Projektowanie z użyciem elektroniki drukowanej – od koncepcji do prototypu

Przewodnik dla konstruktorów i inżynierów produktu: jak świadomie projektować urządzenia z wykorzystaniem technologii druku przewodzącego.

Zapomnij o trawieniu – projektowanie z użyciem elektroniki drukowanej

W klasycznej elektronice mówimy o trawieniu ścieżek. W elektronice drukowanej (Printed Electronics, PE) mówimy o drukowaniu: tuszami przewodzącymi, izolacyjnymi, dielektrycznymi. To zupełnie inne podejście do konstrukcji, warstwowania i projektowania układu. Dla inżyniera oznacza to większą swobodę, ale jednocześnie potrzebę przestawienia się na nową logikę projektową.

W tym artykule pokażemy, jak wygląda proces projektowania z elektroniką drukowaną krok po kroku – od koncepcji po działający prototyp. Pokażemy dostępne materiały, przykładowe konfiguracje i kluczowe decyzje techniczne, które warto podjąć wspólnie z dostawcą. Korzystamy z naszego doświadczenia oraz globalnych partnerów, takich jak Henkel, Elantas, SunChemical i Heraeus.

1. Dobór podłoża – fundament projektowania z elektroniką drukowaną

Dobór odpowiedniego podłoża jest jednym z najważniejszych kroków w projektowaniu z elektroniką drukowaną. Materiał bazowy wpływa bezpośrednio na parametry mechaniczne i funkcjonalne całego układu – od odporności na temperaturę i wilgoć po elastyczność czy zdolność do laminowania. W zależności od zastosowania (czy to opaska fitness, panel dotykowy do AGD czy czujnik w tkaninie), wybieramy spośród tworzyw takich jak PET, PEN, TPU, a nawet tekstylia pokrywane poliuretanem lub warstwą adhezyjną. Każde z nich ma inną stabilność wymiarową, dopuszczalną temperaturę suszenia i możliwość łączenia z tuszami.

Na przykład PET (np. Mylar® A) to materiał lekki, tani i dobrze znany z aplikacji HMI, ale ograniczony temperaturowo do ok. 130°C. PEN (np. Teonex® Q51) ma wyższą odporność termiczną (do 180°C), co umożliwia stosowanie bardziej agresywnych procesów utwardzania tuszów. Z kolei elastyczne poliuretany lub kompozyty tekstylne są preferowane w projektach typu wearable, gdzie ważna jest rozciągliwość i komfort użytkowania. 

W LC Elektronik na etapie briefu pomagamy dobrać materiał bazowy do wymagań funkcjonalnych oraz kompatybilny z technologią nanoszenia i utrwalania tuszu, by uniknąć deformacji, spękań czy problemów z adhezją.

Materiały:

  • PET (Mylar® A) – klasyczny wybór dla większości drukowanych obwodów. Odporność temperaturowa do 130°C. Karta techniczna DuPont Mylar® A
  • PEN (Teonex® Q51) – wyższa stabilność termiczna, do 180°C. Idealny do bardziej wymagających aplikacji. Karta techniczna Teonex Q51,
  • elastyczne tekstylia (np. poliester pokryty PU) – stosowane w odzieży funkcjonalnej i soft robotics.
2. Wybór farb i tuszów przewodzących w projektowaniu z elektroniką drukowaną

Projektowanie z elektroniką drukowaną to również dobór odpowiednich farb i tuszów przewodzących. To od parametrów fizykochemicznych pasty przewodzącej zależy nie tylko ostateczna przewodność układu, ale też jego trwałość, odporność na czynniki środowiskowe oraz kompatybilność z dalszymi etapami produkcji. Ważna jest także adhezja do konkretnego podłoża – inny tusz sprawdzi się na PET, inny na elastycznym TPU czy na tekstyliach. Dlatego wybór tuszu powinien uwzględniać zarówno wymagania elektryczne (rezystancja, stabilność), jak i mechaniczne (ścieralność, elastyczność, cykle zginania).

Dla warstw przewodzących standardem są tusze srebrne, np. Henkel LOCTITE ECI 725A, które zapewniają wysoką przewodność i stabilność w czasie. W projektach o ograniczonym budżecie lub mniejszych wymaganiach prądowych stosuje się również tusze hybrydowe (srebro-węgiel) lub czysto węglowe, które mają wyższą rezystancję, ale doskonale sprawdzają się np. jako warstwa kontaktowa w matrycach dotykowych. Wybór konkretnej pasty powinien być wsparty testem A/B w warunkach rzeczywistego użytkowania oraz rozmową z dostawcą technicznym.

Najczęściej stosowane tusze i pasty:

  • Henkel LOCTITE ECI 725A – tusz srebrny do sitodruku, o bardzo dobrej adhezji do PET i wysokiej przewodności (karta produktu),
  • SunChemical C2130809D1 – pasta srebrna do fleksodruku, do stosowania z elastycznymi PET i papierem (SunChemical PE Inks),
  • Heraeus Clevios™ SV3 – farba na bazie PEDOT:PSS, przewodząca, przezroczysta, do ekranów dotykowych (Heraeus PE Materials),

ELANTAS PD-4070 – tusz ochronny dielektryczny (Elantas Europe).

3. Projektowanie z elektroniką drukowaną – myślenie w 3D i strukturalne CAD

W projektowaniu z elektroniką drukowaną trzeba wziąć pod uwagę nie tylko ścieżki, ale także całą architekturę funkcjonalną – od doboru materiału przewodzącego, przez sekwencję nanoszenia, po izolację i integrację z warstwami ochronnymi lub optycznymi. Tworzenie w tym środowisku przypomina pracę warstwową znaną z DTP czy 3D CAD – każda warstwa niesie inną funkcję i wpływa na całościowe właściwości mechaniczne oraz elektryczne struktury.

W zależności od aplikacji układ może składać się z 3, 5, a nawet 9 warstw – przy czym różnice mogą dotyczyć nie tylko grubości (μm), ale też parametrów takich jak rezystancja, dielektryczność czy szorstkość powierzchni. W LC Elektronik wykorzystujemy do projektowania zarówno narzędzia typowo CAD-owskie , jak i kombinację Cada z Corelem – szczególnie przy nietypowych kształtach i aplikacjach użytkowych (interfejsy dotykowe, sterowniki w tekstyliach).

Parametry projektowe:

  • minimalna szerokość ścieżki: 150–250 μm (w zależności od tuszu i technologii druku),
  • grubość warstw: 4–20 μm (sitodruk) / 1–3 μm (druk atramentowy),
  • rezystancja ścieżki srebrnej: < 0.05 Ω/sq przy 25 μm.
4. Prototypowanie i testy w projektowaniu z elektroniką drukowaną – druk, utwardzanie, inspekcja

Po przygotowaniu plików graficznych i wyborze podłoża następuje etap testów materiałowych oraz nadruków próbnych. Kluczowym aspektem jest kontrola kompatybilności tuszu z powierzchnią oraz zachowanie wymaganych parametrów elektrycznych – przede wszystkim rezystancji i adhezji warstwy przewodzącej. Proces drukowania może odbywać się w temperaturze pokojowej lub lekko podgrzanej, w zależności od lepkości tuszu i technologii nanoszenia (sitodruk, druk atramentowy, tampondruk).

Po zadrukowaniu następuje utwardzanie – najczęściej termiczne w piecu komorowym (do 110°C) lub przy pomocy promieniowania podczerwonego (IR) w tunelu przepływowym. Alternatywnie stosujemy też utwardzanie UV w przypadku tuszów polimerowych. Na tym etapie ważna jest równomierność warstwy, unikanie spękań przy chłodzeniu oraz odpowiednie dobranie parametrów procesu do lepkości i przewodnictwa tuszu. Dopiero po prawidłowym utwardzeniu możliwe są dalsze pomiary elektryczne i mechaniczne.

Etapy prototypowania:

  1. Nadruk tuszów (sitodruk lub atramentowy).
  2. Suszenie/utwardzanie (termiczne lub UV).
  3. Inspekcja optyczna i pomiar rezystancji.
  4. Testy zginania, testy cykli pracy, wilgotnościowe, termiczne.

Dla klientów wykonujemy testy według standardów IPC-9204 (elastyczność) i ISO 9227 (korozyjność). Wszystko dokumentujemy – również w formacie akceptowalnym dla certyfikacji CE lub FDA.

5. Projektowanie z elektroniką drukowaną – integracja z klasyczną elektroniką

Ostatni etap integracji to moment, w którym drukowany układ elektroniczny musi współpracować z klasyczną elektroniką – płytkami PCB, złączami, modułami komunikacyjnymi. Tu nie ma miejsca na przypadek: rozmieszczenie stref lutowniczych, dobór interfejsu oraz zachowanie ciągłości sygnałów musi być zaplanowane z myślą o trwałości i łatwości montażu. Najczęściej wykorzystywane są złącza typu ZIF, pady goldfingers, lutowanie niskotemperaturowe SnBi lub aplikacja klejów przewodzących o wysokiej adhezji.

Od strony projektowej istotne jest zaplanowanie geometrii i rasteru połączeń – np. raster 1,00 mm lub 0,50 mm – oraz dopasowanie do dostępnych konektorów i kontrolerów. W LC Elektronik stosujemy standardowe rozwiązania kompatybilne z PCB rigid i elastycznymi taśmami FPC. W razie potrzeby wykonujemy przejścia typu flex-rigid i projektujemy rozwiązania pozwalające połączyć strukturę PE bez konieczności klasycznego lutowania.

Najczęstsze techniki integracji:

  • przewodzące kleje srebrne (np. MG Chemicals 8331),
  • konektory ZIF (złocone, raster 1.0 mm lub 0.5 mm),
  • luty niskotemperaturowe Sn42Bi57Ag1 – topnienie ok. 138°C.
Konstruktorze – zyskaj więcej kontroli nad funkcją i formą w projektowaniu z elektroniką drukowaną

Projektowanie z elektroniką drukowaną daje konstruktorowi unikalną możliwość kontroli nie tylko nad układem, ale i nad materiałem, formą, elastycznością i całym interfejsem użytkownika. To technologia, która pozwala myśleć trójwymiarowo o funkcji – bo to, co kiedyś było zamknięte na PCB, teraz może być rozciągnięte na powierzchni szkła, tekstyliów czy plastiku.

Możesz zacząć od cienkiej folii z drukowanym sensorem nacisku, a potem dodać warstwę ochronną, zadruk z funkcją podświetlenia, a nawet komunikację NFC. Każda kolejna warstwa to nie tylko fizyczna struktura – to funkcja, którą projektujesz jak kod: warstwowo, zależnie od potrzeb.

W LC Elektronik pokazujemy inżynierom, jak takie warstwy projektować – wspólnie wybieramy materiały, dopasowujemy tusze, przygotowujemy symulacje. Dzięki temu zespół projektowy ma realny wpływ na wygląd, funkcję i koszt elementu – jeszcze zanim trafi on do produkcji.

Potrzebujesz pomocy z doborem tuszów, projektu warstw czy wykonania prototypu? Napisz do LC Elektronik – projektowanie z elektroniką drukowaną to nasz konik.

LINKI: