To nie magia, to drukowana elektronika hybrydowa! Sprawdź, jak łączyć ją z klasyką

Co mówi elektronika drukowana hybrydowa, gdy ją zginasz? „Trzymaj się swojej warstwy!”

W świecie projektowania urządzeń elektronicznych konstruktorzy, inżynierowie oraz specjaliści działów R&D coraz częściej stają przed zadaniem połączenia innowacyjnych technologii z tym, co znane i sprawdzone. Wymagania klientów, presja czasu oraz ograniczenia przestrzenne sprawiają, że klasyczne podejście nie zawsze wystarcza. Pojawia się potrzeba większej elastyczności projektowej i materiałowej – i tu właśnie wkracza elektronika drukowana hybrydowa (PE – Printed Electronics).

Elektronika drukowana hybrydowa w praktyce – z czym to się wiąże?

Dla konstruktora oznacza to możliwość zintegrowania komponentów elastycznych bez rezygnacji z funkcjonalności, jaką oferują tradycyjne układy SMD. Dla inżyniera z działu B+R – okazję do przetestowania nowych form komunikacji, czujników czy zasilania w wersji drukowanej. A dla menedżera produktu – szansę na zbudowanie przewagi konkurencyjnej dzięki cieńszym, lżejszym i bardziej inteligentnym rozwiązaniom, które lepiej odpowiadają na potrzeby użytkowników końcowych.

Jednak żeby to osiągnąć, potrzebne są nie tylko dobre chęci, ale konkretna wiedza: jak łączyć PE z klasyką, jak dobierać materiały, jak zaprojektować warstwy, które będą współpracować mechanicznie, termicznie i elektrycznie. Jakie są najczęstsze pytania i obiekcje konstruktorów? Czy istnieją sprawdzone rozwiązania i przykłady wdrożeń? Dzisiaj pokażemy, że przyszłość elektroniki to rozwiązania hybrydowe – a te są bliżej, niż się wydaje.

Dlaczego warto integrować elektronikę drukowaną z tradycyjnymi komponentami?

Dla konstruktora, który projektuje nowy wyrób, zawsze liczy się jedno: funkcjonalność zamknięta w sensownej formie i budżecie. Drukowana elektronika nie zastąpi wszystkich elementów, ale pozwala:

  • zmniejszyć objętość i wagę produktu,
  • dodać funkcje, które wcześniej były trudne do zaimplementowania (np. elastyczne czujniki, powierzchnie dotykowe),
  • zredukować ilość okablowania i połączeń mechanicznych,
  • zwiększyć niezawodność (brak wrażliwych punktów lutowanych przy odpowiednim montażu).

Bardzo ważne jest jednak pytanie: jak to połączyć z klasyką, czyli komponentami SMD, modułami komunikacyjnymi, bateryjkami, które są nadal niezbędne? Tu pojawia się najwięcej wątpliwości i obiekcji, które warto rozwiać.

Obiekcja 1: „To się nie da zlutować”

Materiały techniczne:

Najczęstszy problem zgłaszany przez konstruktorów to różnice technologiczne. W elektronice drukowanej stosuje się podłoża o znacznie niższej odporności temperaturowej niż klasyczne laminaty FR4. Wytrzymałość cieplna PET czy PEN nie zbliża się do 150°C, co praktycznie wyklucza użycie tradycyjnego lutowania rozpływowego.

To budzi realne obawy wśród konstruktorów, którzy nie chcą ryzykować uszkodzenia materiału już na etapie prototypowania. Dodatkowo często pojawia się pytanie, czy połączenia będą trwałe i powtarzalne, skoro nie używa się klasycznego procesu reflow. Obawa ta dotyczy zwłaszcza połączeń z komponentami o wrażliwych pinach, jak mikrokontrolery czy złącza niskoprofilowe.

Rozwiązaniem może być m.in. użycie past lutowniczych o niskiej temperaturze topnienia (np. Sn42Bi57Ag1) i klejów przewodzących czy montażu hybrydowego: SMT na sztywnym module z połączeniem typu ZIF do elastycznego elementu PE. Już na etapie projektu warto rozdzielić funkcje – część klasyczna może być „tradycyjna”, a PE zapewnia elastyczność i wpływa na sensorykę oraz interfejs użytkownika.

Rozwiązania:

  • niskotemperaturowe pasty lutownicze,
  • kleje przewodzące (epoksydowe, srebrne),
  • zgrzewanie ultradźwiękowe lub laserowe,
  • hybrydowe podejście: montaż SMT na oddzielnej płytce, z którą PE łączy się przez elastyczne złącze (np. ZIF).

Tip: już na etapie projektowania warto przewidzieć miejsca pod komponenty SMD i dobrać takie, które mogą współpracować z niskotemperaturowym lutem. Dobrym pomysłem są również rozwiązania typu flex-to-rigid.

Obiekcja 2: „Nie wiadomo, jak to będzie działać w dłuższym czasie”

Karty katalogowe:

Konstruktorzy słusznie pytają o trwałość połączeń między warstwami, odporność na wilgoć, promieniowanie UV i zginanie. Elektronika drukowana, ze względu na swoją elastyczność i często cienkie warstwy tuszów, może budzić wątpliwości co do długoterminowej niezawodności – zwłaszcza w środowiskach narażonych na czynniki atmosferyczne, drgania lub ciągłe zginanie. To naturalna obawa, szczególnie jeśli produkt ma spełniać normy jakościowe lub certyfikacyjne.

Zagadnienie to staje się jeszcze istotniejsze w aplikacjach mobilnych, wearable oraz w sprzęcie medycznym, gdzie komfort użytkownika musi iść w parze z trwałością i bezpieczeństwem. Warstwy drukowane mogą ulegać mikropęknięciom, tusze mogą się łuszczyć, a elektrody tracić przewodność. Dlatego materiały i struktury w PE muszą być odpowiednio dobrane, przetestowane i zabezpieczone – zarówno przed startem produkcji, jak i w całym cyklu życia produktu.

Rozwiązaniem są m.in. specjalistyczne lakiery ochronne (encapsulanty), dodatkowe warstwy elastycznego laminatu lub wybór tuszów o zwiększonej odporności na czynniki środowiskowe. Warto też testować wytrzymałość konstrukcji w próbach cyklicznego zginania (bend test) i w warunkach podwyższonej wilgotności. Takie podejście daje konstruktorowi realną kontrolę nad niezawodnością gotowego produktu – nawet jeśli łączy świat druku z tradycyjnym układem SMD.

Rozwiązania:

  • stosowanie odpowiednich lakierów ochronnych (encapsulantów),
  • testy cykliczne zginania (bend testing),
  • podwójne ścieżki lub redundantne struktury przy kluczowych liniach sygnałowych,
  • dobór tuszów przewodzących o wysokiej przyczepności i elastyczności (np. na bazie srebra, węgla lub grafenu).
  • W projektach medycznych lub wearables stosuje się dodatkowo biokompatybilne laminaty i podkłady tekstylne, które poprawiają trwałość przy jednoczesnym zachowaniu komfortu.
Obiekcja 3: „Nie mamy know-how ani narzędzi”

Karty katalogowe:

To wyzwanie, które dotyczy wielu zespołów projektowych. Konstruktorzy są świetnie zaznajomieni z technologią klasycznych PCB – znają jej ograniczenia, cykle produkcyjne i narzędzia. Gdy pojawia się temat elektroniki drukowanej, naturalną reakcją jest obawa: „czy my w ogóle mamy kompetencje, żeby się za to zabrać?”. Brak doświadczenia w nowej dziedzinie to realna blokada – szczególnie gdy konstruktorzy czują odpowiedzialność za bezpieczeństwo i niezawodność projektów.

Często dochodzi do sytuacji, w której zespół projektowy ma dobry pomysł, ale nie wie, jak zacząć – brakuje drukarki testowej, nie wiadomo jak wyglądają tusze przewodzące czy też jak w ogóle połączyć ścieżkę z klasycznym układem. Konstruktorzy nie chcą eksperymentować „na ślepo”, bo wiedzą, że zła decyzja może skutkować dodatkowymi kosztami lub opóźnieniem projektu. Trudność może też wynikać z braku sprawdzonych bibliotek CAD dla komponentów PE, co komplikuje integrację już na etapie projektowania.

Dobrym rozwiązaniem jest współpraca z zewnętrznymi partnerami technologicznymi lub rozpoczęcie projektu na gotowych modułach (np. drukowane anteny NFC, elastyczne sensory siły). Takie podejście pozwala zdobyć doświadczenie, nie angażując od razu pełnych zasobów firmy. Coraz więcej producentów oferuje też szkolenia, webinary i zestawy startowe – z gotowymi wzorami do testowania. W połączeniu z dostępem do materiałów typu „Fundamentals and Design Guides for Printed Flexible Electronics”, konstruktor może krok po kroku zbudować nie tylko produkt, ale też kompetencje w zespole.

Rozwiązania:

  • współpraca z partnerami technologicznymi (np. LC Elektronik, Henkel, CMI, InnovationLab),
  • gotowe moduły PE do integracji (np. drukowane anteny NFC, sensory nacisku),
  • prototypowanie na etapie koncepcji (nawet ręczne drukowanie ścieżek na folii PET + zgrzewanie),
  • dedykowane kursy i materiały (np. „Fundamentals and Design Guides for Printed Flexible Electronics”).
Obiekcja 4: „Trudno to wycenić i ustandaryzować”

Karty katalogowe:

Brak przyjętych norm PE może być blokadą przy wdrożeniach – zwłaszcza w branżach wymagających dokumentacji, długoterminowych testów i formalnej walidacji, takich jak medycyna, automotive czy przemysł lotniczy. Konstruktorzy działający w tych sektorach muszą mieć pewność, że zastosowane technologie spełniają wymogi bezpieczeństwa, trwałości i niezawodności, a także mogą zostać objęte ścieżką certyfikacyjną.

Problemem jest również brak jednoznacznych specyfikacji dotyczących procesów produkcji, testowania czy deklaracji zgodności dla komponentów drukowanych. Dla firm przyzwyczajonych do pełnej dokumentacji IPC i norm IEC, przejście na technologię drukowaną może wydawać się ryzykowne i nieprzewidywalne. Nawet jeśli komponent działa poprawnie, trudno jest określić jego cykl życia, odporność na czynniki zewnętrzne czy rozkład parametrów w czasie.

Rozwiązaniem jest stopniowe budowanie własnych standardów wewnętrznych oraz współpraca z partnerami, którzy mają doświadczenie we wdrażaniu elektroniki drukowanej hybrydowej w środowiskach regulowanych. Udział w projektach pilotażowych, prowadzenie dokumentacji testowej i korzystanie z zaleceń organizacji branżowych (np. OE-A, IPC, IEC) pozwala obniżyć ryzyko i przekonać zespół projektowy, że PE może być nie tylko innowacyjne, ale i bezpieczne.

Rozwiązania:

  • korzystanie z doświadczeń partnerów wdrożeniowych,
  • udział w projektach pilotażowych (proof-of-concept),
  • dokumentacja własnych procedur i wyników testów jako element ścieżki walidacji,
  • śledzenie rekomendacji OE-A, IPC i standardów IEC w zakresie druku funkcjonalnego.

Przykłady wdrożeń:

  • opaska fitness z elastycznym sensorem tętna połączonym z klasycznym układem BLE na PCB – zasilanie i przesył danych przez klasyczne złącze typu ZIF,
  • konsola dotykowa do kuchni indukcyjnej – całość interfejsu wydrukowana na szkle, a tylko procesor, przekaźniki i zasilacz zmontowane na osobnej płytce,
  • czujnik EKG na plasterku – drukowana elektroda i układ zbierający dane zasilany bateryjnie z klasycznego mikromodułu na elastycznym PCB.
Co musisz zapamiętać o łączeniu elektroniki drukowanej z tradycyjną?

Integracja PE z tradycyjnymi komponentami nie jest „czarną magią”. To proces, który – choć wymaga nowego podejścia – bazuje na znanych zasadach projektowania i inżynierskiej logice. Najważniejsze jest dobre zaplanowanie projektu: przemyślana warstwowość, kompatybilność materiałowa oraz dopasowanie metod łączenia do rzeczywistych warunków eksploatacyjnych to klucz do sukcesu. Takie podejście pozwala nie tylko uniknąć problemów na etapie produkcji, ale też znacznie skraca czas testowania i wdrażania nowego produktu.

Konstruktorzy nie muszą od razu stać się ekspertami od elektroniki drukowanej hybrydowej – wystarczy, że będą gotowi do współpracy z partnerami technologicznymi i otwarci na nowe schematy działania. Zyskują w ten sposób dostęp do wyjątkowych możliwości: elastycznych sensorów, inteligentnych interfejsów, lekkich i bardziej ergonomicznych konstrukcji. To wszystko bez konieczności rezygnowania z ulubionych i sprawdzonych komponentów klasycznych.

W świecie, w którym liczy się szybkość wdrożenia, elastyczność produkcyjna i nowoczesny design, technologie hybrydowe stają się przewagą, a nie tylko ciekawostką. Warto zainwestować w pierwszy projekt integracyjny, nawet jeśli jego skala jest niewielka. To najlepszy sposób, by nauczyć się w praktyce, jak funkcjonuje PE – i jak może realnie zmienić sposób projektowania i wdrażania elektroniki.

4 najważniejsze punkty z tego artykułu dotyczące elektroniki drukowanej hybrydowej:
  1. Połączenie PE i klasyki pozwala na nowe funkcje bez kompromisów projektowych.
  2. Problemy integracyjne można rozwiązać dzięki dobrym materiałom i sprawdzonym technikom łączenia.
  3. Konstruktorzy nie muszą robić wszystkiego sami – warto szukać wsparcia partnerów technologicznych.
  4. Przyszłość elektroniki to hybryda: elastyczna, modularna, funkcjonalna – i gotowa na wyzwania rynku.

Zacznij od prostego projektu hybrydowego. Zdziwisz się, jak wiele możesz zyskać. A jeśli masz jakiekolwiek pytania, to śmiało! Skontaktuj się z nami, a my pomożemy Ci we wdrożeniu elektroniki drukowanej.