Перспективи розвитку друкованих плат

У статті розглянуті перспективи розвитку друкованих плат і технологій їх Виробництва. Стаття підготов­лена за матеріалами Інтернет-видань.

В. Романов

У 2021 році світовий ринок друкованих плат ста­новив понад 78 мільярдів доларів, очікується, що до 2030 року він досягне 128 мільярдів доларів. Таке зростання пояснюється тим, що практично усі су­часні електронні пристрої містять друковані плати. Швидкий розвиток цієї галузі означає, що у подаль­ші роки друковані плати будуть розвиватися у на­ступних напрямках, а саме:

• збільшиться використання гнучких друкованих плат
• будуть інтегровані у виробництво друкованих плат технології Інтернету речей (IoT) та штучного ін­телекту(ШІ)
• пошириться 3D-дpyкдрукованих плат.

Зростання виробництва та використання гнучких друкованих плат (рис. 1) є фактором швидкого зро­стання цього ринку особливо для мобільних при­строїв, таких як ноутбуки, смартфони та планшети. Носимі пристрої також стають потужним напрямком для виробництва гнучких друкованих плат. Гнучкість цих плат дозволяє виробникам згинати друковану плату в потрібну для складного виробу форму. Гнуч­кі друковані плати набувають широкого поширення завдяки багатьом перевагам перед жорсткими дру­кованими платами. Вони дозволяють зменшити розмір електронного пристрою, оскільки ці плати легко скласти у потрібну форму, яка заощаджує міс­це, що є однією з їх найбільших їх переваг. Гнучкі друковані плати також зменшують ризик пошкод­ження під час збирання. Крім того, їх гнучкість дає можливість мати значно більше шарів, ніж жорсткі друковані плати.

Рис. 1. Гнучка друкована плата

Найпоширеніші напрямки застосування гнучких друкованих плат включають:

• авіоніку
• системи подушок безпеки
• антиблокувальні гальма
• обладнання для штрихового кодування
• акумуляторні блоки
• фотоапарати
• паливні насоси
• системи управління рухом
• супутники
• напівпровідникові прилади
• ультразвукові зонди.

Недоліки виготовлення гнучких друкованих плат, як правило, пов’язані з більшою різноманітністю ма­теріалів, які використовуються в їх конструкції, ос­кільки виробники повинні враховувати багато фак­торів при виборі матеріалів для їх виготовлення. На­приклад, відмінності в коефіцієнті теплового розши­рення можуть спричинити розшарування ламінова­них матеріалів при зміні температури. Тому вироб­ники повинні використовувати армуючі плати для точного вирівнювання шарів друкованої плати під час ламінування.

Інтеграція Інтернету речей і ШІ у технологію дру­кованих плат швидко трансформує цю галузь, за­безпечуючи більшу ефективність і функціональність завдяки підвищенню автоматизації практично усіх технологічних процесів. Мобільні телекомунікації, засновані на технології IoT, використовують кілька рівнів високошвидкісного підключення, особливо для бездротових мереж. Гнучкі плати широко використовуються у мобільних пристроях, розумних хо­лодильниках, розумних годинниках, носимих ме­дичних пристроях, наприклад, для визначення тис­ку, зчитування кардіограми, вимірювання рівня цу­кру у крові і т.і. Багато галузей отримують переваги від використання технології Інтернету речей, особ­ливо це стосується медичної галузі, промислової ав­томатики та носимих пристроїв різного призначен­ня. Користувачі часто застосовують цю технологію для дистанційного управління та моніторингу. Ось перелік деяких галузей, які отримують суттєві пере­ваги від використання технології Інтернету речей:

• охорона здоров’я
• промислова автоматика
• індустрія носимих пристроїв
• обробна промисловість
• транспорт і логістика.

Штучний інтелект більш пов’язаний з програм­ним забезпеченням, яке вже може виконувати за­вдання, які, як правило, притаманні людям. Вироб­ники друкованих плат можуть використовувати ШІ для збору даних з кількох сенсорів. Потім за допо­могою машинного навчання можна аналізувати на­копичені дані та використовувати їх для підвищення ефективності при виготовленні друкованих плат та для зменшення витрат на виробництво без шкоди для якості.

Крім того, ШІ має високий потенціал для підви­щення рівня автоматизації у виробництві друкова­них плат. Цей процес певною мірою вже автомати­зований, але раніше було складно забезпечити ви­соку якість продукції без безпосередньої участі лю­дини у цьому процесі. Усі ці переваги, як очікується, забезпечать у майбутньому використання ШІ в без­людній автоматизованій збірці друкованих плат.

3D-дpyк зробив революцію у проєктуванні та ви­робництві друкованих плат. Ця технологія, яку нази­вають адитивним виробництвом, створює тривимір­ний об’єкт із цифрової 3D-моделі за допомогою програмного забезпечення для автоматизованого проектування друкованої плати. Виробники викори­стовують 3D-друк у різних процесах, які передба­чають нанесення матеріалу під керуванням про­грамного забезпечення (рис. 2). Найбільш часто ви­користовувані матеріали включають рідини, пласт­маси та порошкові зерна, які зазвичай додаються шар за шаром. Переваги 3D-друку в цій галузі вклю­чають зниження витрат, розширене налаштування та покращену продуктивність.

Рис. 2. 3D-принтер для виробництва друкованих плат

3D-друк для виготовлення друкованих плат за­звичай передбачає друк підкладки по одному шару за раз, додаючи спочатку рідину, а потім необхідні компоненти для поверхневого монтажу. Це зменшує кількість відходів, роблячи друк економічно ефек­тивним і не шкідливим для навколишнього середо­вища.

Тривимірний друк також стає більш вигідним із збільшенням складності кінцевого виробу. Іннова­ційні застосування 3D-gpyKy у проєктуванні та ви­робництві друкованих плат включають одночасне осадження кількох матеріалів.

Ця техніка має вирішальне значення для виготов­лення друкованих плат за допомогою 3D-дpyкy, ос­кільки вона має друкувати провідники та напівпро­відникові матеріали одночасно. Нещодавно були надруковані експериментальні взірці систем на кри­сталі із пам’яттю, що в 7000 разів перевищує об’єм пам’яті на гнучких друкованих платах, виконаних за традиційною технологією.

Подібні програми 3D-друку для друкованих плат, ймовірно, включатимуть у майбутньому сенсори на­вколишнього середовища та інші функціональні вуз­ли. Системи на базі 3D-друку можуть використову­ватися також для створення різних електронних компонентів, а саме діодів, світлодіодів і тонкоплівкових транзисторів з органічних полімерів. Потім розробники можуть масштабувати ці вироби по го­ризонталі та вертикалі для отримання бажаної кон­фігурації контактів та напівпровідникового перехо­ду. Полімери легко легувати та функціоналізувати, що дозволяє налаштовувати їхні електронні та оп­тичні властивості відповідно до вимог друкованої плати.

Потенційні проблеми 3D-дpyкy для створення друкованих плат включають обмеження як до мате­ріалів, так і можливостей проєктування. Наприклад, виробникам потрібні жорсткі напівпровідникові ма­теріали для оптимізації їх параметрів до різних діа­пазонів частот.

Зведення до мінімуму паразитної ємності за до­помогою різних полімерів робить 3D-gpyK конкурен­тоспроможним з нітридом галію для виготовлення систем на кристалі. Ці полімери вже використо­вуються для створення друкованих плат, тому за­стосування їх у напівпровідникових пристроях є до­датковим розширенням технології друку. Підвищен­ня роздільної здатності є ще однією вимогою до 3D- друку для друкованих плат. Поточним обмеженням для цієї технології є роздільна здатність в один мікрон, але для конкуренції з найкращими традиційни­ми технологіями потрібно знизитися до субмікрон­ного рівня.

ВИСНОВКИ

Розвиток нових інформаційних технологій, а саме технологій Інтернету речей та штучного інте­лекту внесли суттєві зміни в технологію виробницт­ва друкованих плат. Поява 3D-дpyкy для виготов­лення друкованих плат, а також безлюдних вироб­ництв на базі штучного інтелекту дозволила суттєво підвищити ефективність їх виробництва, підвищити складність виробів, зменшити їх масу і габарити.