In den nächsten drei Wochen veröffentlichen wir eine Reihe von vier Artikeln, in denen wir die Tiefe und Breite der Innovation sowie die bestehenden und neuen Anwendungen in diesem Bereich beleuchten. Dieser Artikel enthält mehr als 65 einzelne Bilder und Grafiken, die verschiedene Innovationen, Techniken und Produkte vorstellen. Das Inhaltsverzeichnis zu diesem Artikel finden Sie unten.
Das Inhaltsverzeichnis:
MicroLED-Displays: die Rolle der gedruckten Elektronik
Digitaldruck auf 3D-Oberflächen mit µ-großen Merkmalen
Großflächige LED-Beleuchtung und gedruckte Elektronik
Niedertemperatur-Löten für flexible Hybridelektronik
Gedruckte 3D-Elektronik: Intelligenz auf 3D-Oberflächen
Intelligente 3D-Oberflächen
Hautpflaster und medizinische Elektronik
Medizinische Elektroden: R2R-Volumensiebdruck
Dehnbare leitfähige Druckfarben für E-Textilien
Alle in diesen Artikeln hervorgehobenen Innovationen stammen von Unternehmen, die auf unserer kommenden Veranstaltung am 11. und 12. Mai 2021 über gedruckte, hybride, strukturelle und 3D-Elektronik präsentieren oder ausstellen werden. Für einen bestimmten Trend heben wir oft nur ein oder zwei Unternehmen hervor, aber auf unseren vergangenen (jetzt auf Abruf verfügbar) und zukünftigen (LIVE, online) Veranstaltungen sind alle wichtigen Akteure weltweit vertreten.
Bei TechBlick bieten wir jedes Jahr mehr als 350 handverlesene Vorträge zu aufstrebenden Technologien, darunter (1) gedruckte, hybride und strukturelle Elektronik und (2) fortschrittliche Materialien.
Mit einer einzigen Jahreskarte können Sie an allen unseren LIVE-Veranstaltungen online teilnehmen, sich online mit der Community austauschen und vernetzen und an unseren Meisterklassen teilnehmen. Sehen Sie hier, wie unser Networking und virtuelles Zusammenkommen funktioniert.
Für unsere nächste LIVE-Konferenz am 11. und 12. Mai 2021 haben wir die bisher beste Rednerliste zusammengestellt, die sich mit den Themen Printed, Hybrid, Structural und 3D Electronics beschäftigt. Unser Programm umfasst 65 Redner und Diskussionsteilnehmer, darunter Coca Cola, P&G, Boeing, Airbus, HP, Signify, Texas Instruments, Panasonic, Parsons, ARM, Identiv, Wuerth, Phillips 66, US Army, Agfa und viele mehr...
Dieses Programm findet zeitgleich mit unserer LIVE (online) Konferenz zum Thema "Quantum Dots: Materialinnovationen und kommerzielle Anwendungen" statt. Zu den Rednern gehören Shoie Electronic Materials, Emberion, IMEC, SWIR Systems, Avantama, UbiQD usw.
Das vollständige Programm können Sie hier einsehen. Bis zum 1. Mai 2021 können Sie Ihre Jahreskarte mit dem 10%-Rabattcode 10%DiscountAA für nur 450 Euro pro Jahr erwerben.
Zu den Sprechern gehören:
Sie können alle unsere Aussteller auf unserer Messe LIVE treffen (siehe Aussteller unten). Sie werden an ihren interaktiven virtuellen Ständen auf Sie warten. Sie können auch alle unsere Redner hören und dann mit ihnen - wie in der realen Welt - in einer hochinteraktiven Networking-Lounge in Kontakt bleiben.
MicroLED-Anzeigen:
Die Rolle der gedruckten Elektronik
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Ein heißer Trend in der Display-Industrie sind Mikro-LEDs. Diese Displays sind fantastisch, aber sie sind schwierig herzustellen. Mirco-LEDs gibt es in einer Vielzahl von Formen (siehe unten) und können in verschiedenen Arten von Displays verwendet werden, von kleinen und Mikro-Displays bis hin zu sehr großen Displays.
Der Übertragungsprozess ist, wie wir sehen werden, eine große technische Herausforderung und erhält daher zu Recht die ganze Aufmerksamkeit. Ein Punkt, der jedoch oft vernachlässigt wird, ist die Frage, wie die eigentlichen Substrate für die Verbindung der übertragenen Mikro-LEDs metallisiert werden können.
Häufig wird PVD verwendet. Dieser Ansatz hat sich bewährt, ist aber subtraktiv. Außerdem muss ein Durchgang durch das Muttersubstrat aus Glas gebohrt und gefüllt werden, um eine Verbindung von vorne nach hinten herzustellen. Die Unternehmen schlagen nun die Verwendung des Siebdrucks vor. Ein hervorragendes Beispiel von Applied Materials ist unten abgebildet. Hier können die Verbindungslinien im Siebdruckverfahren mit Silberpasten hergestellt werden.
Noch wichtiger ist, dass das Substrat mit Hilfe eines Roboters gedreht werden kann, so dass die von vorne nach hinten verlaufenden Leiterbahnen auch auf den Rand des Substrats gedruckt werden können, wodurch das Bohren und Füllen von Durchgangslöchern überflüssig wird. Applied Materials erreicht derzeit ein L/S-Verhältnis (Linewidth to Spacing) von 60/40 µm.
Der Übertragungsprozess bei microLED-Displays ist eine große Herausforderung. Das liegt zum Teil daran, dass microLEDs sehr klein sind. Die nachstehende Abbildung verdeutlicht dies, indem sie die Größe von Mikro-LEDs mit allen möglichen Gegenständen vergleicht.
Um das Ausmaß der Übertragungsherausforderung zu erkennen, sehen Sie sich das Diagramm unten rechts an. Für ein RGB-MicroLED-Display mit drei verschiedenfarbigen LEDs zeigt das Hauptdiagramm die Anzahl der fehlgeschlagenen Chips für eine bestimmte Display-Auflösung (Anzahl der übertragenen Elemente) und die Übertragungsleistung (Beispiel: ein 4K-Display hat 8.294.400 Pixel und jedes Pixel hat 3 microLEDs, so dass die Gesamtzahl der LEDs etwa 24,8 Millionen beträgt).
Wie in der Abbildung zu sehen ist, benötigen wir eine Ausbeute von mehr als 99,99 %, da sonst die Anzeige beeinträchtigt wird. Dies ist natürlich extrem schwer zu erreichen, vor allem bei der Gesamtausbeute über den gesamten Prozess hinweg, einschließlich Metallisierung, Transfer, Kleben und so weiter und so fort.
Digitaldruck auf 3D-Oberflächen mit mikroskopisch kleinen Merkmalen
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Um solch strenge Ziele zu erreichen, ist wahrscheinlich ein präziser Reparaturmechanismus nach der Übertragung erforderlich. Der digitale Ultrapräzisionsdruck auf 3D-Oberflächen (oder nicht glatten Oberflächen) kann ein vielversprechendes Reparaturwerkzeug sein.
Ein Beispiel dafür ist unten abgebildet, von XTPL (Polen). Das Unternehmen kann mit seiner eigenen viskosen Silbernanopartikeltinte Merkmale von wenigen Mikrometern Größe digital drucken. Wie auf dem Bild zu sehen ist, werden in einem Beispiel 3,2 µm große Linien mit einem Abstand von nur 0,7 µm gedruckt. Im Bild unten rechts wird der Drucker zur Reparatur offener Defekte in hochauflösenden Displays eingesetzt. Diese Technologie hat eine interessante Leistungspositionierung im Vergleich zu anderen additiven Druckverfahren wie Tintenstrahl, Aerosol, elektrohydrodynamische Verfahren usw. Im Allgemeinen übertrifft sie die derzeitigen Auflösungsgrenzen von Inkjet und Aerosol und entspricht der von elektrohydrodynamischen Verfahren, allerdings mit einer viskoseren Tinte. Dieses Verfahren kann in vielen Bereichen eingesetzt werden, z. B. beim Sicherheitsdruck, beim Prototyping von Umverteilungsschichten, bei elektronischen Verpackungen und vielen anderen Anwendungen.
Das Thema des ultrahochauflösenden Drucks wird auf unserer kommenden Konferenz am 11. und 12. Mai 2021 intensiv behandelt. Zu den bisherigen und bestätigten künftigen Referenten zu diesem Thema gehören Kodak, Optomec, Enjet, XTPL, Applied Materials, NanoOps, IDS usw. Mit einer Jahreskarte haben Sie natürlich auch Zugang zu den Inhalten aller unserer früheren Konferenzen
Großflächige LED-Beleuchtung und gedruckte Elektronik
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Gedruckte Elektronik kann bei der großflächigen LED-Beleuchtung in mehrfacher Hinsicht eine Rolle spielen. Betrachten Sie zunächst das Beispiel links unten (von Kundisch GmbH). Hier wird eine gedruckte Schaltung oder Metallisierung zur Stromversorgung der LEDs verwendet. Der Hauptvorteil gedruckter LEDs besteht darin, dass man kundenspezifische Muster erstellen kann und somit ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit hat. Man beachte, dass der Druck auch auf flexiblen PET-Substraten erfolgen kann. Das Löten erfolgt wahrscheinlich manuell, es sei denn, es wird eine der unten beschriebenen neuen Technologien eingesetzt.
Darüber hinaus kann man die Metallisierung und die Befestigungsmaterialien für die Komponenten im Rolle-zu-Rolle-Verfahren (R2R) drucken und die LEDs auf einem flexiblen und anpassungsfähigen PET-ähnlichen Substrat montieren. Dies kann ein ausgezeichnetes Produktionsverfahren für die Herstellung flexibler, anpassungsfähiger LED-Folien sein.
Diesen Prozess gibt es schon seit einigen Jahren, aber er gewinnt jetzt an Fahrt und Dynamik. Ein gutes Beispiel ist die unten abgebildete metallisierte und montierte R2R-LED-Beleuchtungsfolie von Holst Centre. Hier sind alle Funktionsschichten R2R-gedruckt und die LEDs R2R-übertragen.
Niedertemperaturlöten für flexible Hybridelektronik
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Flexible Hybridelektronik (FHE) erfordert das Löten bei niedrigen Temperaturen. Es gibt zwei primäre und wichtige Beweggründe: (1) die Möglichkeit, SMD oder Dies auf PET-Substrate zu löten, was einen Übergang von teurem PI in FPBCS zu kostengünstigem PET ermöglicht, und (2) das automatisierte Löten auf PET-Substraten zu ermöglichen (derzeit wird das Löten auf PET oft manuell durchgeführt, um das Temperaturprofil genau zu steuern).
Es gibt mehrere Ansätze, um diesen Übergang zu ermöglichen, oder sie sind im Entstehen begriffen. NovaCentrix schlägt das Fotosintern vor. Dabei werden die Lötstellen einem kurzen Millisekunden-Impuls von Breitbandlicht ausgesetzt, um das Lot zum Aufschmelzen zu bringen. Nachstehend finden Sie verschiedene Anwendungsbeispiele und Nahaufnahmen von fotogesinterten Loten.
Bei dieser Anordnung erfahren die gedruckten dünnen Schichten auf der Oberfläche des Substrats erhöhte Temperaturen, nicht aber das Substrat selbst, was das Löten auf PET und ähnlichen Substraten ermöglicht. Wenn das Sinterprofil optimiert ist, kann dieser Prozess in wenigen Millisekunden ablaufen, was ihn möglicherweise mit R2R-Hochdurchsatzprozessen kompatibel macht und damit einen der größten Engpässe der R2R-Produktion von gedruckten FHE beseitigt.
Mehrere Unternehmen bieten auch Niedertemperaturlote an und/oder entwickeln sie. Safi-Tech hat SAC305-Mikrokapsel-Lote entwickelt, die bei nur 120 °C auf PET aufgebracht werden können. Ein Beispiel ist unten abgebildet und das Schema unten rechts beschreibt das Mikrokapselkonzept. Der große Vorteil von Lötmitteln - im Gegensatz zu leitfähigen Klebstoffen - ist die automatische Selbstausrichtung, die den Aufwand für eine präzise Auswahl und Platzierung verringert. Safi-Tech ist ein Spin-off der Iowa State University, der Geburtsstätte von SAC305.
Alpha Assembly ist ein weiteres gutes Beispiel. Sie haben ein Sub-150C-Lot entwickelt, das mit hitzestabilisiertem PET kompatibel ist. Die chemische Zusammensetzung ist nicht bekannt, aber sie basiert wahrscheinlich auf SnIn. Die Bilder unten zeigen ein Beispiel für eine Schaltungsanordnung auf einem flexiblen weißen PET-Substrat. Die Reflow-Temperatur bleibt in diesem Fall unter 145 °C. Das Projekt war eine Zusammenarbeit zwischen Alpha Assembly, Sheldahl und DuPont Teijin Films und zeigt deutlich die Möglichkeiten, die diese Technologie bietet.
Natürlich sind leitfähige Klebstoffe nach wie vor eine gute Wahl. Der Füllstoff ist oft der Hauptkostentreiber. Wir heben hier eine Innovation von CondAlign hervor, mit der der Füllstoffgehalt gesenkt werden kann, ohne dass die Leistung, z. B. die Leitfähigkeit in der z-Achse, beeinträchtigt wird. Hier setzt CondAlign elektrische Felder ein, um die Partikel vertikal auszurichten und so anisotrope leitfähige Schichten zu erzeugen. Der Prozess ist unten in zwei Schnappschüssen dargestellt, die während eines realen Füllstoffausrichtungsprozesses aufgenommen wurden. CondAlign hat jetzt den Produktionsprozess R2R gemacht (siehe ihre Maschine unten), wobei die Abstände unter 10 µm in einem breiten Bereich der Schichtdicke (von einigen wenigen bis zu einigen hundert µm) beibehalten werden.
Das Thema der flexiblen Hybridelektronik wird auf unserer kommenden Konferenz am 11. und 12. Mai 2021 intensiv behandelt. Zu den bisherigen und den bestätigten künftigen Vortragenden zu diesem Thema gehören ARM, Identiv, Parsons, Smooth&Sharp, GE Research, Jabil, American Semiconductor, Texas Instruments, Panasonic, DuPoint Teijin Films, NovaCentrix, Alpha Assembly, CondAlign, Safi-Tech, CPI, Sheldahl, CEA und andere.
3D-gedruckte Elektronik: Intelligenz auf 3D-Oberflächen bringen
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3D-gedruckte Elektronik ist ein sehr aktiver Bereich. Man kann es in zwei Teilbereiche unterteilen: (1) Elektronik, die auf oder nahe der Oberfläche eines 3D-Objekts angebracht wird, und (2) echte 3D-gedruckte Elektronik, die klassischen 3D-Druck mit gedruckter Elektronik kombiniert.
Die obere Reihe unten zeigt Beispiele für den ersten Ansatz. Hier sehen wir 3D-geformte Antennen, Heizungen, Beleuchtung und HMIs und sogar ein medizinisches Gerät. Die zweite Reihe zeigt Beispiele für den zweiten Ansatz. Hier sind sowohl die Leiterbahnen als auch die SMD in die 3D-Struktur einer komplexen 3D-Form eingebettet, die Schicht für Schicht im klassischen 3D-Druckverfahren aufgebaut wird.
Dieser Ansatz ermöglicht es, wirklich Intelligenz in den 3D-Druck zu bringen. Anstatt also nur mechanische Objekte zu erstellen, könnte man auch die Elektronik in das 3D-gedruckte Objekt integrieren. Wenn man einen nahtlosen Design-zu-Produktionsprozess einrichtet, könnte dies viele fantastische Möglichkeiten eröffnen.
Dies ist ein Hauptthema unserer kommenden Konferenz über gedruckte, hybride, strukturelle und 3D-Elektronik am 11. und 12. Mai 2021. Zu den vergangenen (jetzt als On-Demand verfügbar) und kommenden Rednern zu diesem Thema gehören HP, Signify, Wuerth, Neotech, NanoDimension, LPKF und andere.
3D Smart Surfaces
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3D-geformte intelligente Oberflächen sind ein spannendes Thema. Die Anwendungen reichen von der Metallisierung von 3D-Oberflächen auf der Ebene von Antennen oder Elektronikgehäusen bis hin zu großformatigen Teilen für den Innen- oder Außenbereich von Fahrzeugen. In der nachstehenden Abbildung sind verschiedene Beispiele für großformatige 3D-geformte intelligente Oberflächen für den Fahrzeuginnenraum dargestellt. Die zugrundeliegenden Technologien sind vielfältig und umfassen dehnbare Sensoren, elektronische Textilien, Transfer Molding und In-Mold-Elektronik.
Von besonderem Interesse sind die Technik der In-Mold-Elektronik (IME) und andere ähnliche Technologien. Bei diesen Technologien wird in der Regel eine Funktionsschicht aus mehreren gedruckten Schichten hergestellt. Die Funktionsschicht wird dann irgendwie 3D-geformt und in einigen Fällen überspritzt.
Hier sehen Sie zwei Beispiele für InMold Electronics (oder Strukturelektronik), die ich hervorheben möchte. Das linke Beispiel ist ein Prototyp von Greely. Hier wurde der Sitzversteller von einem klassischen auf ein IME-Design umgestellt, wodurch die Anzahl der Teile von 45 auf 1, die Anzahl der Werkzeuge auf 20 auf 2, das Gewicht von 185 g auf 25 g und die Dicke von 38 mm auf 3 mm reduziert wurden. Letzteres ist eine wichtige Kennzahl, weil sie Platz für andere Funktionen schafft.
Die Abbildung rechts ist ein Beispiel von Suunto. Hier wird der Smart Connector mit IME hergestellt. Die Prozessschritte sind unten dargestellt. Das Design hat die Anforderungen für die Designverifizierung erfüllt, darunter -20 bis 60 °C Betriebstemperatur, 50 Maschinenzyklen bei 40 °C, 5000 Verdrehungen um 30 Grad und Biegungen um 90 Grad, Heißpressen und so weiter.
Die intelligente Schicht war hier einfach und umfasste nur einen einfachen Speicher und einen Widerstand sowie verschiedene förderliche Leitungen. Die Komplexität der IME-Technologie wird jedoch mit der Zeit zunehmen. Von besonderem Interesse wird die Integration von Beleuchtungskomponenten sein.
Dies ist ein Hauptthema unserer kommenden Konferenz über gedruckte, hybride, strukturelle und 3D-Elektronik, die am 11. und 12. Mai 2021 stattfindet. Zu den bisherigen (jetzt auf Abruf verfügbaren) und kommenden Rednern zu diesem Thema gehören Geely, FIAT, Suunto, LightWorks GmbH, Arburg, DuPont, PolyIC, TactoTek, Kimoto, etc.
Hautpflaster und medizinische Elektronik
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Ein wichtiger Bereich der gedruckten flexiblen Elektronik sind medizinische Elektroden, für die es zahlreiche Anwendungen gibt.
Elektronische Hautpflaster für die kontinuierliche Überwachung des Gesundheitszustands sind sehr gefragt, da wir von der standardmäßigen Blutzuckermessung zur kontinuierlichen Überwachung des Blutzuckerspiegels und zu allen Arten der kontinuierlichen Überwachung der Vitalparameter, z. B. der Herzfrequenz, übergehen. Die kontinuierliche Überwachung der Vitalparameter ist bereits ein Multi-Milliarden-Dollar-Markt.
Der Druck kann hier wirklich eine Rolle spielen. Das Beispiel, das ich hier hervorheben möchte, ist die Entwicklung des Holst Center, das eine Komplettlösung entwickelt hat. Dabei handelt es sich um ein klinisches Einwegpflaster mit wiederverwendbarer Elektronik, mit einer Trockenelektrode usw. Die Trockenelektrode enthält eine gedruckte Metallisierung, mit der man EKG, Atmung und Temperatur messen kann.
Ein weiteres hervorgehobenes Beispiel (rechtes Bild unten) stammt von Screentec Oy. Hier kann man eine medizinische Elektrode mit integrierten SMTs auf der Oberseite sehen. Und das Bild unten rechts ist ein Beispiel für einen siebgedruckten Sensor, der Skelettmuskelaktivitäten erkennen kann.
Sie können auch ein Beispiel von Jabil sehen, einem der größten Auftragshersteller weltweit. Hier kann die eigentliche Messelektronik mit Ag/AgCl-Elektroden auf der Rückseite der Leiterplatte gedruckt werden. Der Druck ermöglicht mehr Freiheit bei der Platzierung der Elektroden.
Medizinische Elektroden: R2R-Volumensiebdruck
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Das Drucken medizinischer Elektronik ist in der Tat bereits ein großes Geschäft. Das folgende Beispiel stammt von Mekprint (Dänemark). Das Beispiel rechts unten ist eine R2R-Siebdruck-EKG-Elektrode. Von dieser Anwendung werden mehr als hundert Millionen Stück pro Jahr verkauft.
Ein weiteres hervorgehobenes Beispiel auf der linken Seite unten ist ein Inkontinenzsensor. Auch er ist im R2R-Siebdruckverfahren hergestellt. Interessanterweise sind hier die leitfähigen Kabelleitungen tatsächlich mit R2R auf ein dehnbares Vliesmaterial gedruckt. Auch dies ist eine kommerzielle Anwendung. Auch hier ist der gedruckte Sensor Teil einer Gesamtlösung, die auch die starre Elektronik, die Kommunikation und so weiter und so fort umfasst.
Generell spielt die gedruckte Elektronik eine große Rolle bei elektronischen Hautpflastern, medizinischen Elektroden und ähnlichen Bereichen. Sie ist bereits eine Erfolgsgeschichte.
Dehnbare, leitfähige Tinten für E-Textilien
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Die Überschneidung zwischen elektronischen Textilien und gedruckter Elektronik besteht häufig im Druck der Verbindungen oder der Dehnungssensoren.
In den ersten Tagen, vielleicht vor vier oder fünf Jahren, brachten die Unternehmen die erste Generation leitfähiger dehnbarer Tinten auf den Markt. Seitdem hat es große Fortschritte bei der Verbesserung der Leistung dieser Tinten gegeben.
Heute bieten die Unternehmen nicht nur dehnbare, leitfähige Tinten an, sondern die gesamte Palette der dehnbaren Tinten, die zur Herstellung elektronischer Textilien benötigt werden. Dazu gehören dehnbare Silbertinten, Kohlenstofftinten, dielektrische Tinte, leitfähiger Klebstoff und so weiter.
Das in diesem Newsletter hervorgehobene Beispiel stammt von Nagase. Hier kann die Silbertinte um 100 Prozent gedehnt werden. Der Chat in der Mitte zeigt die Eigenschaften des dehnbaren, leitfähigen Klebstoffs, der mit sehr geringer Hysterese um bis zu 30 Prozent gedehnt werden kann. Der Klebstoff kann bei 180 °C ausgehärtet werden.
Das Diagramm unten rechts zeigt, dass ein voller Stapel erforderlich ist, um die Waschbarkeit zu verbessern. Hier ist der Widerstand einer Linie aus gedrucktem Ag allein geringer, aber die gestapelte Version (Silber + Kohlenstoff + Dielektrikum) bietet mehr Waschbarkeit. Hier zeigt die gestapelte Version nach 100 Waschzyklen nur geringe Leistungsveränderungen - ein wichtiger Meilenstein für E-Textilien.
Anfang September findet im Rahmen der TechBlick-Reihe eine ganze Konferenz zu Hautpflastern, E-Textilien und dehnbarer Elektronik statt. Wir werden Ihnen alle wichtigen Endverbraucher, Hersteller und Materialinnovatoren vorstellen. Wenn Sie sich für eine Jahreskarte anmelden, haben Sie auch Zugang zu diesen kommenden Veranstaltungen.
Tagesordnung der Konferenz
[This is automatically translated from English]
