Инновации в трансферном формовании для гибкой и носимой электроники

Изучение эволюции формования передачи в гибкой и носимой электронике

Распространение носимых технологий - от умных часов и фитнес-трекеров до медицинских патчей и умного текстиля - создало огромный спрос на электронные компоненты, которые одновременно малы, долговечны и гибки. Эти устройства должны выдерживать постоянное движение, воздействие влаги и пота и физические нагрузки повседневного использования. Трансферное формование, зрелая технология упаковки с происхождением в полупроводниковой промышленности, стало основной технологией обеспечения возможности для этого нового класса электроники. Путем инкапсулирования чувствительных компонентов в специализированных полимерах, трансферное формование обеспечивает механическую прочность и защиту окружающей среды, требуемую при обеспечении ультратонких и гибких форм-факторов, которые требуют потребители. Последние инновации в материалах, управлении процессом и автоматизации раздвигают границы того, что возможно, позволяя новые приложения в потребительском, медицинском и промышленном секторах.

Основы трансферного формования для современной микроэлектроники

Чтобы оценить последние инновации в этой области, он помогает кратко пересмотреть, как функция литья под давлением в процессе производства электроники. В отличие от литья под давлением, где материал плавится и вводится непосредственно в полость плесени, литье под давлением использует плунжер для перемещения предварительно измеренного количества неотвержденного материала - обычно термореактивного полимера - из передаточного горшка в закрытую полость плесени. Материал течет через бегуны и ворота до достижения полостей компонентов. Этот метод предлагает явные преимущества для упаковки электроники. Он создает меньшую нагрузку на сдвига на деликатные компоненты, вмещает несколько полостей для производства большого объема и обрабатывает широкий спектр высокопроизводительных термореактивных материалов, которые обеспечивают превосходные барьерные свойства против влаги и химических веществ.

Для носимой и гибкой электроники ставки еще выше. Формовочное соединение должно не только защищать электронику, но и соответствовать механическому соответствию окружающей ткани или гибкой подложки. Традиционные жесткие эпоксидные формовочные соединения (ЭМС), используемые в стандартной упаковке ИС, часто слишком хрупки. Эта несовместимость привела к волне инноваций как в материаловедении, так и в формовочном оборудовании, что привело к специализированным процессам, оптимизированным для тонких, гибких и растягиваемых устройств.

Достижения в области материальных технологий

Наиболее значительные инновации в литье под давлением для носимых устройств были сделаны в результате разработки новых составов материалов. Эти передовые полимеры разработаны для преодоления разрыва между прочной инкапсуляционной производительностью и механической гибкостью, необходимой для ориентированных на человека устройств.

Высокопроизводительные силиконовые эластомеры

Жидкая силиконовая резина (LSR) стала материалом выбора для многих носимых приложений. Силикон предлагает исключительную биосовместимость, что делает его пригодным для прямого контакта с кожей и даже для краткосрочных медицинских имплантатов. Он сохраняет свою гибкость в чрезвычайно широком температурном диапазоне (от 50 до 200°C) и обеспечивает отличную устойчивость к ультрафиолетовому (УФ) свету и озону. Последние составы улучшили прочность на разрыв и адгезионные свойства LSR, позволяя им надежно связываться с гибкими подложками при сохранении мягкого, удобного ощущения. Эти материалы в настоящее время используются для инкапсуляции гибких печатных схем и сенсорных массивов в медицинских носимых устройствах, обеспечивая постоянную производительность даже тогда, когда устройство согнуто или скручено тысячи раз. Разработчики продолжают исследовать новые силиконовые химические составы , чтобы сбалансировать оптическую ясность для датчиков на основе света с высокой теплопроводностью для чипов управления мощностью.

Термопластические полиуретаны (ТПУ) для динамической гибкости

В то время как силиконы превосходят по биосовместимости, термопластичные полиуретаны (TPU) предлагают исключительную устойчивость к истиранию, прочность и эластичность. В отличие от термореактивных, TPU могут быть переплавлены и переработаны, открывая возможности для более устойчивых производственных циклов. В трансферном формовании TPU используются для создания растягиваемых межсоединений и мягких корпусов для носимых устройств. Новые марки TPU были разработаны специально для переформовки электронных компонентов, обеспечивая высокую прочность связи с металлами и пластмассами без необходимости в праймерах. Эти материалы могут растягиваться до более чем 500% от их первоначальной длины при сохранении электрической изоляции для встроенных схем. Это делает их идеальными для умного текстиля и одежды, которые должны подвергаться строгой стирке и механическому напряжению.

Жидкие кристаллические полимеры (LCP) и высокотемпературные пластмассы

Для носимых устройств, требующих высоких скоростей передачи данных, таких как очки дополненной реальности (AR) или передовые гарнитуры связи, важна целостность сигнала. Жидкие кристаллические полимеры (LCP) обеспечивают низкие диэлектрические потери и отличную влагостойкость, что делает их превосходным материалом для высокочастотной инкапсуляции антенн. Трансферное формование с LCP требует точного контроля температуры формы и скорости впрыска, но полученные пакеты исключительно стабильны и могут выдерживать высокие температуры процессов пайки без свинца, необходимых для сборки. Это позволяет производителям создавать высокоинтегрированные модули, которые объединяют жесткие и гибкие компоненты в едином надежном пакете.

Точные методы формования для миниатюризации

По мере того, как носимые устройства становятся меньше и сложнее, способность формировать с точностью до микрона стала необходимой. Инновации в разработке инструментов и машин позволяют производить все более сложные компоненты.

Микротрансферное формование (μ-TM)

Микротрансферное формование специально разработано для инкапсуляции компонентов, которые измеряют всего несколько сотен микрометров в поперечнике. Этот метод использует высокоточную оснастку с функциями вакуумного помощника, чтобы гарантировать, что формовочное соединение полностью заполняет полости микромасштаба без образования пустот. Для медицинских датчиков и микро-LED-дисплеев этот уровень точности защищает чувствительные структуры при сохранении низкого общего профиля. Ведущие производители оборудования разработали специальные прессы для микроформования, которые обеспечивают чрезвычайно низкие силы зажима и точные размеры выстрела, необходимые для обработки этих деликатных компонентов без повреждений. Достижения в технологии сервоэлектрического привода еще больше улучшили повторяемость этих процессов.

Многоматериальная и последовательная формовка

Многие современные носимые устройства требуют сочетания жестких опорных секций и гибких шарнирных областей. Последовательное или многослойное формование позволяет производителям комбинировать жесткие и мягкие материалы в пределах одного компонента. Например, корпус слухового аппарата может быть формован с жестким ядром для электроники и мягким силиконовым наружным слоем медицинского класса для комфорта. Это устраняет вторичные этапы сборки, снижает количество деталей и повышает надежность устройства, создавая бесшовную механическую связь между различными материалами. Ключевой задачей является управление термической и химической совместимостью между различными полимерами для обеспечения надежного интерфейса.

Автоматизация и расширенный контроль процессов

Последовательность имеет первостепенное значение в производстве больших объемов. Последнее поколение систем формования для передачи использует принципы Индустрии 4.0 для достижения почти нулевых показателей дефектов, что имеет решающее значение для медицинских и носимых устройств, связанных с безопасностью.

Мониторинг в реальном времени и контроль замкнутого цикла

Современные машины для формования передач оснащены сетью датчиков, которые контролируют температуру, давление и кинетику потока материала в режиме реального времени. Эти системы используют обратную связь замкнутого цикла для микрорегулировки во время цикла формования. Если машина обнаруживает небольшое изменение вязкости материала, она может регулировать скорость впрыска или удерживать давление на лету для поддержания последовательного заполнения полости. Этот уровень управления необходим для тонкостенных деталей, где запас погрешности измеряется в микрометрах. Данные в режиме реального времени также позволяют прогнозировать обслуживание, уменьшая незапланированное простои.

Машинное обучение для оптимизации процессов

Сложность поведения термореактивных материалов делает настройку процесса сложной задачей. Компании в настоящее время применяют алгоритмы машинного обучения к историческим производственным данным для прогнозирования оптимальных параметров процесса для новых форм и материалов. Эти системы на основе ИИ могут анализировать тысячи потенциальных комбинаций параметров - температурные профили, скорости передачи, время обработки - и рекомендовать настройки, наиболее вероятные для производства высококачественных деталей. Это значительно сокращает время, необходимое для разработки процесса, и является мощным инструментом для эффективного производства носимых продуктов низкого и среднего объема. Арбург и другие машиностроители активно интегрируют эти возможности в свои производственные системы.

Интеграция устройств и формование System-in-Package (SiP)

Одной из наиболее интересных областей инноваций является использование передаточного формования для создания полных модулей System-in-Package (SiP) для носимых устройств. Вместо того, чтобы инкапсулировать отдельные компоненты отдельно, производители встраивают целые подсистемы, включая датчики, микроконтроллеры, ИС управления питанием и пассивные компоненты, в единый формованный пакет.

Встроенный компонент формования

Этот процесс начинается с размещения компонентов на временной несущей или непосредственно на гибкой подложке. Процесс переливного формования затем инкапсулирует все компоненты одновременно, образуя твердую защитную упаковку. Для гибких устройств подложка и инкапсуляционный материал предназначены для сгибания, создавая истинную «гибкую SiP». Этот подход резко уменьшает общий размер и вес устройства при одновременном повышении надежности за счет устранения многих припоевых соединений и разъемов, которые являются общими точками отказа в собранной электронике.

Упаковка на уровне вентилятора (FOWLP) для носимых устройств

Упаковка на уровне вентилятора (FOWLP) широко применяется в мобильных устройствах и в настоящее время адаптируется для носимых приложений. В FOWLP штампы встраиваются в соединение формы, а межсоединения перераспределяются на большую площадь. Это создает очень тонкий, высокоинтегрированный пакет с отличными тепловыми и электрическими характеристиками. Трансферное формование является ключевым процессом, используемым для создания реконструированной пластины. Используя методы компрессионного формования, адаптированные для панелей большой площади, производители могут достичь чрезвычайно жестких допусков и высокой пропускной способности, что делает экономически эффективным упаковку сложных многочиповых систем, найденных в современных носимых устройствах.

Новые приложения, ведущие инновации

Инновации в области трансфертных формовочных материалов и технологий непосредственно позволяют создавать новое поколение коммерческих и медицинских изделий.

Медицинские носимые и имплантируемые устройства

Непрерывные глюкозомониторы (ХГМ) и сердечные пластыри представляют собой передний край медицинских носимых устройств. Эти устройства носят непрерывно в течение нескольких дней или недель, требуя корпусов, которые являются небольшими, удобными и устойчивыми к жидкостям организма. Трансферное формование с биосовместимыми силиконами и специализированными ТПУ позволяет производить эти устройства в масштабе с необходимой герметичной герметизацией. Исследователи также изучают использование имплантируемых электронных устройств для нейронной записи и стимуляции, которые полагаются на аналогичные методы формования для долгосрочной надежности внутри тела.

Умный текстиль и E-текстиль

Интеграция электроники в ткани представляет собой уникальный набор проблем. Электроника должна быть в состоянии выжить в стиральной машине. Трансферное формование используется для создания прочных, водонепроницаемых «стручков», которые интегрированы в одежду. Эти стручки инкапсулируют блоки управления и источники питания, в то время как сама ткань содержит проводящие нити и гибкие межсоединения. Процесс формования должен быть адаптирован для надежной связи с тканью без чрезмерного ее закаливания. Новые методы трансферного формования под низким давлением идеально подходят для этого, позволяя материалу течь вокруг волокон, не повреждая структуру ткани.

Промышленный IoT и жесткие датчики окружающей среды

Носимые датчики также проникают в промышленные установки, где они контролируют безопасность работников и производительность оборудования. Эти устройства должны выдерживать экстремальные температуры, химическое воздействие и физический шок. Трансферное формование с высокопроизводительными термопластиками и керамически заполненными эпоксидами обеспечивает необходимый уровень защиты. Инновации в конструкции формы позволяют интегрировать металлические вставки для надежных разъемов и точек крепления, гарантируя, что эти промышленные носимые устройства могут выдержать годы интенсивного использования.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на быстрый прогресс, отрасль по-прежнему сталкивается с серьезными проблемами. Стремление к созданию более компактных и гибких устройств продолжает испытывать пределы существующих материалов и механизмов.

Уравновешивание гибкости с защитой окружающей среды

Один из фундаментальных компромиссов заключается в материаловедении: полимер, который является очень гибким, часто более проницаем для влаги и газов, чем жесткий. Это представляет собой проблему для инкапсулирующих компонентов, чувствительных к коррозии. Исследователи активно разрабатывают новые молекулярные структуры и нанокомпозитные наполнители для создания материалов, которые являются гибкими и непроницаемыми. Инновации в барьерных покрытиях, применяемых после формования, такие как атомное осаждение слоя (ALD), изучаются в качестве дополнительного решения для достижения необходимой устойчивости к окружающей среде без ущерба для гибкости.

Устойчивость и рециркуляции

Распространение носимой электроники способствует растущей проблеме электронных отходов. Многие высокопроизводительные термореактивные материалы, используемые в литье под давлением, не могут быть легко переработаны. Это вызвало интерес к разработке перерабатываемых и биоразлагаемых полимеров для инкапсуляции. Однако эти материалы часто не имеют барьерных свойств и долгосрочной стабильности, необходимых для многих применений. Поиск правильного баланса между производительностью и устойчивостью будет ключевым фактором инноваций в течение следующего десятилетия. Ожидается, что продолжающиеся исследования в области экологически чистых стратегий инкапсуляции приведут к появлению новых материалов, которые могут быть химически разбиты или механически разделены без ущерба для функциональности устройства.

Заключение

Трансфертное формование превратилось из стандартного процесса полупроводниковой упаковки в высокоспециализированную технологию производства, которая необходима для носимой электронной промышленности. Достижения в силиконовых и термопластичных эластомерах обеспечивают гибкость и биосовместимость, необходимые для кожных контактных и имплантируемых устройств. Точные методы микроформования позволяют миниатюризировать необходимые для гладких потребительских продуктов, в то время как автоматизация Индустрии 4.0 обеспечивает надежность и экономическую эффективность, необходимые для массового производства. Поскольку ученые-материаловеды и инженеры-производители продолжают раздвигать границы того, что может быть достигнуто, трансфертное формование останется основной технологией для следующей волны гибких высокопроизводительных электронных устройств, которые плавно интегрируются в нашу жизнь. Постоянный акцент на устойчивость и производительность материалов обеспечит, чтобы технология продолжала адаптироваться к меняющимся потребностям как отрасли, так и окружающей среды.