eng
Трехмерные системы с соединениями и компонентами должны были совершить прорыв в электронике еще в 80-е годы прошлого века, но потерпели неудачу. Второе рождение 3D-MID происходит сегодня с приходом новых процессов, материалов и технологий для выполнения требований миниатюризации электроники и повышения ее функциональности за счет использования пластиковых элементов конструкции. Эти технологии и используемые материалы описываются в статье.
Многие специалисты отрасли считают, что технологические решения мобильных устройств на текущий момент, наконец, достигли высокого уровня и можно говорить о том, что применяемые MID-технологии выходят на широкий рынок. Сейчас наблюдается ежегодный рост рынка мобильных устройств примерно на 20% (согласно исследованию 3D-MID Research Association, Германия). Движущими силами такого роста являются миниатюризация, ужесточение требований к плотности компоновки изделий и увеличение их общей функциональности. Чтобы удовлетворить этим требованиям, были созданы и развиты новые процессы формирования проводников, способные упростить производство MID-компонентов, снизить затраты, увеличить скорость разработки. Основные процессы – это прямое лазерное структурирование (LDS-процесс компании LPKF, Германия) (рис.1) и двухстадийная заливка с использованием активированного (имеющего отличные характеристики адгезии металла) и не активированного (выступающего в роли изолятора и основного материала формовки детали) пластика. LDS-процесс позволяет с помощью лазера "рисовать" контур проводников на поверхности трехмерной детали из пластика, содержащего специальные, чувствительные к лазерному излучению добавки, которые в дальнейшем являются центрами осаждения меди. Современные материалы обладают отличными характеристиками термостойкости, ди-
электрическими свойствами и получают распространение на растущих рынках автомобильной электроники, телекоммуникаций и медицинского оборудования.
Тернистое начало
Когда более 20 лет назад появились мобильные устройства, перспектива производства носителей схем литьем под давлением была встречена с огромным энтузиазмом. Производители пластиков и разработчики инновационных процессов выстраивали партнерские отношения с целью выхода на рынок, имеющий потенциал в несколько миллиардов долларов.
Причины разочарования разнообразны, но многие производители согласны с тем, что технологии, доступные в тот период, были слишком сложными и дорогостоящими для большинства из них. Отсутствие гибкости и возможности быстрого выхода на рынок также были ограничивающими факторами. Многие компании изучали MID-технологии, но их разработки не получили широкого распространения из-за высокой стоимости. Эти работы объединяло применение конкретного инструмента для конкретной схемы расположения компонентов, что затрудняло создание прототипов, изменение дизайна и позволяло производить только небольшое число устройств.
Еще одним препятствием для коммерциализации решений было отсутствие единой инфраструктуры поддержки производителей MID-устройств. В целом производители электроники не были готовы принять на себя все риски используемых технологий, которые к тому же имели еще и рыночные ограничения по стоимости и применимости.
Наиболее важное достоинство MID-устройств – способность уменьшать число деталей в процессе производства изделия в целом. Например, провод-
ники могут быть нанесены непосредственно на пластиковый корпус детали в качестве замены обычной печатной платы или проводного монтажа. Объединяя электрические и механические функции в одном устройстве, можно получить огромные преимущества в производстве и сборке изделия в целом. MID-устройства, в отличие от двухмерных (в большинстве случаев) печатных плат, позволяют обеспечить трехмерные системные решения на уровне изделия. Самое ценное – можно уменьшить число сборочных элементов и стоимость изделия за счет интеграции функций разъемов, розеток, кнопок, сенсоров, индикаторов и других элементов.
Несмотря на хорошо документированные возможности MID-технологии, инженеры-конструкторы до сих пор воспринимают ее как решение задачи перевода двухмерных схем/систем на трехмерные структуры. Но на самом деле основная идея состоит не в замене существующих решений, а в создании новых, которые невозможно или нецелесообразно реализовывать традиционными методами.
Проверено временем
На сегодняшний день из всего многообразия технологических процессов производства MID-компонентов, появившихся в 80–90-х годах прошлого столетия, закрепились только два – горячее тиснение полимера и двухстадийная отливка. При горячем тиснении специальную металлическую фольгу помещают в нагретую матрицу с рисунком электрической схемы и "напрессовывают" рисунок на имеющуюся сформованную деталь (рис.2, 3). Изделия, изготовленные по технологии термотрансферного перенесения проводников на поверхность пластика, характеризуются относительной простотой формы и пригодны для достаточно большого объема производства, что обеспечивает его экономическую выгоду. При этом происходит упрощение конструкции изделия и полное исключение некоторых технологических процессов. Процесс горячего тиснения компания TRW использует при изготовлении MID-изделий размером 200×110 мм для многофункционального рулевого колеса автомобиля. При создании прототипов компания применяет полиуретановые пластики, для серийного производства сертифицированы изделия из нейлона и PET/PBT. Изделия в настоящий момент использует ряд автопроизводителей.
При двухстадийной заливке (рис.4) используют два вида полимеров. Один предназначен для формирования основания конструкции, и на него наносят весь рисунок необходимых проводников. Второй на следующем шаге процесса избирательно заполняет поверхности между провод-
никами и формирует общую конечную форму детали. Оба процесса применяются с широким спектром материалов от ABS-пластика и поликарбоната до нейлона, PBT, PPS и LCP-пластика (liquid crystal polymer, жидкокристаллический полимер). Последний широко применяют с использованием двухстадийного литья для небольших конструкций, требующих высокой термостойкости и возможности монтажа электронных компонентов с помощью пайки.
Оба подхода обладают определенными недостатками. Процесс двухстадийного литья предполагает высокие первоначальные затраты на инструмент и оснастку, что делает его рентабельным только при высоком объеме производства изделий. Кроме того, при его проведении ограничена гибкость дизайна детали из-за сложности изготовления пресс-форм и непосредственно процесса литья, а также ограничены возможности прототипирования. К тому же время подготовки к производству длительное.
Геометрическое разрешение процесса горячего тиснения низкое. Он требует затрат на производство инструмента и в основном подходит для более или менее простых изделий с ограниченной геометрией. На практике это простой линейный перенос двухмерных плат на трехмерные основания.
Лазер обеспечивает простоту
Среди новых MID-процессов, которые появились после эйфории 1980-х годов и которым удалось заполнить пустоту в технологических решениях, совмещая низкую стоимость и гибкость с одновременной возможностью работы со сложными формами, одним из наиболее интересных стал процесс прямого лазерного структурирования. Разработчик процесса – компания LPKF – в свое время оценила перспективность построения электронных схем на пластиках и не бросила попытки создать оптимальный технологический процесс. Опираясь на опыт производства оборудования для прототипирования печатных плат, ей удалось найти решение, которое позволяет обойти имеющиеся ограничения и предложить решения для всего спектра производственных задач: от опытного и мелкосерийного производства до крупносерийного и массового.
В основе LDS-процесса лежит способность легированного органметаллической присадкой пластика реагировать на излучения лазера. При воздействии лазера на полимер металлический комплекс разделяется на собственно металл и остаточные органические группы. Лазер рисует изображение схемы на изделии и оставляет за собой шероховатую поверхность, содержащую металлические частицы. Эти частицы являются начальными центрами кристаллизации при дальнейшем химическом покрытии пластины медью проводников. Основные этапы LDS-процесса: литье изделия под давлением, лазерное структурирование и нанесение покрытий (рис.5). Так как в процессе используется один материал, применяемые оснастка и оборудование проще, чем при двухстадийном литье. Процесс также позволяет реализовывать более тонкие структуры с минимальным размером элемента от 150 мкм, в отличие от технологии двухстадийного литья – минимум 400 мкм, и 1 мм для термотиснения. Потенциально возможны и 100-мкм решения, и даже лучше, но такие решения требуют более тщательной подготовки и отладки процесса.
По сравнению с другими MID-технологиями, LDS-процесс более гибок и позволяет легко изменять рисунок схемы простым перепрограммированием лазера. Другая его особенность – способность лазера подготавливать поверхность пластика к "мокрым" процессам (при двухстадийной заливке, прежде чем начать осаждение, необходимо дополнительно протравливать пластик). А благодаря простоте, гибкости и доступности прототипирования, его возможности несравнимы с какими-либо другими процессами. Например, потенциальный пользователь может отладить и запустить процесс производства MID-изделий по технологии LDS, а при достижении (конечно, при необходимости) значительного объема производства перейти на технологию двухстадийной отливки. По мнению специалистов, LDS-процесс является прорывом в производстве MID-компонентов и привлекает больше потенциальных пользователей.
Еще один вариант автоматизации
Еще один перспективный вариант массового производства MID-компонентов – литье со вставкой, разработанный компанией Engel – одним из ведущих мировых производителей термопластавтоматов. Суть технологии заключается в отливке панелей управления для оборудования или приборов с одновременной вставкой электрической схемы, сформированной на пленке. Основным материалом является ABS-пластик или поликарбонат, в который запрессовывается пленка с медными дорожками. При этом в пластик можно вмонтировать не только проводники для создания сенсорных областей на изделии, но и предварительно собранные схемы с компонентами (резисторами, светодиодами и т.д.) для панелей управления с интегрированной индикацией (рис.6, 7). С помощью этого процесса можно создавать сенсорные поверхности, полностью заменяющие механические переключатели, ползунки и колеса для электронных элементов управления.
Создаваемые по технологии литья со вставкой устройства могут быть объединены с любой формованной поверхностью, включая даже такие материалы, как дерево или ткань. Благодаря бесшовной поверхности, устройства устойчивы к воздействию грязи и влаги, а также к истиранию. Единственное ограничение этой технологии – серийность изделия, что обусловлено стоимостью оборудования и необходимой оснастки для производства. Но в отличие от всех перечисленных выше процессов мы получаем изначально герметичные изделия с самым коротким производственным циклом на единицу продукции.
Технология показала свою эффективность для крупносерийного и массового производства панелей управления для бытовой электроники и автопрома.
Материалы для MID-устройств
Сегодня практически все ведущие мировые производители материалов (BASF, Degussa, Lanxess, Ticona) имеют в своем портфеле материалы для LDS-процесса. В ассортимент термопластиков входят и нейлон, и полибутилентерефталат (PBT), и высокопрочные LCP, а также традиционный поликарбонат (PC) и ABS-пластик (рис.8). В современных приложениях, когда кремниевые микросхемы располагаются непосредственно на поверхности пластика, сформованный носитель должен иметь высокую стабильность размеров при различных температурных условиях. Это расширяет спектр его использования при производстве антенн, разъемов, датчиков, слуховых аппаратов и т.п.
Компания Ticona уже давно предлагает материалы для процесса двухстадийного литья (см. рис.4), а в последнее время развивает продукты и для LDS-процесса. Так, для двухстадийного литья предлагается LCP-пластик Vectra E820i Pd с 40%-м минеральным наполнением и палладием в качестве катализатора. Этот материал с температурой плавления 340°С хорошо зарекомендовал себя для применения в широком спектре устройств, отличительной особенностью которых является возможность пайки элементов на его поверхности. Это – высокочастотные разъемы, антенны, датчики систем активной автомобильной безопасности и т.п.
Компания также разрабатывает пластики для устройств с высокой тепловой нагрузкой, например, S Vectra с деформационной стойкостью 340°С, предназначенный для устройств светодиодного освещения. Для устройств с возможностью flip-chip-монтажа кристаллов Ticona разрабатывает материалы с улучшенным коэффициентом теплового расширения.
Компания Lanxess выпускает три марки материалов семейства PocanTP – полиэстера с широкими возможностями для LDS-обработки. Pocan TP710-004 с 40%-м содержанием стекла и минеральным наполнителем PET/PBT и с высокой деформационной термостойкостью (Heat Distortion Temperature, HDT) до 250°С. Материал используется для пайки устройств в парогазовой фазе, а также для монтажа бессвинцовых компонентов. Другой материал – полибутилентерефталат TP 710-003 – разработан специально для экструдирования. Как утверждают производители, он отличается низким влагопоглощением, высокой жесткостью при высокой температуре, стабильностью размеров и хорошими диэлектрическими свойствами в широком диапазоне температур.
Lanxess также разрабатывает огнестойкие материалы с низкими значениями коэффициента линейного температурного расширения. Они применяются для систем безопасности (например, крышки защиты от сканирования клавиатур POS-терминалов). Еще один ключевой рынок компании – автомобилестроение, где можно реализовывать MID-переключатели, датчики, панели управления и другие устройства для сложных условий эксплуатации.
Компания Degussa AG (Германия) разработала сшиваемую PBT марки Vestodur CL2230 для LDS-процесса, которая обладает краткосрочной термостойкостью до 340°С. Это модифицированный PBT пластик c 30%-м стеклонаполнением, сшитый с помощью бета- или гамма-излучения в конце гальванического процесса и пригодный для бессвинцового припоя. Он является экономически эффективной альтернативой высокостойких теплонагруженных полимеров, таких как LCP. Degussa использует материал для двух приложений: микроантенн и устройств автоматического рулевого управления автомобилем. Компания также предлагает сшиваемую PBT для двухстадийного литьевого формования – Vestodur CL2030 и CL2120 с катализатором на основе железа.
Компания BASF выпускает нейлон марки Ultramid T KR4380 LS с 30%-м наполнением стеклом, разработанный специально для LDS-процесса. Температура плавления материала составляет 295°С, деформационная стойкость HDT – 270°С под нагрузкой (285°С без нагрузки). Материал отвечает всем требованиям к пайке. Компания также разрабатывает серию материалов с низкими коэффициентами расширения, пригодных для специального применения, с разными минеральными наполнителями. BASF ориентирован на слаботочные автомобильные устройства – датчики, переключатели и компоненты подушки безопасности.
Развитие пластиков не стоит на месте. Еще недавно производители материалов предлагали пластики только черного и серого цвета. Это обусловлено цветом металлической присадки, внедряемой в материал на этапе производства. Сегодня на рынок поступают материалы практически любого цвета (рис.9), и поэтому конструкторы и дизайнеры получили возможность влиять на эстетическое восприятие изделия у конечного пользователя.
Настоящее и будущее
Справедливости ради стоит отметить, что сегодня на рынке существует большая группа технологий, позволяющих реализовывать процессы производства 3D-MID-изделий. Но в большинстве случаев эти технологии имеют ограничения по используемым материалам и конфигурации пластикового носителя и применимы для очень малого круга изделий в отдельных, четко ограниченных нишах. Они могут быть эффективны и целесообразны, но это тема отдельного рассмотрения в зависимости от стоящих перед конструктором и производителем задач.
В связи с развитием MID-технологий растет число приложений, где применение MID-устройств эффективно и целесообразно (рис.10). Все большее число производителей электроники расширяют свои возможности за счет включения MID-процессов в производственный цикл. Например, компания Harting Mitronics (Швейцария), один из крупнейших мировых производителей соединителей, использует процессы двухшаговой отливки и прямого лазерного структурирования для формирования изделий мобильной связи и соединителей. За два года она смогла не только получить интересные решения, но и заинтересовать OEM-компании в применении новых устройств, что открыло новые рыночные возможности и благоприятно сказалось на финансовых показателях компании.
Хороший пример реализации возможностей MID-технологии и нетипичного использования пластиковых компонентов продемонстрировала компания Fisher Connectors (Швейцрия). Она разработала принципиально новый соединитель серии MiniMax на основе MID-компонентов (рис.11). Используемая технология позволила организовать в три раза больше контактов, сократить массу на 75% и объем изделия – на 40%. Это первый в мире серийный соединитель с полимерными контактам!
Развитие новых MID-процессов, в том числе и материалов, которые не требуют химической доочистки, будет иметь решающее значение в будущем. Кроме того, существующие процессы и параметры материалов (например, теплопроводность и стабильность линейных размеров изделий в широком диапазоне температур) продолжают совершенствоваться и оптимизироваться под определенные задачи. В области прототипирования 3D-MID-изделий в ближайшем будущем ожидается появление новых решений. Инженерные решения сосредотачиваются на дальнейшей интеграции с целью сокращения числа сборочных элементов и, как следствие, повышения надежности и простоты сборки. ●
электрическими свойствами и получают распространение на растущих рынках автомобильной электроники, телекоммуникаций и медицинского оборудования.
Тернистое начало
Когда более 20 лет назад появились мобильные устройства, перспектива производства носителей схем литьем под давлением была встречена с огромным энтузиазмом. Производители пластиков и разработчики инновационных процессов выстраивали партнерские отношения с целью выхода на рынок, имеющий потенциал в несколько миллиардов долларов.
Причины разочарования разнообразны, но многие производители согласны с тем, что технологии, доступные в тот период, были слишком сложными и дорогостоящими для большинства из них. Отсутствие гибкости и возможности быстрого выхода на рынок также были ограничивающими факторами. Многие компании изучали MID-технологии, но их разработки не получили широкого распространения из-за высокой стоимости. Эти работы объединяло применение конкретного инструмента для конкретной схемы расположения компонентов, что затрудняло создание прототипов, изменение дизайна и позволяло производить только небольшое число устройств.
Еще одним препятствием для коммерциализации решений было отсутствие единой инфраструктуры поддержки производителей MID-устройств. В целом производители электроники не были готовы принять на себя все риски используемых технологий, которые к тому же имели еще и рыночные ограничения по стоимости и применимости.
Наиболее важное достоинство MID-устройств – способность уменьшать число деталей в процессе производства изделия в целом. Например, провод-
ники могут быть нанесены непосредственно на пластиковый корпус детали в качестве замены обычной печатной платы или проводного монтажа. Объединяя электрические и механические функции в одном устройстве, можно получить огромные преимущества в производстве и сборке изделия в целом. MID-устройства, в отличие от двухмерных (в большинстве случаев) печатных плат, позволяют обеспечить трехмерные системные решения на уровне изделия. Самое ценное – можно уменьшить число сборочных элементов и стоимость изделия за счет интеграции функций разъемов, розеток, кнопок, сенсоров, индикаторов и других элементов.
Несмотря на хорошо документированные возможности MID-технологии, инженеры-конструкторы до сих пор воспринимают ее как решение задачи перевода двухмерных схем/систем на трехмерные структуры. Но на самом деле основная идея состоит не в замене существующих решений, а в создании новых, которые невозможно или нецелесообразно реализовывать традиционными методами.
Проверено временем
На сегодняшний день из всего многообразия технологических процессов производства MID-компонентов, появившихся в 80–90-х годах прошлого столетия, закрепились только два – горячее тиснение полимера и двухстадийная отливка. При горячем тиснении специальную металлическую фольгу помещают в нагретую матрицу с рисунком электрической схемы и "напрессовывают" рисунок на имеющуюся сформованную деталь (рис.2, 3). Изделия, изготовленные по технологии термотрансферного перенесения проводников на поверхность пластика, характеризуются относительной простотой формы и пригодны для достаточно большого объема производства, что обеспечивает его экономическую выгоду. При этом происходит упрощение конструкции изделия и полное исключение некоторых технологических процессов. Процесс горячего тиснения компания TRW использует при изготовлении MID-изделий размером 200×110 мм для многофункционального рулевого колеса автомобиля. При создании прототипов компания применяет полиуретановые пластики, для серийного производства сертифицированы изделия из нейлона и PET/PBT. Изделия в настоящий момент использует ряд автопроизводителей.
При двухстадийной заливке (рис.4) используют два вида полимеров. Один предназначен для формирования основания конструкции, и на него наносят весь рисунок необходимых проводников. Второй на следующем шаге процесса избирательно заполняет поверхности между провод-
никами и формирует общую конечную форму детали. Оба процесса применяются с широким спектром материалов от ABS-пластика и поликарбоната до нейлона, PBT, PPS и LCP-пластика (liquid crystal polymer, жидкокристаллический полимер). Последний широко применяют с использованием двухстадийного литья для небольших конструкций, требующих высокой термостойкости и возможности монтажа электронных компонентов с помощью пайки.
Оба подхода обладают определенными недостатками. Процесс двухстадийного литья предполагает высокие первоначальные затраты на инструмент и оснастку, что делает его рентабельным только при высоком объеме производства изделий. Кроме того, при его проведении ограничена гибкость дизайна детали из-за сложности изготовления пресс-форм и непосредственно процесса литья, а также ограничены возможности прототипирования. К тому же время подготовки к производству длительное.
Геометрическое разрешение процесса горячего тиснения низкое. Он требует затрат на производство инструмента и в основном подходит для более или менее простых изделий с ограниченной геометрией. На практике это простой линейный перенос двухмерных плат на трехмерные основания.
Лазер обеспечивает простоту
Среди новых MID-процессов, которые появились после эйфории 1980-х годов и которым удалось заполнить пустоту в технологических решениях, совмещая низкую стоимость и гибкость с одновременной возможностью работы со сложными формами, одним из наиболее интересных стал процесс прямого лазерного структурирования. Разработчик процесса – компания LPKF – в свое время оценила перспективность построения электронных схем на пластиках и не бросила попытки создать оптимальный технологический процесс. Опираясь на опыт производства оборудования для прототипирования печатных плат, ей удалось найти решение, которое позволяет обойти имеющиеся ограничения и предложить решения для всего спектра производственных задач: от опытного и мелкосерийного производства до крупносерийного и массового.
В основе LDS-процесса лежит способность легированного органметаллической присадкой пластика реагировать на излучения лазера. При воздействии лазера на полимер металлический комплекс разделяется на собственно металл и остаточные органические группы. Лазер рисует изображение схемы на изделии и оставляет за собой шероховатую поверхность, содержащую металлические частицы. Эти частицы являются начальными центрами кристаллизации при дальнейшем химическом покрытии пластины медью проводников. Основные этапы LDS-процесса: литье изделия под давлением, лазерное структурирование и нанесение покрытий (рис.5). Так как в процессе используется один материал, применяемые оснастка и оборудование проще, чем при двухстадийном литье. Процесс также позволяет реализовывать более тонкие структуры с минимальным размером элемента от 150 мкм, в отличие от технологии двухстадийного литья – минимум 400 мкм, и 1 мм для термотиснения. Потенциально возможны и 100-мкм решения, и даже лучше, но такие решения требуют более тщательной подготовки и отладки процесса.
По сравнению с другими MID-технологиями, LDS-процесс более гибок и позволяет легко изменять рисунок схемы простым перепрограммированием лазера. Другая его особенность – способность лазера подготавливать поверхность пластика к "мокрым" процессам (при двухстадийной заливке, прежде чем начать осаждение, необходимо дополнительно протравливать пластик). А благодаря простоте, гибкости и доступности прототипирования, его возможности несравнимы с какими-либо другими процессами. Например, потенциальный пользователь может отладить и запустить процесс производства MID-изделий по технологии LDS, а при достижении (конечно, при необходимости) значительного объема производства перейти на технологию двухстадийной отливки. По мнению специалистов, LDS-процесс является прорывом в производстве MID-компонентов и привлекает больше потенциальных пользователей.
Еще один вариант автоматизации
Еще один перспективный вариант массового производства MID-компонентов – литье со вставкой, разработанный компанией Engel – одним из ведущих мировых производителей термопластавтоматов. Суть технологии заключается в отливке панелей управления для оборудования или приборов с одновременной вставкой электрической схемы, сформированной на пленке. Основным материалом является ABS-пластик или поликарбонат, в который запрессовывается пленка с медными дорожками. При этом в пластик можно вмонтировать не только проводники для создания сенсорных областей на изделии, но и предварительно собранные схемы с компонентами (резисторами, светодиодами и т.д.) для панелей управления с интегрированной индикацией (рис.6, 7). С помощью этого процесса можно создавать сенсорные поверхности, полностью заменяющие механические переключатели, ползунки и колеса для электронных элементов управления.
Создаваемые по технологии литья со вставкой устройства могут быть объединены с любой формованной поверхностью, включая даже такие материалы, как дерево или ткань. Благодаря бесшовной поверхности, устройства устойчивы к воздействию грязи и влаги, а также к истиранию. Единственное ограничение этой технологии – серийность изделия, что обусловлено стоимостью оборудования и необходимой оснастки для производства. Но в отличие от всех перечисленных выше процессов мы получаем изначально герметичные изделия с самым коротким производственным циклом на единицу продукции.
Технология показала свою эффективность для крупносерийного и массового производства панелей управления для бытовой электроники и автопрома.
Материалы для MID-устройств
Сегодня практически все ведущие мировые производители материалов (BASF, Degussa, Lanxess, Ticona) имеют в своем портфеле материалы для LDS-процесса. В ассортимент термопластиков входят и нейлон, и полибутилентерефталат (PBT), и высокопрочные LCP, а также традиционный поликарбонат (PC) и ABS-пластик (рис.8). В современных приложениях, когда кремниевые микросхемы располагаются непосредственно на поверхности пластика, сформованный носитель должен иметь высокую стабильность размеров при различных температурных условиях. Это расширяет спектр его использования при производстве антенн, разъемов, датчиков, слуховых аппаратов и т.п.
Компания Ticona уже давно предлагает материалы для процесса двухстадийного литья (см. рис.4), а в последнее время развивает продукты и для LDS-процесса. Так, для двухстадийного литья предлагается LCP-пластик Vectra E820i Pd с 40%-м минеральным наполнением и палладием в качестве катализатора. Этот материал с температурой плавления 340°С хорошо зарекомендовал себя для применения в широком спектре устройств, отличительной особенностью которых является возможность пайки элементов на его поверхности. Это – высокочастотные разъемы, антенны, датчики систем активной автомобильной безопасности и т.п.
Компания также разрабатывает пластики для устройств с высокой тепловой нагрузкой, например, S Vectra с деформационной стойкостью 340°С, предназначенный для устройств светодиодного освещения. Для устройств с возможностью flip-chip-монтажа кристаллов Ticona разрабатывает материалы с улучшенным коэффициентом теплового расширения.
Компания Lanxess выпускает три марки материалов семейства PocanTP – полиэстера с широкими возможностями для LDS-обработки. Pocan TP710-004 с 40%-м содержанием стекла и минеральным наполнителем PET/PBT и с высокой деформационной термостойкостью (Heat Distortion Temperature, HDT) до 250°С. Материал используется для пайки устройств в парогазовой фазе, а также для монтажа бессвинцовых компонентов. Другой материал – полибутилентерефталат TP 710-003 – разработан специально для экструдирования. Как утверждают производители, он отличается низким влагопоглощением, высокой жесткостью при высокой температуре, стабильностью размеров и хорошими диэлектрическими свойствами в широком диапазоне температур.
Lanxess также разрабатывает огнестойкие материалы с низкими значениями коэффициента линейного температурного расширения. Они применяются для систем безопасности (например, крышки защиты от сканирования клавиатур POS-терминалов). Еще один ключевой рынок компании – автомобилестроение, где можно реализовывать MID-переключатели, датчики, панели управления и другие устройства для сложных условий эксплуатации.
Компания Degussa AG (Германия) разработала сшиваемую PBT марки Vestodur CL2230 для LDS-процесса, которая обладает краткосрочной термостойкостью до 340°С. Это модифицированный PBT пластик c 30%-м стеклонаполнением, сшитый с помощью бета- или гамма-излучения в конце гальванического процесса и пригодный для бессвинцового припоя. Он является экономически эффективной альтернативой высокостойких теплонагруженных полимеров, таких как LCP. Degussa использует материал для двух приложений: микроантенн и устройств автоматического рулевого управления автомобилем. Компания также предлагает сшиваемую PBT для двухстадийного литьевого формования – Vestodur CL2030 и CL2120 с катализатором на основе железа.
Компания BASF выпускает нейлон марки Ultramid T KR4380 LS с 30%-м наполнением стеклом, разработанный специально для LDS-процесса. Температура плавления материала составляет 295°С, деформационная стойкость HDT – 270°С под нагрузкой (285°С без нагрузки). Материал отвечает всем требованиям к пайке. Компания также разрабатывает серию материалов с низкими коэффициентами расширения, пригодных для специального применения, с разными минеральными наполнителями. BASF ориентирован на слаботочные автомобильные устройства – датчики, переключатели и компоненты подушки безопасности.
Развитие пластиков не стоит на месте. Еще недавно производители материалов предлагали пластики только черного и серого цвета. Это обусловлено цветом металлической присадки, внедряемой в материал на этапе производства. Сегодня на рынок поступают материалы практически любого цвета (рис.9), и поэтому конструкторы и дизайнеры получили возможность влиять на эстетическое восприятие изделия у конечного пользователя.
Настоящее и будущее
Справедливости ради стоит отметить, что сегодня на рынке существует большая группа технологий, позволяющих реализовывать процессы производства 3D-MID-изделий. Но в большинстве случаев эти технологии имеют ограничения по используемым материалам и конфигурации пластикового носителя и применимы для очень малого круга изделий в отдельных, четко ограниченных нишах. Они могут быть эффективны и целесообразны, но это тема отдельного рассмотрения в зависимости от стоящих перед конструктором и производителем задач.
В связи с развитием MID-технологий растет число приложений, где применение MID-устройств эффективно и целесообразно (рис.10). Все большее число производителей электроники расширяют свои возможности за счет включения MID-процессов в производственный цикл. Например, компания Harting Mitronics (Швейцария), один из крупнейших мировых производителей соединителей, использует процессы двухшаговой отливки и прямого лазерного структурирования для формирования изделий мобильной связи и соединителей. За два года она смогла не только получить интересные решения, но и заинтересовать OEM-компании в применении новых устройств, что открыло новые рыночные возможности и благоприятно сказалось на финансовых показателях компании.
Хороший пример реализации возможностей MID-технологии и нетипичного использования пластиковых компонентов продемонстрировала компания Fisher Connectors (Швейцрия). Она разработала принципиально новый соединитель серии MiniMax на основе MID-компонентов (рис.11). Используемая технология позволила организовать в три раза больше контактов, сократить массу на 75% и объем изделия – на 40%. Это первый в мире серийный соединитель с полимерными контактам!
Развитие новых MID-процессов, в том числе и материалов, которые не требуют химической доочистки, будет иметь решающее значение в будущем. Кроме того, существующие процессы и параметры материалов (например, теплопроводность и стабильность линейных размеров изделий в широком диапазоне температур) продолжают совершенствоваться и оптимизироваться под определенные задачи. В области прототипирования 3D-MID-изделий в ближайшем будущем ожидается появление новых решений. Инженерные решения сосредотачиваются на дальнейшей интеграции с целью сокращения числа сборочных элементов и, как следствие, повышения надежности и простоты сборки. ●
Отзывы читателей
