С ростом популярности носимых устройств, гибких дисплеев, медицинских датчиков и гибкой гибридной электроники (ГГЭ) растёт и использование проводящих чернил в печатных платах и печатной электронике. В отличие от традиционных жёстких печатных плат с травлением медной фольги, проводящие чернила можно наносить непосредственно на такие материалы, как ПЭТ, полиимид, ТПУ, текстиль или стекло, как и на печатные схемы, создавая токопроводящие дорожки.
Эта статья начнётся с самых основ и поможет вам понять, что такое проводящие чернила, из чего они состоят (например, из проводящих наполнителей и связующих смол), и какие виды существуют. Также будут рассмотрены их преимущества и недостатки, а также схемы и процессы производства печатных плат, для которых они подходят.
Далее будет проведено сравнение традиционного метода изготовления печатных плат (субтрактивное травление) с процессом печатной электроники с использованием проводящих чернил (аддитивное производство), что позволит вам легче понять, как это помогает сделать схемы тоньше, легче, гибче и более подходящими для проектирования будущих интеллектуальных устройств.
Что такое проводящие чернила?
Проводящие чернила – это чернила, которые могут использоваться для печати и проводить электричество. Они содержат металлический порошок или частицы углерода, равномерно распределенные в жидкой среде. При печати этими чернилами на таких носителях, как ПЭТ, ПИ, стекло или ткань, а затем при нагревании или отверждении можно формировать токопроводящие цепи.
В отличие от обычных цветных чернил, токопроводящие чернила используются не для визуального оформления, а для проведения электричества. Они больше похожи на материал для печатных плат. В настоящее время они широко применяются в таких областях, как гибкие печатные платы, RFID-антенны, мембранные переключатели, медицинские электродные накладки, печатные датчики и гибкая гибридная электроника (ГГЭ).
Среди многочисленных проводящих чернил для печатной электроники наиболее часто используются серебряные проводящие чернила из-за их наилучшей проводимости, высокой стабильности и хорошей приспособляемости к различным производственным процессам.
Как работают токопроводящие чернила?
Чтобы понять принцип работы токопроводящих чернил, нам сначала нужно понять, как они функционируют в процессах печати и отверждения.
В процессе печати проводящие чернила наносятся на различные поверхности такими методами, как трафаретная печать, струйная печать, дозирование, флексографская печать или тампонная печать. По мере испарения или отверждения растворителя или смолы частицы металла или углерода образуют взаимосвязанную сеть, называемую перколяционным путем. Эта сеть позволяет электронам свободно перемещаться в области печати, тем самым делая материал проводящим.
Характеристики различных материалов также могут влиять на свойства чернил: серебряные токопроводящие чернила обладают наименьшим сопротивлением, углеродные — немного более высоким, но более гибкие, а медные токопроводящие чернила, хотя и недорогие, склонны к окислению. Некоторые специальные составы, например, гибкие токопроводящие чернила, разработаны для растягивания и изгиба без образования трещин.
Основные типы проводящих чернил
Понимание различных типов токопроводящих чернил имеет решающее значение при выборе печатных плат или других электронных материалов. Ниже перечислены наиболее распространённые типы:
|
Тип
|
Описание
|
Преимущества
|
Ограничения
|
|
Серебряные токопроводящие чернила
|
Содержит серебряные чешуйки, наночастицы или гибридное спекаемое серебро.
|
Самая высокая проводимость, низкая температура отверждения, стабильный
|
Дорогое сырье
|
|
Медные токопроводящие чернила
|
Содержит частицы меди
|
Более низкая стоимость, возможность пайки SMT
|
Быстро окисляется, требует азота или восстановительной атмосферы.
|
|
Углеродные чернила/углеродные токопроводящие чернила
|
Использует графит, технический углерод или графен
|
Экономичный, гибкий, химически стойкий
|
Более высокое удельное сопротивление, чем у металлов
|
|
Гибкие токопроводящие чернила
|
Чернила на основе серебра, меди или углерода, предназначенные для растяжения/сгибания
|
Идеально подходит для носимых устройств, текстиля и мягких печатных плат
|
Более низкая токовая мощность
|
|
Резистивные чернила
|
Разработано для обеспечения сопротивления вместо проводимости
|
Используется для цепей нагревателей, резисторов
|
Не подходит для трасс электропитания
|
|
Проводящие чернила для печатной электроники
|
Общий термин, относящийся к металлическим или углеродным чернилам, используемым на ПЭТ, ПИ, ТПУ и т. д.
|
Позволяет производить аддитивные схемы и тонкопленочные схемы
|
Механическая прочность зависит от отверждения и основания
|
Гибридные чернила, такие как полуспеченные или гибкие проводящие чернила, сочетают в себе технологии перколяции и спекания. Эти чернила могут использоваться для производства печатных плат, устойчивых к изгибу, складыванию и даже низкотемпературной пайке оплавлением.
О PCBasic
Время — деньги в ваших проектах — и PCBasic получает это. PCБазовый - это компания по сборке печатных плат который обеспечивает быстрые и безупречные результаты каждый раз. Наш комплексный Услуги по сборке печатных плат включают экспертную инженерную поддержку на каждом этапе, гарантируя высочайшее качество каждой платы. Как ведущий производитель сборки печатных плат, мы предлагаем комплексное решение, которое оптимизирует вашу цепочку поставок. Сотрудничайте с нашими передовыми Завод по производству прототипов печатных плат для быстрого выполнения заказов и превосходных результатов, которым вы можете доверять.
Состав токопроводящих чернил
Наполнители (проводящая фаза)
Наполнители определяют проводимость токопроводящих чернил. К распространённым наполнителям относятся:
|
Тип наполнителя
|
Характеристики:
|
Области применения
|
|
Серебряные проводящие чернила
|
Лучшая проводимость, устойчивость к окислению, возможность печати при низких температурах
|
Используется в печатных платах, RFID-антеннах, сенсорных панелях и т. д.
|
|
Медные токопроводящие чернила
|
Дешевле серебра, хорошая проводимость, но склонен к окислению.
|
Используется в схемах, антеннах и т.д., требует защитной атмосферы (азота или формовочного газа) во время отверждения.
|
|
Углеродные чернила / Углеродные токопроводящие чернила
|
Более низкая проводимость, но высокая гибкость, химическая стабильность и стойкость к истиранию
|
Используется в мембранных переключателях, датчиках, электродах и т. д.
|
|
Резистивные чернила
|
Содержит оксиды углерода или металлов, обеспечивает контролируемое сопротивление вместо проводимости.
|
Используются в цепях нагрева, переменных резисторах
|
|
Проводящие чернила на основе цинка, никеля или полимеров
|
Используется в специализированной электронике, датчиках, диэлектрических слоях.
|
Используется в определенных электронных продуктах или слоях
|
Система носителя (связующее + растворитель)
В состав несущей системы токопроводящих чернил входят связующее вещество, растворитель, диспергатор и добавка:
|
Компонент
|
Функция
|
Описание
|
|
Связующее вещество
|
Обеспечивает адгезию, механическую прочность и гибкость
|
Обычно изготавливаются из полимерных структур
|
|
растворитель
|
Контролирует вязкость и текучесть чернил
|
Обеспечивает пригодность чернил для трафаретной печати
|
|
диспергатор
|
Обеспечивает равномерное распределение частиц в чернилах
|
Предотвращает агломерацию, обеспечивая стабильность
|
|
Добавки
|
Повышает гибкость, скорость отверждения, растяжимость и термостойкость
|
Особенно важно для гибких проводящих чернил.
|
Как токопроводящие чернила используются в производстве печатных плат
Процесс печатных печатных плат против традиционных печатных плат
Традиционное производство печатных плат использует субтрактивные процессы — травление медных ламинатов для удаления ненужной меди, а токопроводящие чернила позволяют осуществлять аддитивную печать:
|
Аспект
|
Традиционная печатная плата
|
Печатная плата с проводящими чернилами
|
|
Разработка
|
Травление, сверление, гальванизация
|
Печать, сушка, отверждение
|
|
Отходы материалов:
|
Высокий
|
Минимальные
|
|
Запечатываемый материал
|
Жесткие доски ФР-4
|
ПЭТ, ПИ, стекло, ТПУ, ткани
|
|
Лучше всего
|
Сильноточные цепи
|
Проводящие чернила для печатной электроники, FPC, датчиков
|
|
Необходимые инструменты
|
ЧПУ, химикаты
|
Трафаретный принтер, струйный принтер, диспенсер
|
Проводящие чернила особенно популярны в таких областях, как гибкие схемы, быстрое прототипирование, медицинские пластыри и литая электроника, особенно когда традиционные методы изготовления печатных плат слишком жесткие или дорогие.
Распространенные области применения проводящих чернил на печатных платах
Проводящие чернилаs используются во многих печатных платах и электронных системах, включая:
• Гибкие схемы (FPC)
• Мембранные переключатели и клавиатуры
• Сенсорный экран с шинами ITO, использующими серебряную проводящую краску
• Печатные антенны для NFC, RFID, Wi-Fi
• Медицинские электроды, датчики ЭКГ/ЭЭГ с использованием углеродных проводящих чернил
• Литая электроника для автомобильных приборных панелей
• Печатные нагревательные элементы с использованием резистивных чернил
• Защита от электромагнитных и радиочастотных помех с помощью серебряных проводящих чернил
• Умные этикетки, гибкая гибридная электроника (FHE)
Преимущества и проблемы токопроводящих чернил в производстве печатных плат
Преимущества токопроводящих чернил
• Позволяет использовать гибкие проводящие чернила для гибких печатных плат
• Совместимо с текстилем, ПЭТ-пленками, полиимидом, ТПУ
• Низкотемпературная печать и отверждение (<250°C)
• Уменьшает отходы меди и использование опасных травильных химикатов
• Поддерживает быстрое прототипирование и аддитивное производство
• Идеально подходит для токопроводящих чернил для печатной электроники, носимых устройств и медицинских приборов.
Проблемы токопроводящих чернил
|
Вызов
|
Описание
|
|
Стоимость
|
Серебряные токопроводящие чернила стоят дорого; альтернативы, такие как медные токопроводящие чернила или углеродные чернила, имеют ограничения.
|
|
Окисление
|
Медные токопроводящие чернила окисляются; требуется азотирование или защитные покрытия
|
|
Более низкая проводимость
|
Углеродные токопроводящие чернила имеют более высокое сопротивление, чем медные.
|
|
Долговечность
|
Напечатанные проводящие чернила могут треснуть при многократном изгибе, если они не разработаны как гибкие проводящие чернила.
|
|
Входная мощность
|
Большинство печатных красок не могут проводить высокий ток, как традиционные медные печатные платы.
|
|
Влага и истирание
|
Требует инкапсуляции или диэлектрических защитных слоев
|
Заключение
Технология токопроводящих чернил меняет дизайн печатных плат и электронных устройств. Серебряные, углеродные, медные и гибкие токопроводящие чернила обладают преимуществами, недоступными традиционным медным печатным платам.
Проводящие чернила являются основой печатной электроники и могут использоваться для производства более лёгких, тонких, пригодных для печати и гибких электронных изделий. Несмотря на некоторые проблемы, такие как окисление и высокая стоимость, инновационные чернила и новые материалы будут способствовать развитию электроники будущего и удовлетворять спрос на интеллектуальные, тонкие и лёгкие электронные устройства.
