Печатная электроника
The Technology
Current technologies for fabricating printed electronic circuits include:
- Laser Direct Structuring - used when fine conductor structures are required.
- 3d printing -
- Molding
- DuPont InMold - a circuit is printed onto a plastic substrate, which is then thermoformed and injection molded into the final product shape.
- Two shot molding - this is a good approach for large quantities with coarse conductor structures.
How the Technology Differs
In terms of what the technology delivers, the game remains the same - electronic components are connected together via conductive pathways, forming an electronic circuit that performs a useful function. What differs is the approach used to build up the circuit.
From a design perspective, a traditional printed circuit board (PCB) is designed as a series of conductive layers, with each conductive layer being separated from its neighboring conductive layers by an insulating layer. Signal pathways are defined on those conductive layers. Each signal leaves a component pin, snaking horizontally across a conductive layer. When the signal's path is blocked by existing signal pathways, or that signal needs to reach a component pin on another conductive layer, the signal moves vertically up or down through the adjacent insulating layers to reach another conductive layer, snaking across that conductive layer on its journey toward the target component pin.
The layer-oriented fabrication technology used to make such a PCB is a reductive process. Each conductive layer starts as a continuous sheet of conductive material, such as copper, which is then etched away, leaving only the copper that forms the required conductive pathways. It is also a multi-staged process, as the individual conductive layers are then sandwiched together with alternating layers of insulation.
Layer-oriented PCB fabrication technology is very mature and highly refined.
IMAGE - traditional PCB
In a printed electronic circuit, the signal pathways are deposited directly onto a substrate. If a subsequent signal pathway needs to cross an existing pathway, a small patch of insulation is deposited directly in the required location. Acting like a tiny bridge, it allows the new signal pathway to be deposited across the existing pathway, without connecting to it.
(something about substrates?)
This location-specific approach to defining the insulation is the fundamental difference between traditional layer-oriented PCB design, and printed electronics.
Конструирование печатной электроники
Перспективным направлением развития проектирования и разработки электронных изделий является возможность печати электрических цепей непосредственно на подложку, подобно литью пластика, и эти цепи становятся частью изделия.
Эта технология называется печатной электроникой. Хотя термин печатная электроника не вполне точно описывает технологию (печать не является единственной применяемой здесь технологией), он повсеместно используется в отрасли и будет применяться в этой статье.
Существует ряд подходов для создания печатной электроники, в том числе: 3D-печать проводящими чернилами, штамповка для создания проводников и простых элементов, таких как транзисторы, лазерное осаждение, с помощью которого можно получить проводящие пути очень малых размеров сверхвысокой точности.
Печатная электроника станет ключевой технологией, которая позволит внедрить электронику в новые рынки. Печатная электроника обеспечивает тесную связь между электрической цепью и изделием. От гибкого датчика, который крепится непосредственно к телу, до многодатчиковой отливки под форму кончика пальца, которая позволяет роботизированной руке держать мягкий пластиковый стаканчик, пока в него льется жидкость, печатная электроника позволит развивать инновационные решения на множестве рынков.
Технология
Если рассматривать что предлагает технология, то суть остается прежней – электронные компоненты соединяются между собой с помощью проводящих путей, формируя электрические цепи, которые выполняют какие-либо полезные функции. Отличие состоит в подходе к созданию цепи.
Традиционная технология производства плат, ориентированная на слои, является субтрактивным процессом. Каждый проводящий слой в начале представляет собой сплошной лист проводящего материала, например меди, который стравливается и образует необходимый проводящий путь. Это тоже многостадийны процесс, поскольку отдельные проводящие слои соединяются через слои изоляции и применяются различные процессы сверления и последующей металлизации.
Печатная электроника является аддитивным процессом – сигнальные пути печатаются непосредственно на подложку. Если необходимо, чтобы сигнальные пути пересекали существующие пути, созданные ранее, малые участки изоляции печатаются прямо в тех местах, где это необходимо. Эти участки работают как мостики, позволяя напечатать новый путь поверх существующего, без соединения с ним. Например, если используется технология DuPont InMold, цепь сначала печатается на плоскую пластиковую подложку, к которой затем применяют формирование при высокой температуре и литье под давлением для придания окончательной формы изделия.
При использовании печатной электроники, нет необходимости в стеклотекстолитовой подложке. Вместо этого, цепи формируются прямо на изделии, и проводники повторяют форму и контуры его поверхности. Поскольку используется меньше материала и образуется меньше отходов, печатная электроника безусловно станет более экономичным во многих областях подходом по сравнению с традиционными технологиями.
Конструирование печатной электроники в Altium Designer
Кроме подложки, на которой печатается конструкция, в изделии печатной электроники больше нет физических слоев – проводящие слои печатаются прямо на подложку. Если в конструкции требуется пересечение проводящих путей, то в этом месте печатается малая область диэлектрического материала, достаточно широкая для достижения необходимого уровня изоляции между различными сигналами.
Выходная документация, требуемая для процесса печати, формируется с использованием стандартных выходных форматов, таких как Gerber.
Выходная документация будет включать в себя файл для:
- Каждого прохода печати проводника – по аналогии с проводящим слоем традиционной платы.
- Каждого прохода печати диэлектрика – поскольку диэлектрические области печатаются, их форма также определяется в выходном файле, таком как Gerber.
Определение структуры слоев
Итак, как определить в редакторе плат множество проходов печати? В печатной электронике для каждого такого прохода требуется отдельный выходной файл, поэтому лучше представлять проходы не как набор проводящих слоев, разделенных диэлектрическими слоями, а как серию проходов, каждый из которых является проводящим или непроводящим слоем.
Чтобы создать конструкцию печатной электроники, сначала создайте новый документ платы с помощью команды File » New » PCB главного меню.
Настройка новой платы в качестве конструкции печатной электроники осуществляется в Layer Stack Manager. Чтобы открыть Layer Stack Manager, выберите команду Design » Layer Stack Manager из главного меню. Используйте выпадающее меню 
и выберите Printed Electronics либо выберите команду Tools » Features » Printed Electronics из главного меню.
Новая плата с двумя проводящими слоями по умолчанию, разделенными диэлектрическим слоем.
Когда включена функциональная возможность Printed Electronics, диэлектрический слой между двумя проводящими слоями исчезнет. Почему? Для печатной электроники требуется выходной файл для каждого слоя, и диэлектрический слой не используется и для него не формируется выходной файл.
При включении Printed Electronics диэлектрический слой удаляется.
Вместо этого, добавляются непроводящие слоев. Если требуется создать пересечение сигнальных путей, можно в ручном или автоматическом режиме добавить диэлектрические области.
Непроводящие слои (Non-Conductive), на которых определяются диэлектрические области, могут быть вставлены между проводящими слоями (Conductive).
Щелкните ПКМ по слою, чтобы добавить слой выше или ниже, переместить слой вверх или вниз, удалить слой. В печатной электронике не используются слои Bottom Solder и Bottom Overlay, они удаляются.
После того, как слои добавлены, задайте свойства материала каждого слоя.
Используйте кнопку с изображением многоточия для выбора материала слоя.
Выбор материала
Выбор материалов, используемых как в традиционных платах, так и в проектах печатной электроники, осуществляется в библиотеке материалов Layer Stack Manager.
Когда Layer Stack Manager открыт, выберите команду Tools » Material Library, чтобы открыть диалоговое окно Altium Material Library.
- Диалоговое окно Altium Material Library включает в себя материалы для проводящих и непроводящих слоев.
- Новые материалы можно определить в библиотеке с помощью кнопки New в нижней части диалогового окна. Если созданы пользовательские материалы, их сохранить и загрузить из библиотеки пользовательских материалов.
- Чтобы выбрать материал для определенного слоя, нажмите кнопку
в ячейке Material этого слоя в Layer Stack Manager. Откроется диалоговое окно Select Material, где будут отображены слои, подходящие для типа этого слоя. Выберите требуемый материал и нажмите OK.
Трассировка цепей
- Цепи в проекте печатной электроники трассируются тем же способом, что и в традиционных платах, с помощью команды интерактивной трассировки (Interactive Routing).
- Переключение проводящего слоя осуществляется с помощью клавиш + и - на цифровой клавиатуре или сочетания Ctrl + Shift + Вращение колеса мыши.
- При изменении слоя в процессе трассировки будет добавлено переходное отверстие, свойства которого определяются применяемым правилом Routing Via Style.
Нужны ли переходные отверстия?
Системе необходимо разместить переходное отверстие для поддержания связности цепи в процессе трассировки, а также для управления связностью при изменении (расталкивании или перетаскивании) трассировки. В переходных отверстиях нет необходимости для связности между слоями; система предполагает, что перекрывающиеся трассы на разных слоях соединены между собой.
Увеличение толщины трассы
При необходимости, толщину трассы можно увеличить, например, для создания такой структуры, как печатная антенна. Для этого расположите множество трасс друг над другом, на различных проводящих слоях.
Добавление диэлектрических областей
Следующим после трассировки цепей шагом является создание диэлектрических областей, необходимых для разделения пересекающихся проводников различных цепей.
- Диэлектрические области определяются на непроводящем слое вручную либо автоматически, с помощью инструмента Dielectric Shapes Generator.
- Области можно создать вручную с помощью дуг (Arc), линий (Line), заполнений (Fill), регионов (Solid Region). Объекты Solid Region обеспечивают наибольшую гибкость, поскольку с помощью редактирования его ребер можно создать практически любую форму.
- Система также включает в себя инструмент автоматического создания диэлектрических областей. Сутью здесь является сначала завершение трассировки на проводящих слоях, размещение переходных отверстий между слоями.
- Когда трассировка завершена, выберите команду Tools » Printed Electronics » Generate Dielectric Patterns, чтобы открыть диалоговое окно Dielectric Shapes Generator (перейдите к примечанию выше для получения информации по установке необходимого расширения Patterns Generator).
- Инструмент Dielectric Shapes Generator обнаружит все пересечения и добавит диэлектрические области, в соответствии с настройками в области Layers диалогового окна. Если в выпадающем списке Select Dielectric Layer не выбрано диэлектрического слоя, области будут созданы для всех пересечений между всеми слоями на соответствующих диэлектрических слоях.
- В режиме Auto, диэлектрические области автоматически расширяются для соответствия требованиям применяемого правила Clearance Constraint.
- Используйте опцию Fill Gaps для объединения прилегающих диэлектрических областей в одну область большего размера.
- В режиме Manual этот инструмент формирует область, соответствующую пересечению объектов, затем расширяет ее на введенное расстояние. В этом режиме не учитываются правила для зазора, например, если два проводящих пути находятся в пределах допустимого правилом расстояния, но не пересекаются, диэлектрические области не будут созданы в этом месте.
Связность цепей и проверка правил проектирования
Если структура слоев определена как печатная электроника, то динамическая проверка правил не поддерживается из-за особой логики определения условий нарушений. Например, пересечение цепей на различных слоях будет помечено как короткое замыкание. После завершения трассировки и определения диэлектрических областей, нажмите кнопку Run Design Rule Check в диалоговом окне Design Rule Checker (Tools » Design Rule Check) для выполнения пакетной проверки правил проектирования.
Примечания по связности цепей и проверке проектных правил:
- Если необходимо переключить проводящий слой цепи, разместите переходное отверстие. Это обеспечит корректную обработку сегментов трасс при перетаскивании и расталкивании трассировки.
- Соприкасающиеся/пересекающиеся трассы на различных слоях считаются соединенными. Если они принадлежат одной цепи, они не будут помечены как цепь с разрывом. Если они принадлежат различным цепям, они будут помечены как короткозамкнутые.
- Для изоляции соприкасающихся/пересекающихся трасс необходима диэлектрическая область на непроводящем слое. Диэлектрическую область можно разместить вручную или с помощью инструмента Dielectric Shape Generator. Диэлектрическая область должна выходить за пределы пересечения в соответствии с применяемым правилом для зазоров.
- Для проекта печатной электроники, проверки правил на короткие замыкания, нарушения по зазорам и нерастрассированные цепи работают, как описано ниже.
Правило Short Circuit (Короткое замыкание)
В проекте печатной электроники, при пересечении различных цепей на различных слоях, они помечаются как короткозамкнутые. Эти пересечения необходимо изолировать с помощью диэлектрической области на непроводящем слое.
Правило Clearance (Зазор)
Зазоры между цепями проверяются для всех слоев, а не только для цепей на одном и том же слое.
Правило Unrouted Net (Нерастрассированная цепь)
При изменении слоя нет необходимости в переходном отверстии. Модуль анализа цепей обнаружит, что в цепи нет разрывов.