Alles über Leiterplatten aus Papier | JH PCBA

Fortgeschrittene Forschung zu Papier-PCBs

Seit einigen Jahren betreiben Forscher fortgeschrittene Forschung zu Papier-PCBs. Ihre Bemühungen gipfelten in der Herstellung eines transparenten Zellulose-Nanopapiers, das als flexibles PCB-Substrat fungieren kann. Mit einem Plasmametallisierungsprozess gelang es ihnen, Papier in lötbare Platinen zu verwandeln. Forscher haben geeignete papierbasierte Technologien zum Drucken von Speichergeräten auf ein Trägerpapiersubstrat eingesetzt, wodurch das Drucken elektronischer Komponenten auf Verbundwerkstoffen aus Zellulose möglich wurde.

Umweltfreundliche Leiterplatten

All dies gibt einen Einblick in das zukünftige Design von Leiterplatten für elektronische Geräte. Aufgrund ihrer Flexibilität und ihres geringen Gewichts eignen sich Leiterplatten aus Papier für gedruckte Intelligenz. Darüber hinaus können Designteams jetzt mit Papier-PCBs die Verwendung von DfE- oder Design for Environment-Prinzipien für elektronische Einweggeräte sicherstellen.

Bei der Entwicklung elektronischer Einweggeräte müssen Designer deren Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit berücksichtigen, wie in den DfE-Grundsätzen festgelegt. Die Umsetzung der Prinzipien vom Konzept in die Realität erfordert eine gründliche Bewertung der im Produkt verwendeten Chemikalien und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt, wenn das Produkt das Ende seiner Lebensdauer erreicht. Durch die Verwendung der DfE-Prinzipien können Unternehmen Technologien und Praktiken anwenden, die die Umwelt auf ein Minimum belasten. Untersuchungen zufolge belastet die Herstellung papierbasierter Mehrschicht-Leiterplatten die Umwelt deutlich weniger als die Herstellung herkömmlicher Leiterplatten. Die Bewertung des Lebenszyklus von PCB aus Papier zeigt, dass ihre Verwendung zu erheblichen Verbesserungen bei der Reduzierung oder Beseitigung der Freisetzung giftiger Chemikalien führt, die die globale Erwärmung verstärken, die Ozonschicht abbauen und das Leben im Allgemeinen schädigen.

Bekämpfung von Elektroschrott

Typischerweise hat die Elektronikindustrie ein großes Abfallproblem, oft mit Bezug auf Elektroschrott. Doch wie eine aktuelle Studie nahelegt, könnten Leiterplatten aus Papier eine Möglichkeit sein, der giftigen Elektroschrott-Dystopie entgegenzuwirken. Das Potenzial von Einweg-Elektronikprodukten, die Papier verwenden, wie etwa bei papiergedruckten Leiterplatten, zeigt, dass Einweg-Leiterplatten aus Papier die Zukunft der Elektronikindustrie sind.

Anstatt Leiterplatten aus einer umweltschädlichen Mischung aus Harzen, Glasfasern und Metalldrähten herzustellen, stellen die Hersteller sie aus biologisch abbaubaren Papiersubstraten und leitfähiger Tinte her.

Der Herstellungsprozess von Papier-Leiterplatten ist relativ einfach. Die Schritte umfassen das Drucken von Wachspapier, das Aufgießen von metallischer Tinte, das Siebdrucken von Funktionselementen, das Laserbohren von Löchern und Durchkontaktierungen sowie das Hinzufügen von Leiterbahnen. Die metallische Tinte verwendet typischerweise eine Mischung aus halbleitenden und leitenden Formeln und ist in der Lage, Transistoren, Kondensatoren und Widerstände zu bilden. Alle Komponenten und gedruckten Drähte auf einer Papierplatine sind ebenso flexibel wie die Platine selbst.

Eigenschaften von Papierleiterplatten

In der Anfangszeit gab es bei Leiterplatten aus Papier mehrere Probleme. Die Eigenschaften des für die Platten verwendeten Papiers führten dazu, dass leitfähige Tinten in die Poren des Substrats eindrangen und es in Segmente verwandelten. Herstellungstechniken wie Sintern beeinträchtigten die Stabilität des Substrats.

Die neuesten Forschungsergebnisse haben jedoch die Eigenschaften von Papier so verändert, dass es für den Einsatz als Leiterplattensubstrat geeignet ist. Die Forscher veränderten die Eigenschaften, indem sie während der Herstellung eine physikalische Dampfabscheidungstechnik anwendeten und dabei elektrisch leitende Strukturen innerhalb des Papiers stapelten, ohne das Substrat zu beschädigen.

Physikalische Gasphasenabscheidung

Mit PVD oder physikalischer Gasphasenabscheidung konnten Forscher Material in einer kondensierten Phase in eine Dampfphase und anschließend auf atomarer Ebene in eine dünne kondensierte Phase umwandeln. Typischerweise verwandelt der Prozess das Material mithilfe eines gasförmigen Plasmas oder eines Hochtemperaturvakuums in Dampf. Der PVD-Prozess induziert dann eine Druckdifferenz, um den Transport des Niederdruckdampfes zum Substrat zu ermöglichen. Schließlich kondensiert der Dampf auf dem Substrat und bildet eine dünne Filmbeschichtung.

Forscher nutzten den oben genannten PVD-Prozess, um die Oberfläche eines Papiersubstrats mit einem festen leitfähigen Material zu bedecken. Sie verwendeten viele Arten leitfähiger Materialien, um den Stapel für Speichergeräte aufzubauen. Sie waren in der Lage, das Substrat mit einem leitfähigen Film wie Aluminiumoxid zu beschichten und so Speichergeräte zu erhalten, die hervorragende elektrische Eigenschaften, Stabilität und Reproduzierbarkeit aufwiesen.

Die Verwendung von Papiersubstraten hilft Designern nicht nur dabei, die Prinzipien des „Design for Environment“ zu erfüllen, sondern bietet auch ein Substrat mit einer äußerst flexiblen Beschaffenheit, das sich nur minimal verschlechtert.

Plasmametallisierung

Forscher nutzen auch ein anderes Verfahren mit vielversprechenden Ergebnissen. Hierbei handelt es sich um den Plasmametallisierungsprozess, der es Papier ermöglicht, als Leiterplatte zu fungieren. Bei der Plasmametallisierung verwendeten Forscher Plasmasprühköpfe, um pulverförmiges leitfähiges Metall unter hohem Druck auf ein bereits mit Silberpaste beschichtetes Grundmaterial zu sprühen. Die heißen Plasmastrahlen schmelzen das leitfähige Metall, damit es sich mit der Silberbasis verbinden und ein hochleitfähiges Substrat bilden kann.

Erste Experimente mit Plasmametallisierung erlaubt flexible gedruckte Schaltungen in begrenzten Mengen produziert werden. Mit einem Leichtmetall beschichtete Papiersubstrate kosten weniger als Substrate aus Standard-Polyimid und weisen gleichzeitig eine außergewöhnliche Tragfähigkeit und Festigkeit auf. Die Verwendung eines flexiblen Basismaterials ermöglicht Designern mehr Kreativität, da solche Forscher die Plasmametallisierungstechnik für die Herstellung von Gadgets wie elektronischen Postern und Postkarten vorstellen.

Zukünftige Anwendungen

Die Forscher arbeiten weiterhin an der Papier-PCB-Technologie, insbesondere an deren Einsatz für die Massenproduktion. Die Möglichkeiten sind endlos, zum Beispiel Bretter, die Sie einfach falten, mit einer Schere zuschneiden oder sogar dreidimensionale Strukturen für militärische und/oder medizinische Anwendungen formen können.

Alle Branchen können von diesen leichten, biologisch abbaubaren Leiterplatten profitieren. Hersteller können problemlos elektromechanische Geräte in Mikrogröße herstellen, z. B. mit Tintenstrahldruckern bedruckte RFID-Tags, mit leitfähigen Tinten bedruckte Sensoren, integrierte gedruckte Wellenleiter und andere gedruckte oder eingebettete elektronische Komponenten.

Abschluss

JH PCBA geht davon aus, dass Papier-Leiterplatten möglicherweise noch nicht für Computer-Motherboards oder Grafikkarten geeignet sind. Vielmehr werden diese Einwegplatinen für drahtlose Sensornetzwerke und IoDT oder das Internet der Einwegartikel nützlich sein. Derzeit nutzt die Industrie solche Geräte zur Beurteilung der menschlichen Gesundheit, zur Überwachung von Umweltbedingungen, zur Sendungsverfolgung in der Logistik, zur Überwachung von Lebensmitteln und Lebensmittelsystemen, Überwachung im Militärund in Liefersystemen. Da Leiterplatten aus Papier außerdem anfällig für Feuchtigkeit sind, was ihre aktive Verwendung und Haltbarkeit beeinträchtigt, müssen sie während des Versands besonders sorgfältig verpackt werden. Während herkömmliche elektronische Geräte bereits anfällig für Wasserschäden sind, kann es bei Leiterplatten aus Papier zu katastrophalen Folgen kommen.

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