Sempre più diffusa, ha dato vita a componenti e circuiti elettronici un tempo irrealizzabili, in ambiti come il medicale e l’automotive, nonché a sensori e attuatori innovativi.
Uno dei settori più giovani e suggestivi dell’Elettronica è quello che riguarda i dispositivi indossabili (wearable) e in particolare quelli stampati; ciò riguarda trasversalmente i dispositivi e i PCB, tra le cui applicazioni la wearable electronics è probabilmente quella più rilevante, sebbene non si possa tralasciare la sensoristica, compresa quella degli automezzi.
Nel complesso, questo genere di tecnologie elettroniche ha assunto notevole rilevanza, non a caso a Monaco si tiene annualmente LOPEC, un evento fieristico dedicato e molto interessante da visitare.
Flessibile e stampata
Per elettronica flessibile s’intende il complesso di dispositivi e schede elettroniche realizzati in modo da potersi deformare e spesso per essere applicati al corpo umano; i supporti possono essere i comuni polietilene e PTFE, kevlar, ma anche tessuti.
Esempi di elettronica flessibile sono i display OLED deformabili, oltre che sensori elastici come i MAP del circuito di aspirazione dei motori a combustione interna e speciali estensimetri stampati. In tale contesto rientrano a pieno titolo i flex-PCB, composti, oltre che dal supporto deformabile, da conduttori in rame, alluminio, carbonio e inchiostro con particelle d’argento.
Ci sono poi dispositivi e circuiti che vengono ottenuti per stampa additiva o sottrattiva, mediante tecniche collaudate coma la serigrafia, la fotolitografia, l’incisione a laser ed anche la stampa a getto; tali dispositivi possono avere come supporto polietilene o carta, per implementare sensori, antenne e anche trasduttori bidirezionali come quelli ottenibili deponendo materiale piezoelettrico su un foglio di plastica sottile. A titolo d’esempio la Figura 1 propone un PCB le cui piste sono stampate con inchiostro conduttivo.
Qui si entra nel contesto dell’elettronica stampata, ossia l’insieme delle tecnologie che permettono di realizzare dispositivi e layout di piste per circuiti stampati attraverso lo stampaggio, ovvero la deposizione di materiale conduttivo in luogo della fotolitografia, ricorrendo a tecniche come la stampa ink-jet a inchiostri conduttivi e la serigrafia.
Ciò consente di creare layout conduttivi e anche veri e propri circuiti stampati ospitanti componenti elettronici, su supporti di ogni genere (anche flessibili) a freddo e senza le implicazioni dell’attacco acido che caratterizza l’incisione dei circuiti stampati rigidi o flessibili; i supporti possono essere materie plastiche in fogli e lamine come poliestere, polietilene, acetato, ma anche carta e stoffe.
Con l’elettronica stampata si realizzano sia tracce di circuiti, sia bobine come ad esempio quelle dei dispositivi NFC e antitaccheggio (Figura 2) ma anche sensori di pressione resistivi, touch capacitivi e resistenze, contatti resistivi, switch tipo quelli dei sensori di occupazione dei sedili per il sistema Airbag degli autoveicoli, contatti capacitivi touch.
I comuni sensori di presenza passeggero sono formati da contatti elettrici stampati su due membrane in plastica affacciate l’una all’altra e incrociati come in Figura 3: le membrane sono separate da un foglio isolatore forato in corrispondenza dei contatti dell’una e dell’altra, che normalmente sono distanti, ma che si toccano quando compressi dal passeggero.
Per la produzione di componenti elettronici stampati esistono varie opzioni in base al tipo di inchiostro, dell’idoneità del substrato e della velocità di produzione desiderata; in generale gli inchiostri conduttivi possono essere applicati tramite serigrafia, flessografia o rotocalcografia. Quest’ultima fornisce stampe di qualità elevata in tempi brevi, mentre il processo flessografico non sempre garantisce uniformità della produzione.
Dopo l’applicazione, il prodotto deposto deve essere essiccato o polimerizzato: l’essiccazione consiste nell’evaporazione del solvente, mentre la polimerizzazione consiste nella reticolazione della matrice di resina. Sono possibili diversi metodi di essiccazione e polimerizzazione, come l’esposizione all’aria, alla luce UV oppure l’essiccazione termica. L’essiccazione non deve essere troppo rapida, pena l’alterazione del livellamento delle particelle di pigmento funzionale, con conseguenti perdite di prestazioni elettriche e valori di resistenza più elevati, ma anche dell’adesione al substrato.
Stampa flessografica
La stampa flessografica (Flexographic Print) utilizza una lastra con una superficie in rilievo e inchiostri fluidi ad asciugatura rapida per stampare direttamente sul materiale di stampa. Le lastre sono realizzate in gomma o in materiale polimerico fotosensibile (fotopolimero) e vengono fissate a un tamburo su una macchina da stampa rotativa. Durante il processo la lastra striscia prima su un erogatore di inchiostro e poi ruotando entra in contatto con il substrato.
Gli inchiostri per stampa flessografica vengono utilizzati per prodotti elettronici in una varietà di mercati, come quello automobilistico, igienico e medico. Negli ultimi dieci anni, la stampa flessografica e rotocalco ha visto molti progressi nello sviluppo, nelle modifiche di processo e nella progettazione delle macchine da stampa. Queste tecniche hanno permesso di ottenere capacità di stampa ad alta velocità per componenti elettronici e circuiti stampati. Grazie alla lavorazione continua da bobina a bobina, le macchine flessografiche più recenti sono in grado di funzionare a velocità che non possono essere eguagliate dall’attuale stampa flatbed.
Stampa rotocalcografica
Anche detta Rotogravure, è un tipo di stampa calcografica che prevede l’incisione ad acido del pattern di stampa sulla superficie di un cilindro metallico, creando cavità nel cilindro, diversamente da quando avviene con la stampa a rilievo o tipografica, in cui l'immagine da stampare è in rilievo, o della stampa offset, in cui l’immagine è a livello della lastra. Il cilindro è inciso con celle di diversa profondità che trattengono l’inchiostro da trasferire al substrato per contatto; la profondità delle celle determina la densità della stampa: più le celle sono profonde, maggiore è la densità e viceversa.
Le celle vengono riempite di inchiostro e le parti lisce della lastra o del cilindro vengono private dell’inchiostro attraverso una racla. Il supporto su cui stampare viene quindi premuto contro il cilindro inchiostrato e l’immagine viene trasferita direttamente sul supporto, a differenza di quanto avviene con la stampa offset, che utilizza un cilindro intermedio. Il cilindro inciso è parzialmente immerso nel calamaio, dove raccoglie l’inchiostro per riempirne le celle a ogni rotazione della macchina.
Serigrafia
La più antica e collaudata tecnica adottata per l’elettronica stampata è la serigrafia; si tratta di una tecnologia di deposizione selettiva e consiste nella stesura di un materiale plasmabile mediante una spatola che lo preme su una tela in materiale naturale o sintetico, ma anche in maglia di fili di metallo, preventivamente trattata per diventare impermeabile in tutte le aree dove il materiale plasmabile non deve passare, ma libera di farsi permeare dove invece il materiale deve applicarsi al substrato da stampare. La serigrafia è la tecnica prediletta per l’applicazione delle paste saldanti nella lavorazione SMT per reflow soldering.
Il vantaggio della serigrafia è la possibilità di applicare strati spessi (5÷25 μm); il difetto è di essere più lenta rispetto a flessografia o rotocalcografia.
La Figura 4 mostra dei contatti serigrafati su un foglio di polietilene trasparente.
I materiali deposti per serigrafia sono paste contenenti polveri di metallo quale rame o argento, carbonio amalgamati con degli addensanti e adesivi che a contatto con il substrato si attaccano e solidificano per essiccazione o polimerizzano per l’azione della luce.
La serigrafia è adatta principalmente per supporti bagnabili come le pellicole in plastica, ma anche per alcuni tipi di carta impermeabilizzata, ovvero patinata. Una variante è la Polymer Thick Film o PTF: si tratta di una stampa serigrafica a bassa temperatura utilizzata per depositare inchiostri conduttivi, resistivi o dielettrici su substrati flessibili o rigidi come PET, Kapton, FR4. È una soluzione economica, ideale per elettronica stampata, sensori, tastiere a membrana e riscaldatori, in grado di polimerizzare a basse temperature, preservando i materiali sensibili.
Consente la deposizione di argento, rame, carbonio e a differenza dei film ceramici (che richiedono oltre 300°C) i PTF polimerizzano a temperature molto più basse, rendendoli compatibili con materie plastiche e materiali sensibili al calore. Nasce per circuiti flessibili, e-textiles, In-Mold Electronics (IME), e sensori biomedicali e consente di stampare circuiti elettronici, schermature EMC, interruttori a membrana, sensori automobilistici, touchscreen e resistori passivi.
La pasta depositata è a base di inchiostri (materiali conduttori, resistivi e dielettrici) solventi e cariche, che formano strati funzionali dopo la stampa e l’indurimento.
Il PTF offre un’ottima adesione su vari substrati e permette la realizzazione di componenti compatti e leggeri, migliorando la compatibilità elettromagnetica (EMC) in circuiti stampati. Recentemente sono stati sviluppati conduttori PTF saldabili compatibili con i profili di rifusione tradizionali.
La stampa serigrafica può essere implementata, oltre che per applicazione in piano, attraverso metodiche a rotativa, dove un tamburo inchiostrato scorre su un altro rivestito dalla tela serigrafica, ruotando contro la racla che distende l’inchiostro (Figura 5).
Stampa a getto
Si basa sulla proiezione di goccioline di inchiostro elettricamente conduttivo (a base di particelle metalliche) su substrati di varia natura. La stampa a getto di inchiostro conduttivo è ideale per supporti non bagnabili come ad esempio la carta, ma si impiega comunemente anche sulle pellicole in plastica come quelle di polietilene o acetato.
La deposizione avviene ad opera di macchine dotate di testine dotate di ugelli che espellono gocce di fluido conduttivo con particelle la cui dimensione è variabile in base al tipo di lavorazione richiesta; la minima grandezza delle gocce determina la risoluzione della stampa e, in ultima analisi, la minima dimensione dei particolati (piste e pad) stampabili.
Un materiale utilizzato per la stampa diretta a getto e il PEDOT-PSS poli(3,4-etilendiossitiofene):poli(stirenesolfonato): si tratta di un polimero avanzato, elettricamente conduttivo, appartenente a una famiglia di materiali chiamata polimeri a conduzione intrinseca, che conducono elettricità sebbene siano completamente organici e privi di metallo. È un elettrolito polimerico che incorpora PEDOT conduttore con cariche positive e PSS isolante con cariche negative. Per aumentare la conduttività dei film di PEDOT:PSS vengono utilizzati solventi polari come DMSO, glicole etilenico, cosolventi, ecc.
Il PEDOT:PSS è attualmente il miglior polimero conduttivo, è economicamente conveniente e stabile all’aria e all’umidità e lavorabile con mezzi convenzionali. È stato sviluppato e ampiamente utilizzato come alternativa agli elettrodi metallici convenzionali nell’elettronica flessibile.
Per decenni è stato utilizzato in rivestimenti elettrostatici, elettrodi organici, celle solari e diodi emettitori di luce. È stato applicato in dispositivi flessibili ed estensibili, come dispositivi indossabili e impiantabili, ecc., per combinare tessuti biologici morbidi ed estensibili (come la pelle) e dispositivi di ampia area (come display organici) e celle fotovoltaiche OPV) integrati.
Il PEDOT: PSS può essere utilizzato anche per la schermatura EMI e le sue formulazioni possono essere applicate utilizzando stampanti a getto d'inchiostro, stampanti serigrafiche, vernici a fustellatura, nonché altri strumenti di stampa e rivestimento, nonché un pennello.
Il PEDOT: PSS come elettrodo trasparente consente la stampa roll-to-roll di dispositivi OPV.
Il materiale può anche essere deposto per stampa elettroidrodinamica (EHD) per la fabbricazione rapida, economica e ad alta risoluzione di circuiti su film di alcol polivinilico (PVA).
Stampa sottrattiva
Una tecnologia sviluppata di recente per la realizzazione di piste e layout conduttivi nella printed electronics è quella nota come DPP (Dry Phase Print): sviluppata dalla DP Patterning è un’alternativa all’incisione chimica per la realizzazione di circuiti partendo da un substrato interamente rivestito da una pellicola metallica spessa da 9 a 30 micron. Si tratta di una lavorazione sottrattiva per substrati in film plastico, metallico o carta dello spessore di 36÷200 micron (0,036÷0,2 mm).
La Dry Phase Patterning (DPP) in vero non è propriamente una stampa, ma sostituisce la tradizionale incisione a umido (litografia ad attacco acido) con un metodo a secco, privo di sostanze chimiche. Modellando meccanicamente lo strato metallico anziché utilizzare sostanze chimiche, l'impatto ambientale del processo di produzione si riduce fino al 98%. Il passaggio dal costoso argento all'alluminio, un materiale molto più abbondante ed economico, riduce significativamente il costo del materiale. Una maggiore velocità di produzione e una più facile gestione dei prodotti finiti rendono il processo ancora più economico.
Nella DPP, un cliché stampa il layout su un materiale costituito da uno strato superiore conduttivo e un supporto inferiore dielettrico, quindi una fresa rimuove il materiale in eccesso lasciando intatto il supporto. Il cliché è un tamburo che riporta impresso il negativo del layout, cosicché le parti in rilievo spingono la superficie da lavorare contro la fresa, che è fissa (Figura 6).
DPP è un processo produttivo di componenti elettronici stampati flessibili e circuiti stampati che consiste nell’asportare il materiale metallico fino ad arrivare al substrato stesso, fornendo qualcosa come in Figura 7.
La tecnologia è adatta alla produzione di vari componenti elettronici, tra cui antenne per dispositivi IoT, packaging intelligente, sensori indossabili e applicazioni ad alta larghezza di banda come 5G/6G, radar e comunicazioni satellitari.
La DPP nasce nell’ambito del progetto R2R-HET (Roll-to-Roll Hybrid Printed Electronics Manufacturing) finalizzato all’integrazione del processo di stampa/patterning con l’assemblaggio di componenti elettronici sullo stesso substrato.
La tecnologia DPP consente di creare PCB e dispositivi flessibili per settori come l’automotive, l’elettronica di consumo, le comunicazioni, il medicale, l’aerospaziale e le soluzioni industriali.
Sensori stampati
La printed electronics mostra i suoi pregi anche nella costruzione di sensori per autoveicoli, un esempio dei quali è quello termico incorporato nei condotti di raffreddamento dei veicoli elettrici.
Il sensore in questione è stato sviluppato per Argomm Group dalla Inxsense. L’elemento sensibile è una serpentina di conduttore elettrico stampata mediante inchiostro conduttivo, la cui resistività e resistenza possono essere dosate con precisione durante la deposizione del materiale sul supporto, così come pure il coefficiente di temperatura; il tutto per meglio adattare le caratteristiche del trasduttore alle esigenze del progetto. Il sensore è un termistore integrato in un tubo/raccordo di plastica stampata e l’insieme è omologato per funzionare tra -40 e +80 °C.
L’elemento sensibile (in Figura 8) è un conduttore disposto a serpentina stampato su supporto plastico già curvato, al quale poi vengono applicate per termocompressione due elettrodi per la connessione elettrica.
Il sensore è stampato all’interno del supporto curvo (con una stampante 3D a 5 assi) perché se venisse stampato su supporto piano, la curvatura di quest’ultimo per adattarlo alla superficie del raccordo potrebbe provocare crepe sul materiale deposto, causando interruzioni o alterazioni della resistenza.
Altri esempi di sensori stampati sono i sensori MAP e BPS utilizzati nei motori sovralimentati per rilevare la massa d’aria nel collettore di aspirazione; il tipico MAP Hella è analogico ed è l’insieme di un trasduttore di pressione e un termistore NTC.
Il trasduttore di pressione è un Ponte di Wheatstone realizzato per serigrafia su una membrana elastica: un lato della membrana si trova esposto alla pressione atmosferica (tramite un forellino sul corpo del dispositivo) e l’altro alla depressione nel condotto di aspirazione. A riposo, la membrana è sottoposta alla pressione atmosferica e i resistori, che sono fatti di materiale piezoresistivo, assumono una certa resistenza; con il motore acceso, la pressione negativa agisce sulla membrana, modificandone la resistenza e alterando di conseguenza la tensione Vo di uscita del ponte. Il segnale generato dalla deformazione della membrana viene condizionato da un’elettronica interna.
...e attuatori
Per stampa è possibile realizzare trasduttori che convertono l’elettricità in vibrazione meccanica, quindi attuatori; un esempio è stato esposto all’ultima edizione di LOPEC ed è un altoparlante composto da uno strato di materiale piezoelettrico stampato su una pellicola di polietilene; opportunamente alimentato da un segnale audio, per via dell’ampia superficie il trasduttore suona.
