纸电路是PCB制造业的新趋势还是说只是DIY的妄想?


最近,纽约州立大学的研究人员提出一个制造纸电路的简易方案,只需使用一次即可处理。这种一次性电路板不是使用通常的金属,树脂和玻璃成分作为组件,而是由一张纸制成。令人惊讶的是,它与其他完全集成的电气元件一起工作。使用它后(虽然没有指定多长时间),你可以把它烧掉或让它自己降解。



他们用蜡在纸上打印通道,然后将其熔化,直到它被材料浸泡。对于没有蜡的区域,他们打印了半导电和导电油墨以及丝网印刷的导电金属和凝胶基电解质。最终结果是一张薄而灵活的纸,上面有一个工作电阻器、电容器和晶体管。当用户不再需要它时,您可以将其烧成碎片,这样就不会留下任何浪费。


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那么您可能会问,纸垫路板真的可行吗?


虽然下定论为时过早,但我要说的是,纸垫路板可行性很高。


在过去的几十年里,我们一直在享受各种各样的电子设备和小工具,但这样做的一个后果是,就是产生了很多电子废物,其中包括大量的废旧电路板。大多数电路板和组件都没有回收或重复使用,这增加了对地球持续不利的东西。


为了解决这种情况,原始电路板制造商一直在寻找和尝试新的解决方案,纸质电路就是其中之一,业内所说的纸电路并不是指那种在家里通过将金泊贴到纸张表面制造的简易电路,而是已经被视为一种现实的、环保的、可批量投产的印刷电路板(PCB)产品解决方案。


过去几年的研究发现,通过生产透明纤维素纳米纸作为柔性PCB基板,在纸电路板方面取得了进展。研究人员能够创造出一种等离子体金属化过程,将纸张转化为可焊接的多氯联苯。纸基技术还允许研究人员在包装纸基底上打印存储设备,使电子元件能够打印在纤维素复合材料上。


纸电路板的设计


这些进入电子产品未来的每一步都让我们对电子产品设计的未来有了一个初步的了解。现在,PCB 制造商可以开发轻巧、灵活的产品,包括印刷智能。此外,纸印刷电路板进入市场允许设计团队强调一次性使用电子产品的环境设计(DfE)原则。


DfE 原则促使设计师考虑产品对人类健康和环境的影响。将这些原则从概念变为现实包括对产品中使用的化学物质进行评估,以及当产品达到使用寿命结束时释放化学物质的影响。


DfE原则还鼓励公司使用不损害环境的实践和技术。研究人员已经表明,纸电路板的制造有一个降低环境影响而不是有机多氯联苯的生产。对纸质 PCB 板的生命周期评估表明,在减少或消除有害生命、消耗臭氧层和加剧全球变暖的有毒化学物质方面有所改善。


纸电路板的特性


在过去,纸张的正常特性导致导电油墨渗透到纸张基底的孔隙并变得分段的问题。烧结过程也会损害基板的稳定性。


一个研究小组改变了任何商店提供的纸张的特性,使其可以作为印刷电路板基板使用。特性的改变是通过在每个制造步骤中应用物理气相沉积来在纸张中堆叠导电结构而不损坏基板。


物理气相沉积


物理气相沉积(a)由凝聚态转变为物理气相沉积。在大多数情况下,该工艺通过使用高温真空或气体等离子体将材料转化为蒸汽。然后,PVD工艺利用压差将蒸汽从低压源输送到基板上。PVD工艺的最后一步是让蒸汽在基底上冷凝,形成薄膜涂层。


该方法用固体导电材料覆盖纸张等表面。设计团队使用几种类型的导电材料,包括氧化铝,来构建存储设备的垂直导电材料堆栈。在基板上涂上一层导电薄膜,可以产生具有优良电特性、再现性和稳定性的存储设备。在生产出符合环保设计原则的基板的同时,使用纸基板还提供了一种几乎不会退化的高度柔性基板。


等离子金属化


另一种被称为等离子金属化的工艺提供了有希望的结果,允许纸张作为印刷电路板工作。等离子金属化涉及到使用等离子喷头将粉末状导电金属高压喷涂到涂有银膏的基材上。一旦导电金属覆盖在基底材料上,热等离子射流熔化导电金属,使其与银基结合形成高导电基底。


等离子体金属化的初步试验允许有限的柔性印刷电路的生产。该轻质涂布纸基材的成本低于标准聚酰亚胺基材,同时具有良好的强度和优异的承载能力。灵活的基础材料的使用为设计团队打开了更多创造力的大门。例如,研究人员指出,等离子金属化为电子明信片、海报和包装打开了大门。


除了物理气相沉积和等离子体金属化,研究小组还使用了铜酞菁(CuPc)有机薄膜作为印刷在纸上的铝轨道上的缓冲层。CuPC缓冲层和铝轨的使用提高了柔性纸电路板的可靠性和DfE质量。


纸电路板在未来可能会带来新的应用


随着研究人员致力于如何将这种技术用于更大规模的生产,对纸电路板生产技术的研究仍在继续。生产可以折叠、用剪刀修剪或形成三维结构的印刷电路板的可能性可能具有军事和医学应用。在工业中,能够生产非常轻量化、可生物降解的 PCB 会导致微型机电设备,包括导电油墨、喷墨打印的RFID标签和传感器、印刷集成波导以及其他嵌入式或印刷电子元件。


毫无疑问,纸电路板完全有可能改变 PCB 行业的未来。



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