektrickým odporem. Také rychlost a kvalita natištěných spojů nebyla dostatečná. Inkoustová tiskárna a další metody mohou na vrstvu dielektrického materiálu natisknout vodivý spoj minimálně 15 μm silný. Při 4 až 6 vrstvách desky se ale reliéf povrchu jednotlivých vrstev protlačí slabým dielektrikem až nahoru, takže pro dobrou montáž SMT součástek je povrch příliš hrbolatý. Další problém s tištěním plošných spojů je to, že rozměry spoje a jeho hrany nejsou dostatečně kontrolovatelné.

Když jsme pracovali na novém nanokeramickém dielektriku, které jsme chtěli použít jako osvitový materiál pro mikroobvody, uvědomili jsme si, že by bylo možné takto vytvořit velmi jemné drážky, do kterých by se natlačila stříbrná pasta. Tento jednoduchý nápad by umožnil vytvořit plošné spoje až s 20 vrstvami, u kterých by byla zaručena definovatelnost hran spojů a přitom by bylo možné vyplnit drážky dostatečným množstvím vodivé pasty tak, aby se elektrický odpor spojů přiblížil k hodnotám spojů z mědi.

Jedním z faktorů, který umožňuje přejít z klasických DPS na tištěné obvody je nová pasta se stříbrem, která má malý elektrický odpor a nízkou tavnou teplotu. Na DPS se předpokládá hodnota elektrického odporu měděných spojů kolem 1 W. Většina běžných stříbrných inkoustů má tuto hodnotu v rozsahu 28–43 W, ale některé nové stříbrné nanopasty ji mají nižší – dokonce až kolem 3 W.

Vybaveni novu sérií past pro tištěné elektronické obvody (Printed Electronics Circuits – PEC) jsme připravili testování u výrobce desek v Montrealu – firmy GRM Circuits. Její majitel Claude Vigneault a hlavní inženýr Stephane Paradis s námi pracovali po celou dobu testů.

Připravili jsme si několik filmových podkladů se sérií průchozích via otvorů, via-in-pad a velmi jemných plošných spojů. Testovací desky, stejně jako klasické desky s měděným laminátem pro porovnávací účely, byly vyvrtány. Prvním krokem bylo vyplnění průchozích via otvorů hustou epoxy stříbrnou pastou s následným vysušením. Takto zaslepené via otvory byly opět provrtány. Tím se potvrdilo, že použitá technika vyplnění otvoru stříbrem a následné provrtání ucpávky umožňuje vytvořit funkční via otvor. Původní otvor měl velikost plošky via otvoru, potom byl zaslepen stříbrnou pastou a následně provrtán menším vrtákem velikosti via otvoru. Měření elektrického odporu potvrdilo, že jeho hodnota je stejná jako u normálního prokovaného via otvoru. Na obr. 1 je vidět, jak hladké a rovné jsou hrany spoje zhotoveného vyplněním 0,1 mm široké drážky stříbrnou pastou.

Obr. 1 Spoje zhotovené vyplněním 0,1 mm široké drážky stříbrnou pastou

Hned po nanesení nanokeramického dielektrika sítotiskem nastal problém: nanokeramický materiál přilnul k pastě tak, že se jeho povrch stal příliš hrubý a nebylo tak možné v práci pokračovat. Kontaktovali jsme výrobce pasty a ten nám poslal náhradu – ohebný, fotocitlivý dielektrický materiál připravený pro osvit, který byl již vyzkoušen. Také původní pastu jsme nahradili levnějším typem z nanokeramiky, která se do drážky snadněji vtlačuje.

Nanesli jsme náhradní ohebný fotocitlivý dielektrický materiál a nechali ho zavěšený vyschnout. Všimli jsme si, že vytvořený film byl příliš slabý, takže jsme proces ještě několikrát opakovali, abychom dostali vrstvu dielektrika silnou 0,05 mm. Osvítili jsme ji a vyvolali.

Vyplnili jsme drážky novou stříbrnou nanopastou a 4 minuty ji tavili při 180 °C.

Drážky se vyplnily snadno, ale vrstva pasty se nám zdála velmi tenká a její elektrický odpor byl v porovnání s mědí příliš vysoký. U nanopasty byla udávána hodnota odporu 2 W, což je asi 2,8× více než u mědi. Náš test ale ukázal hodnotu odporu asi 5× vyšší. I když byla tato hodnota vyšší než požadovaná, byla pořád nižší než u stříbrné pasty z epoxy materiálu. Přestože jsme udělali velký pokrok směrem k nižším hodnotám elektrického odporu u stávajících stříbrných epoxidů, stále jsme pozadu za hodnotami u nových stříbrných nanomateriálů.

Obr. 2 Spoj/mezera 0,05 mm se stříbrným inkoustem v drážce dielektrika

Inkoust dokázal vytvořit dobrý spoj o šířce 0,05 mm (2 mils) s velmi rovnými hranami. Dostali jsem se až na limity použité pasty, kdy jsme získali spoje široké 0,035 mm. Keramická nanopasta sama o sobě disponuje ještě limitnější hodnotou – 0,0075 mm.

Povrch u via-in-pad byl rovný, nebyla vidět žádná jamka, což byl velmi pozitivní výsledek. Celková přesnost ohebného dielektrika byla bezvadná, zhotovili jsme spoje široké 5, 4, 3 a 2 mils (127, 100, 76 a 50 μm) s mezerami stejných hodnot a všechny byly velmi dobré.

Bez ohledu na problém s viskozitou vyplnila nová stříbrná nanopasta drážku velmi dobře, snadno se také pájela a zcela eliminovala potřebu další povrchové úpravy. Nanesenou vrstvu nanopasty lze také opravovat. Zkoušeli jsme přidat vodivou pastu na již vytvořené spoje, které byly propadlé nebo nesprávně vyplněné. Stejně tak jsme zkoušeli po roztavení odstranit ostrým hrotem stříbrnou pastu, aby vybrané místo bylo následně vyplněno dielektrickým materiálem. Protože jsme vyráběli každou vrstvu samostatně, bylo také možné každou z těchto vrstev separátně elektricky testovat a opravit, což je další plus pro tištěné elektronické obvody.

Obr. 3 Stříbrný plošný spoj napojený na stříbrný via in pad

I když jsme měli problémy s novými pastami, dokázala použitá technika reálnou možnost výroby tištěných desek plošných spojů. Při testování nových postupů často vše nejde tak, jak je plánováno. Ve vývoji a výzkumu máme snahu nahlížet na věci pozitivně a pracovat na odstranění nedostatků. Je jednoduché vidět jeden malý nedostatek a odvodit z toho neúspěch testu. Ale i tak, v našem prvním testu tištěné desky plošných spojů jsme dosáhli velmi jemných spojů, které takto může vyrobit 98 % výrobců DPS. Byli jsme schopni vyrobit via otvory zaplněním děr stříbrnou výplní a novým provrtáním. Zhotovili jsme perfektně plochý via-in-pad, který jinak působí problém mnohým výrobcům desek. Vyrobili jsme srovnatelnou DPS pouze za použití vrtačky, sítotisku, UV osvitky, vývojky a pícky.

Není tedy možné, že se v budoucnu tištěné elektronické obvody mohou stát nejpřevratnější technologií výroby desek, která se kdy objevila?