Eletrônica híbrida flexível: estratégias para ativar substratos mais baratos

Imagine uma placa de circuito flexível (FPCB) e você quase inevitavelmente visualizará uma folha de plástico laranja / marrom, provavelmente com alguns traços de cobre e talvez alguns componentes soldados. Este plástico é PI (poliimida / Kapton), e sua onipresença se deve principalmente à resistência à temperatura e durabilidade geral. De fato, é tão durável e insensível à temperatura que o PI é rotineiramente usado em fornos de laboratório, criostatos e (quando laminado com alumínio) envolto em satélites.

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Desvantagens da poliimida

Esses recursos fazem parecer o material dos sonhos para aplicativos eletrônicos flexíveis, mas há algumas desvantagens. Em primeiro lugar, custa caro cerca de 100x o preço do PET (tereftalato de polietileno), um plástico transparente comum usado em garrafas de bebidas. Isso não importa se o filme plástico está indo para um laboratório ou em torno de um satélite, mas como substrato de circuito para embalagens inteligentes descartáveis ​​ou outras aplicações de baixo custo, é uma grande desvantagem.

Em segundo lugar, correndo o risco de afirmar o óbvio, é laranja. Isso evita o uso em aplicações ópticas, como folhas cobertas com LEDs. Em terceiro lugar, a contrapartida de sua durabilidade é que ela não estica, por isso é desafiador usar em adesivos de pele ou têxteis eletrônicos.

Tudo isso significa que a mudança para substratos transparentes mais baratos, porém mais frágeis termicamente, como PET, PEN (naftolato de polietileno) e TPU extensível (poliuretano termoplástico) é uma tendência importante na indústria eletrônica flexível. No entanto, é necessária uma mudança tecnológica significativa na forma como os componentes eletrônicos são conectados ao substrato. Essa ligação de componentes convencionais a substratos flexíveis com interconexões impressas (em vez de gravadas) é denominada eletrônica híbrida flexível (FHE).

O novo relatório da IDTechEx, “Eletrônica híbrida flexível 2020-2030: aplicativos, desafios, inovações e previsões”, discute as tecnologias e inovações necessárias para permitir a fabricação eletrônica em substratos de baixo custo. Baseia-se em extensa pesquisa primária, incluindo entrevistas e visitas a empresas de todo o mundo, e se baseia no restante deste artigo.

A eletrônica híbrida flexível precisa de substratos de baixo custo

O sistema eletrônico híbrido flexível (FHE) promete combinar a funcionalidade dos eletrônicos rígidos convencionais com a flexibilidade dos eletrônicos impressos. O diagrama mostra um circuito FHE prototípico, no qual um circuito integrado é combinado com vários outros elementos, incluindo (por exemplo) sensores impressos, uma antena, uma bateria de filme fino e até PV de filme fino. Nem todos os componentes precisam ser incluídos, ou mesmo impressos, para que um circuito seja contabilizado como FHE, mas deve incluir no mínimo a funcionalidade impressa e colocada. As oportunidades e os desafios do FHE são analisados ​​de maneira abrangente no novo relatório da IDTechEx, “Eletrônica híbrida flexível 2020-2030: aplicativos, desafios, inovações e previsões”.

Com um PCB rígido convencional, ou mesmo um FPCB, a conexão de componentes é feita com solda, uma tecnologia crucial que é amplamente tomada como certa. A solda tem vários benefícios: a tensão superficial ajuda a puxar os componentes colocados para o alinhamento correto, reduzindo os requisitos para posicionamento preciso, os erros podem ser corrigidos manualmente e, o mais importante, fornece excelentes conexões elétricas e mecânicas. Infelizmente, para os fabricantes que aspiram usar substratos termicamente frágeis mais baratos, a solda SnAgCu (SAC) convencional exige temperaturas de refluxo em torno de 250 ° C, o que não é problema para o PI, mas causa derretimento e degradação na maioria dos outros plásticos de substrato.

Adesivos condutores anisotrópicos

Até o momento, esse enigma foi resolvido usando adesivos condutores anisotrópicos (ACAs), que podem ser curados termicamente a temperaturas adequadas. No entanto, a IDTechEx acredita que eles representam uma solução provisória para muitas aplicações, particularmente aquelas que exigem alta durabilidade – elas custam entre 3 a 10 vezes o preço da solda e, principalmente, não oferecem benefícios. Como tal, muito esforço foi dedicado ao desenvolvimento da solda a baixa temperatura ou na sinterização fotônica que pode fazer com que a solda reflua sem danificar o substrato. Qual dessas abordagens é a mais amplamente adotada ainda é uma questão em aberto, mas o desenvolvimento de métodos de fixação de componentes compatíveis com PET é sem dúvida um passo crucial para promover a adoção de eletrônicos híbridos flexíveis de baixo custo.

Esses materiais de fixação de componentes, juntamente com estudos de caso de abordagens inovadoras, incluindo nanopartículas contendo solda super-resfriada e ACAs alinhados em campo, são avaliados em detalhes no novo relatório da IDTechEx, “Eletrônica Híbrida Flexível 2020-2030: Aplicações, Desafios, Inovações e Previsões”.

Eletrônica híbrida flexível: um roteiro para a adoção de substratos

Dadas as exigências em termos de desenvolvimento tecnológico e métodos de fabricação para substratos de baixo custo, a IDTechEx prevê que eles provavelmente serão adotados em aplicações de alto volume e sensíveis ao custo. A IDTechEx sugere, assim, que os substratos de papel gradualmente se tornarão dominantes para etiquetas RFID e embalagens inteligentes. Também mudará o PI para substratos mais baratos e mais frágeis termicamente, como o PET, liderados por aplicativos com requisitos de durabilidade mais baixos. O roteiro específico da aplicação da IDTechEx para adoção de substrato é mostrado esquematicamente abaixo.

Uma visão abrangente dos eletrônicos híbridos flexíveis

O novo relatório da IDTechEx, “Eletrônica híbrida flexível 2020-2030: aplicativos, desafios, inovações e previsões”, oferece uma análise abrangente dessa fronteira emergente da tecnologia. A IDTechEx avalia e acompanha as tecnologias e os mercados eletrônicos impressos há mais de uma década. Este relatório é baseado em novas pesquisas primárias, incluindo entrevistas e visitas a empresas com todos os principais participantes do mundo. Ele identifica e examina todas as principais tendências de inovação nos sistemas de material e produção, cobrindo materiais de fixação, substrato e metalização, bem como técnicas de produção, incluindo pick-and-place de alto rendimento e várias técnicas de impressão S2S e R2R. Este relatório cria um roteiro de aplicativo, mostrando como o FHE aumentará em complexidade, desde simples tags RFID de hoje até complexos eletrônicos híbridos flexíveis do futuro, permitindo aplicativos em embalagens inteligentes, monitoramento industrial e dispositivos vestíveis, entre outros. Ele oferece uma análise criteriosa da linha do tempo do aplicativo, desafios e oportunidades de inovação. Além disso, ele prevê o crescimento dessa tecnologia capacitadora, mostrando que o mercado pode atingir X por Y com o ponto de inflexão no qual a rápida absorção ocorre provavelmente chegando em 2025.