Tištěná a organická elektronika na výstavě LOPE-C

Neznám lepší příležitost, jak se seznámit s tištěnou a organickou elektronikou než na výstavě LOPE-C, která se každoročně koná v německém Mnichově. Nejen proto, že podobných akcí se uskutečňuje po celém světě jen několik, ale hlavně proto, že je velmi prakticky zaměřená. Stačí se projít po výstavišti, zúčastnit se různých odborných předváděcích akcí, poslechnout si některé z mnoha přednášek a člověk získá poměrně dobrou představu o tom, co to tištěná a organická elektronika vlastně je, jak se vyrábí a k čemu je užitečná.

LOPE-C totiž není pouhá výstava, ale paralelně zde také probíhá konference, která trvá dokonce o jeden den déle. Její odborné a vědecké přednášky jsou zaměřeny na tištěnou i organickou elektroniku.

Jak sám název napovídá, tištěná elektronika je doslova natištěna, a to téměř na cokoliv. Dnes je možné tisknout nejenom vlastní spoje, ale i součástky, jako jsou tranzistory, pasivní součástky, baterie či dokonce paměti. Výsledkem může být např. obdoba ohebného plošného spoje, na kterém jsou jak SMT, tak i embedded součástky. Pokud se obvody tisknou na čirý film, potom je výsledný produkt v podstatě průhledný.

Plošné spoje i mnohé součástky se tisknou vodivými inkousty různých vlastností na různé materiály, jako jsou např. polyesterový nebo polyamidový film nebo i jen hladký papír. Vodivost inkoustů je zajištěna přítomností malých částeček vodivých materiálů, např. mědi, stříbra či uhlíku, ale jsou i mnohé jiné se specifickými vlastnostmi. Tisk se provádí běžnými tiskařskými technologiemi pomocí rotačních nebo inkjetových tiskáren. Pochopitelně, že stroje pro tisk elektronických obvodů jsou speciálně upravené pro tento účel, ale princip tisku je stejný. Protože vodivé částice v inkoustu netvoří po nátisku homogenní vodivý spoj, musí se natištěné obvody vytvrdit, např. teplem v peci nebo UV zářením, aby se jednotlivé částečky vodivého materiálu vzájemně spojily.

Rotační technologie nazývaná roll-to-roll se používá pro hromadnou výrobu, kdy pás filmu prochází mezi více válci, které na něm postupně tisknou potřebné obvody. Inkjetový tisk je pochopitelně pomalejší, zato se hodí i pro prototypovou nebo malosériovou výrobu. Ale nenechme se mýlit, průmyslové tiskárny postavené pro tento účel mohou mít i velké rozměry a být součástí celé výrobní linky včetně dopravníků.

Je jednoduché si představit tisk plošných spojů včetně plošek pro klasické součástky na jedné straně materiálu, např. fólie nebo papíru, ale jak se natiskne obdoba dvoustranné nebo dokonce vícevrstvé desky? Podobně by mohla znít otázka ve vztahu k přímému tisku součástek. Zdánlivě komplikovaná záležitost je vlastně docela jednoduchá. Na podkladový materiál se natiskne vodivým inkoustem první vrstva obvodu, která může být obdobou horní strany desky plošných spojů. Přes tuto vrstvu se natiskne další, izolační vrstva nevodivým inkoustem s potřebnými vlastnostmi. V místech, kde má dojít k vzájemnému propojení mezi vodivými vrstvami, se tisk izolace vynechá. Následuje tisk další vrstvy vodivým inkoustem, který vytvoří obdobu druhé strany desky plošných spojů nebo vnitřní vrstvu vícevrstvé desky. Tento postup se podle potřeby opakuje. Při tisku vodivé vrstvy se může současně nebo odděleně tisknout i obvod polovodičové součástky, která místo křemíku používá organické materiály. Právě organická elektronika umožňuje vytvořit polovodičové součástky tiskem.

Protože se většinou tiskne na fólie nebo na papír, otázkou by mohlo být „připájení“ SMT součástky na natištěné „pájecí“ plošky. Teploty používané při pájení by jistě mohly použitý nosič obvodů poškodit, a tak se součástky připojí a přichytí zároveň většinou pomocí vodivého lepidla.

Už z tohoto stručného popisu je zřejmé, že tištěná elektronika má své výhody i nevýhody. Vodivé spoje a lepidlo vykazují přeci jenom určitý malý odpor. Tisk a použité inkousty nedovolují vytvořit jakékoliv součástky, i když jejich okruh se neustále rozrůstá. Proces tisku vodivým inkoustem, stejně jako vlastnosti vodivého inkoustu se musí pečlivě sledovat. Ale navzdory počátečním problémům se stává tištěná elektronika fenoménem, který má do budoucna velký potenciál.

A zde je několik zajímavých novinek z tohoto oboru, které byly prezentovány právě na výstavě LOPE-C, která se konala koncem května tohoto roku v Mnichově:

ElektroJet (obr. 1) je příkladem malého zařízení pro tisk elektronických obvodů, které bylo sestaveno z jednotlivých částí od různých výrobců. Jedná se o inkjetovou tiskárnu, která přejíždí přes pracovní desku, na které je vakuově přidržována polyesterová fólie. Má možnost tisku jak vodivého inkoustu s nanočásticemi stříbra pro tisk elektronického obvodu, tak inkoustu s izolačními vlastnostmi pro tisk izolační vrstvy. Vytvrzení natištěných obvodů se provádí hned po tisku, když tisková hlavice se zdrojem UV záření přejíždí postupně potištěnou část filmu. Velikost filmu je omezena zhruba na šířku 270 mm a délku 800 mm. Program, který ovládá tisk, načítá data o elektronickém obvodu ve formátech Gerber a DXF, přičemž umožňuje tisk s rozlišením až 5 760 dpi. Cena tohoto zařízení je přibližně 1,25 milionu korun.

Obr. 1 ElektroJet při tisku na polyesterový film

ElektroJet (www.circaprint.net) představuje střední velikost tiskáren pro tištěnou elektroniku, stolní provedení pak vyrábí například společnost Dimatix (www.dimatix.com), zatímco příkladem velké tiskárny jsou produkty francouzské firmy Ceradrop (www.ceradrop.fr).

Z materiálů používaných pro tisk obvodů mne zaujal papír PowerCoat od francouzské společnosti Arjowiggins (www.powercoatpaper.com). Na rozdíl od běžného papíru má velmi hladký povrch, který umožňuje úsporný tisk s vysokým rozlišením, protože se nerozpíjí. Dobře snáší vysoké teploty a na rozdíl od filmů umožňuje to, co běžný papír – lze ho přeložit, roztrhat, je recyklovatelný a šetrný k životnímu prostředí. Protože to je papír, hodí se především v aplikacích, jako jsou obaly s natištěnou elektronikou pro RFID účely nebo reklamní materiály s elektronickými obvody. Umožňuje tisk rezistorů, kondenzátorů, indukčností, elektrod baterií, různých senzorů atd. (obr. 2).

Obr. 2 Tisk elektronického obvodu na papír PowerCoat

O tom, že jednu a tutéž věc lze dělat různými způsoby, svědčí i metoda vytvrzení natištěného obvodu teplem od americké společnosti Novacentrix (www.novacentrix.com). Ta používá teplo, které je vytvořené velmi krátkými pulzy o vysokém napětí. To má na rozdíl od vytvrzení teplem v peci výhodu v tom, že zahřívá hlavně natištěný vodivý obvod, a ne tolik substrát (film, papír atd.), přičemž vytvrzení proběhne rychleji. Novacentrix je také známým výrobcem různých vodivých inkoustů, např. stříbrného s nanočásticemi pod názvem Metalon.

Obr. 3 Příklad použití – LED svítilna se solárním článkem

Obr. 4 Příklad použití – elektronická vstupenka

Obr. 5 Příklad použití – teplotní senzory v kelímku

Příští konference a výstava LOPE-C se bude konat opět v Mnichově, ale tentokrát už 3.–5. 3. 2015