Kiedy elastyczny obwód nadrukowany na folii wystarczy zamiast klasycznego PCB
Jak uprościć konstrukcje urządzeń IoT? W projektowaniu konstruktorzy coraz częściej stają tym wyzwaniem. Jak zintegrować coraz więcej funkcjonalności w coraz mniejszej przestrzeni, redukując masę, koszt i czas montażu? Drukowana elektronika daje na to jednoznaczną odpowiedź: porzuć klasyczne PCB, kiedy można je nadrukować.
Czym jest drukowana elektronika i jak może pomóc w tworzeniu konstrukcji urządzeń IoT?
To technologia wytwarzania funkcjonalnych warstw elektroniki poprzez nanoszenie materiałów przewodzących, dielektrycznych, oporowych lub ochronnych na elastyczne i nietypowe podłoża, takie jak folie PET, TPU, papier, tekstylia czy folie biodegradowalne. Największą zaletą tej technologii jest możliwość tworzenia cienkich, lekkich i elastycznych układów elektronicznych zintegrowanych bezpośrednio z powierzchnią produktu lub obudowy.
W zależności od wymagań danej konstrukcji urządzeń IoT zastosowanie znajdują różne metody:
- Sitodruk (screen printing) – idealny do masowej produkcji struktur o grubości warstwy 10–50 μm; umożliwia nanoszenie tuszy przewodzących, dielektrycznych i grzewczych. Typowe siatki mają od 90 do 180 mesh.
- Druk atramentowy (inkjet printing) – umożliwia nanoszenie cienkowarstwowych struktur (<1–5 μm) z wysoką precyzją (linia nawet 50–75 μm); używany głównie w prototypowaniu i do złożonych geometrii.
- Druk transferowy/pad printing – stosowany do nadruku na nieregularnych i trójwymiarowych powierzchniach, np. na ergonomicznych przyciskach, zakrzywionych obudowach.
- Druk arkuszowy (sheet-to-sheet, S2S) – to nasza specjalność w LC Elektronik. Umożliwia precyzyjny nadruk warstw funkcjonalnych na pojedynczych arkuszach PET, PC, TPU czy papierze. Dzięki stabilnemu pozycjonowaniu arkuszy i bardzo dokładnej rejestracji warstw, technologia S2S doskonale nadaje się do produkcji komponentów HMI, czujników, pasków medycznych czy paneli dotykowych. Standardowe formaty arkuszy to np. 297 × 420 mm (A3) lub 500 × 700 mm, a typowa dokładność rejestracji warstw to ±20 µm.
- Druk z roli na rolę (roll-to-roll, R2R) – stosowany w dużych wolumenach, głównie w produkcji etykiet RFID, sensorów czy folii grzewczych. Choć bardzo wydajny, wymaga wysokiej inwestycji w linię produkcyjną i dłuższego czasu przezbrojenia.
Drukowana elektronika pozwala eliminować tradycyjne PCB, złącza i przewody, oferując jednocześnie integrację z warstwami dekoracyjnymi (HMI), sensorami i obudową. To czyni ją szczególnie atrakcyjną w projektach urządzeń IoT, wearable, automotive oraz medtech.
Materiały używane do tworzenia konstrukcji urządzeń IoT:
- tusze przewodzące: srebrne (np. LOCTITE ECI 1011), węglowe, miedziane,
- podłoża: PET (grubości 50–175 µm), TPU (np. do noszonych sensorów), papier biodegradowalny,
tusze dielektryczne i oporowe: do formowania rezystorów, grzałek, separatorów.
Przypadek użycia PE w konstrukcjach urządzeń IoT: paski testowe do glukometrów
Jednym z najbardziej precyzyjnych i wymagających przykładów zastosowania drukowanej elektroniki są paski testowe do pomiaru poziomu glukozy we krwi. Ten produkt medyczny klasy IIa wymaga ścisłej powtarzalności procesu, wysokiej dokładności i niskiej rezystywności materiałów przewodzących.
Typowa struktura paska składa się z:
- podłoża: folia PET typu Mylar A o grubości 175 µm,
- warstwy przewodzącej: nadruk srebrnym tuszem przewodzącym (np. Dupont 5025, LOCTITE ECI 1010),
- warstwy pomiarowej: nadruk grafitem (np. Acheson Electrodag 423SS),
- laminowania: transparentna folia PET lub PC,
- wycinania: laserowe lub mechaniczne, np. paski 35 mm × 5 mm × 0,3 mm.
W LC Elektronik paski tego typu produkujemy w technologii sheet-to-sheet (S2S), co umożliwia dokładne nadrukowanie każdej warstwy z precyzją ±50 µm, automatyczne suszenie, laminację i wykrawanie. Technologia ta pozwala zachować bardzo wysoką jakość i powtarzalność, szczególnie istotną w produktach medycznych, przy zachowaniu dużej elastyczności produkcyjnej.
Konstrukcje urządzeń IoT – kiedy warto zastosować druk zamiast PCB?
|
Warunek |
Druk TAK |
PCB TAK |
|
Miniaturowa elektronika |
✔ |
✔ |
|
Elastyczność i zginanie |
✔✔ |
❌ |
|
Niska masa |
✔✔ |
❌ |
|
Złożone układy logiczne |
❌ |
✔✔ |
|
Prototypowanie i iteracja |
✔ |
✔ |
|
Zintegrowana funkcja HMI |
✔✔ |
❌ |
Wskazówki konstruktorskie w zakresie konstrukcji urządzeń IoT:
- Projektuj warstwy w formacie DXF lub CDR/AI (możliwa konwersja).
Do przygotowania warstw funkcjonalnych najlepiej wykorzystać formaty DXF, CDR lub AI. DXF (Drawing Exchange Format) to otwarty format CAD, który dobrze współpracuje z systemami produkcyjnymi opartymi na maszynach CNC, a także z oprogramowaniem do przygotowania klisz do sitodruku. Alternatywnie CDR (CorelDRAW) i AI (Adobe Illustrator) umożliwiają pracę graficzną nad warstwami dekoracyjnymi, maskami i layoutami dla paneli użytkownika.
Na etapie produkcji możliwa jest konwersja do formatu Gerber, jednak formaty wektorowe umożliwiają szybkie nanoszenie zmian konstrukcyjnych i są optymalne do wstępnej fazy projektowania.
2. Zachowuj minimalny odstęp między ścieżkami: ≥ 0,4 mm przy sitodruku.
Podczas projektowania ścieżek dla sitodruku należy pamiętać o ograniczeniach wynikających z fizycznych właściwości siatek sitodrukowych. Minimalny odstęp między ścieżkami powinien wynosić co najmniej 0,4 mm, aby uniknąć zwarć, zlewania się tuszu lub niedodruku.
W zależności od rodzaju zastosowanego tuszu i siatki (np. 120–165 mesh), możliwe jest uzyskanie cieńszych ścieżek, jednak wymaga to dokładnej kalibracji procesu i kontroli napięcia siatki oraz lepkości pasty przewodzącej. Dla konstruktorów najbezpieczniejsze są odstępy 0,4–0,6 mm w celu zapewnienia wysokiej powtarzalności.
4. Przewodność tuszu srebrnego: ok. 10^4 S/cm, rezystywność warstwy – 0,01–0,1 Ω/□ (ohmów na kwadrat).
Tusze srebrne stosowane w elektronice drukowanej charakteryzują się bardzo dobrą przewodnością powierzchniową, co sprawia, że są idealne do tworzenia ścieżek zasilających i elektrod pomiarowych. Typowa przewodność to 10^4 S/cm, co przekłada się na rezystywność powierzchniową na poziomie od 0,01 do 0,1 Ω/□ (ohmów na kwadrat) dla warstw o grubości 5–10 µm.
Im grubsza i szersza ścieżka, tym niższy opór całkowity. W projektach, gdzie przepływają większe prądy (np. dla elementów grzewczych), należy odpowiednio poszerzyć ścieżki (np. do 1,5–2 mm) lub zastosować dwuwarstwowy nadruk z suszeniem pośrednim.
- Wysusz tusze w 120–150°C przez 5–10 min (zależnie od producenta i podłoża).
Po nadruku tuszy przewodzących konieczne jest ich odpowiednie utwardzenie. Typowe tusze srebrne wymagają suszenia w temperaturze 120–150°C przez 5–10 minut. Proces ten odbywa się najczęściej w piecu tunelowym lub z zastosowaniem lamp IR, w zależności od możliwości produkcyjnych.
Podłoża PET mogą być bezpiecznie podgrzewane do 150°C, natomiast w przypadku bardziej wrażliwych materiałów, takich jak TPU, należy ograniczyć temperaturę do ok. 120°C i wydłużyć czas suszenia. Ważne jest, aby nie przekraczać dopuszczalnej temperatury zeszklenia (Tg) danego materiału bazowego.
Uproszczenie konstrukcji urządzeń IoT – podsumowanie
Drukowana elektronika w technologii sheet-to-sheet (S2S) to realna alternatywa dla klasycznego PCB w wielu projektach urządzeń IoT. Szczególnie tam, gdzie liczy się precyzja, powtarzalność, elastyczność oraz możliwość integracji wielu warstw w ograniczonej przestrzeni. W LC Elektronik specjalizujemy się w tej technologii i wspieramy konstruktorów na każdym etapie – od projektu po produkcję.