Этой статьей мы открываем серию материалов, посвящённых технологии изготовления трехмерных схем на пластиках (3D-MID)– относительного «нового» направления производства электроники, при этом находящегося в тренде последних технологических новшеств, значительно изменяющих границы использования традиционных решений и открывающих возможности для конструкторов и дающих новые или расширяющих старые потребительские свойства электронных приборов.

?

Рис.1 Образцы трехмерных систем (СВЧ антенна, RFID метка, крышка защиты от считывания клавиатуры ввода pin-кода)

3D-MID

Тенденцию, которую мы наблюдаем доминирующей в течение многих лет для электронных и мехатронных изделий – изделия должны становиться меньше по размеру и одновременно совмещать в себе несколько функций. Кроме того, в целях сохранения собственных позиций на рынке, производители в секторе коммуникационных технологий находятся под постоянным давлением запуска новых продуктов во все более и более короткие промежутки времени при необходимости как-то выделится от конкурентов. Такие технологии как 3D-MID (трехмерные схемы на пластиках) позволяет создавать новые продукты с новой, до сих пор не реализованной функциональностью. В частности, технология прямого лазерного структурирования (LDS) позволяет реализовать надежный, эффективный и производительный способ прототипирования и производства изделий с высокой экономической эффективностью.

Трехмерность позволяет в некоторых случаях значительно упрощать конструкцию изделия самой физической геометрией основания конструкции и создавать рабочие поверхности строго ориентированные между собой. Как пример, на рис.2 представлены два варианта реализации трёхосевого датчика перемещения – традиционного, на основе печатных плат и новой, реализованной по технологии 3D-MID. Помимо значительного сокращения линейных размеров устройства удалось упростить сборку изделия как такового. Для устройств данного типа очень важно взаимное пространственное расположение датчиков и это отдельная процедура сборки. Для новой технологии сама форма основания устройства задает положение сенсоров, тем самым сокращая и упрощая процедуру сборки и настройки прибора.

Рис. 2 Трехосевой датчик перемещения (было/ стало).

Основным применением этой технологии является производство антенн для смартфонов и телекоммуникационных устройств. В последнее время наблюдается рост производства антенн для планшетов и ноутбуков. А в ближайшее время ожидает в производстве автомобильной и медицинской техники.

Рис.3 Сегментирование рынка 3D-MID компонентов в мире на текущий момент (конец 2012 года).

Для телекома технология позволяет свести к минимуму зависимость от размеров и положения антенны, интегрировав ее непосредственно на корпус телефона, при этом, исключая этап ее сборки. Помимо этого, мы можем реализовать несколько антенн на одном носителе для разных диапазонов или применений (GSM 900/1800, GPS /ГЛОНАСС и Wi-Fi) одновременно. Свобода работы с пластиковым носителем позволяет разместить эти антенны на периферии корпуса или ее средней части на любой из сторон (внутренней или внешней) в зависимости от предполагаемых частотных характеристик или учета положения механических элементов устройства.

Гибкость и свобода дизайна, которая в полной мере реализуется на базе этой технологии, позволяет легко «настроить» эти антенны во время проектирования изделия или в процессе производства. Все характеристики, такие как линейные размеры, положение, геометрия, частотные характеристики, диаграмма направленности и т.д. могут быть легко изменены в процессе опытного производства, что способствует значительному сокращению сроков перехода от прототипа до реального действующего образца. Около 40% высокотехнологичных смартфонов, присутствующих на мировом рынке содержат по крайней мере один 3D-MID компонент. Рис.3 демонстрирует текущую сегментацию рынков устройств, содержащих в себе трехмерные компоненты.

Прямое лазерное структурирование

Технология трехмерных схем на пластиках позволяют интегрировать электронные схемы и электронные компоненты непосредственно на трехмерные детали из пластмассы. Мы можем легко установить микросхемы и дискретные элементы на корпус, разместить антенны и подключить их непосредственно к платам внутри корпуса. Это позволяет значительно сокращать необходимое для устройства пространство, сохраняя (как минимум), а то и наращивая их функциональность. Интеграция функций так же уменьшает общее количество необходимых компонентов устройства, устраняет целый ряд технологических операций и сокращая общие затраты. При этом мы получаем компоненты и изделия высшего качества с повторяемыми характеристиками.

Одним из реализуемых способов производства 3D-MID компонентов является прямое лазерное структурирование (LDS технология) разработанная и запатентованная компанией LPKF. Технология обеспечивает как технические, так и экономические преимущества интеграции компонентов и схем непосредственно на поверхностях пластиковых деталей. Технология использует термопластичный полимер, легируемый металл-полимерной добавкой для последующей лазерной активации поверхности. Суть процесса активации заключается в гравировке поверхности пластика лазерным лучом с точным соблюдением геометрических размеров дорожки с одновременным созданием шероховатой поверхности.

В результате гравировки на поверхности пластика остаются металлические частицы, которые становятся центрами кристаллизации для дальнейших процессов осаждения металлов. Таким образом, лазерный луч формирует рисунок необходимой структуры проводников на компоненте для дальнейших химических процессов. Традиционно химически осаждаются слои меди, никеля и золота.

Материалы

Что касается материалов, главным условием является включение оксида металла равномерно по всему объему пластика с достаточной для лазерной активации концентрацией. Большинство из мировых производителей пластмасс имеют предложения легированных металлом термопластиков. В России производители пока не знакомы с данной технологией и не способны предложить необходимый материал. Но в будущем этот разрыв будет ликвидирован, когда они почувствуют запросы с внутреннего рынка, которые они не способны удовлетворить.

Спектр доступных и применяемых полимеров достаточно широк – от аморфных до частично кристаллических полимеров, обладающих стабильностью геометрии изделий от нормальных условий до высоких температур. Таким образом, всегда имеется возможность подобрать материал исходя из требуемых условий сборки и эксплуатации изделий с широким диапазоном температур, включая материалы, позволяющие применять бессвинцовые методы сборки электроники.

В прошлом используемые пластики были черного цвета, потому что легирующие добавки были изначально черными, но в последнее время ситуация изменилась благодаря усилиям компаний SABIC и Mitsubishi которые стали предлагать LDS материалы, которые могут быть адаптированы практически к любым требованиям клиента с использованием цветовых пигментов.

На рис.4 продемонстрирован цветовой ряд доступных LDS материалов.

Рис.4 Доступные цвета пластиков для LDS процесса от компании Mitsubishi Engineering Plastic.

Прототипирование

Между макетированием и серийным производством есть несколько этапов создания прототипов. Изначально создание прототипов для единичного или мелкосерийного производства было либо не возможно, либо дорого. В современных условиях мы имеем возможность создавать детали слой за слоем непосредственно из CAD-данных без использования инструментов формирования. Современные 3D-принтеры, используемые для прототипирования, базируются на следующих технологиях формирования детали – моделирование с помощью осаждения из расплава, селективного лазерного спекания и стереолитографии. Диапазон используемых пластиков для различных технологических процессов расширяется. Таким образом, разработчики получили возможность создавать MID прототипы, характеристики которых можно многократно оптимизировать для достижения наилучших характеристик устройств.

Для дальнейшей работы с макетом детали применяется специальная краска, которая используется для покрытия пластикового прототипа. Краска включает в себя активируемые лазером добавки и позволяет реализовать дальнейших технологический процесс на практически любом пластике. В настоящее время для прототипирования используется двустадийная окраска, состоящая из грунтовки и отвердителя, но в ближайшем будущем будет реализована однокомпонентная краска, распыляемая из обычного балончика. Сейчас этот процесс проходит последние испытания.

Для окраски используют пустую заготовку и наносят на нее слой краски толщиной от 30 до 40 микрон. На практике для достижения нужной толщины слоя необходимо использовать двух-/трех кратное нанесение покрытия для получения необходимого активируемого слоя. Этот слой позволяет целиком и полностью имитировать дальнейшие операции с заготовкой в соответствии с технологией прямого лазерного структурирования (LDS). Прочность адгезии проводников к основанию после металлизации практически такой же как и у обычного LDS пластика. После высыхания поверхности заготовки осуществляется гравировка проводников на поверхности детали и химическое осаждение металлов. На рис.5 продемонстрированы все шаги изготовления прототипа с результатами каждой операции. По завершении всех технологических операций мы получаем рисунок проводников с сохранением и обеспечением точности линейных размеров всех проводников для проведения дальнейшей сборки и испытаний изделия.

a. 3D «печать» детали основания.	б. Окрашивание основания модифицированной краской.	в. Лазерная гравировка рисунка антенн на поверхности основания.	Г. Готовый прототип антенны мобильного телефона.

Рис.5 Пример прототипирования антенны мобильного телефона по технологии LDS.

Изготовленный прототип полностью закрывает разрыв между конструированием и серийным изготовлением изделия наиболее эффективным и наглядным способом. Прототипирование становится таким же легким, быстрым и экономичным процессом, как для мелкосерийного, так и серийного производства.

Использование узлов и деталей для современной электроники на базе 3D-MID технологии способствует сокращению массогабаритных характеристик оборудования и упрощению его конструкции. Пока рано говорить о приходе этой технологии во все области электроники, но опыт наших зарубежных коллег показывает, что уже произошёл потенциальный технологический прорыв в этой области и с каждым днем все больше деталей и компонентов начинают переходить на эти процессы. И в связи с тем, что и на западе это технология молода – мы имеем все шансы использовать ее возможности на ровне с остальным миром, а не быть в роли догоняющих.