Componenti passivi serigrafati per elettronica di potenza flessibile

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 15959 (2015) Citare questo articolo

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I processi di stampa additivi e a bassa temperatura consentono l’integrazione di diversi dispositivi elettronici, sia alimentatori che consumanti, su substrati flessibili a basso costo. La produzione di un sistema elettronico completo da questi dispositivi, tuttavia, spesso richiede che l'elettronica di potenza esegua la conversione tra le varie tensioni operative dei dispositivi. I componenti passivi (induttori, condensatori e resistori) svolgono funzioni come il filtraggio, l'accumulo di energia a breve termine e la misurazione della tensione, che sono vitali nell'elettronica di potenza e in molte altre applicazioni. In questo articolo presentiamo induttori, condensatori, resistori e un circuito RLC serigrafati su substrati di plastica flessibili e riportiamo il processo di progettazione per ridurre al minimo la resistenza in serie di induttori che ne consente l'uso nell'elettronica di potenza. Induttori e resistori stampati vengono quindi incorporati in un circuito regolatore di tensione step-up. Vengono fabbricati diodi organici a emissione di luce e una batteria flessibile agli ioni di litio e il regolatore di tensione viene utilizzato per alimentare i diodi dalla batteria, dimostrando il potenziale dei componenti passivi stampati per sostituire i componenti convenzionali a montaggio superficiale in un'applicazione di convertitore CC-CC.

Gli ultimi anni hanno visto lo sviluppo di un'ampia varietà di dispositivi flessibili per applicazioni nell'elettronica indossabile e di grandi dimensioni e nell'Internet delle cose1,2. Questi includono dispositivi di raccolta dell'energia come il fotovoltaico3, il piezoelettrico4 e il termoelettrico5; dispositivi di accumulo dell'energia come batterie6,7; e dispositivi che consumano energia come sensori8,9,10,11,12 e sorgenti luminose13. Sebbene siano stati compiuti molti progressi sulle singole fonti di energia e sui carichi, la combinazione di questi componenti insieme in un sistema elettronico completo richiede in genere anche che l'elettronica di potenza superi qualsiasi discrepanza tra il comportamento della fonte e i requisiti dei carichi. Ad esempio, le batterie producono una tensione variabile a seconda del loro stato di carica. Se un carico richiede una tensione costante o una tensione superiore a quella che la batteria può produrre, è necessaria l'elettronica di potenza. L'elettronica di potenza utilizza componenti attivi, transistor, per eseguire funzioni di commutazione e controllo, nonché componenti passivi: induttori, condensatori e resistori. In un circuito regolatore di tensione di commutazione, ad esempio, vengono impiegati induttori per immagazzinare energia durante ogni ciclo di commutazione, condensatori vengono utilizzati per ridurre l'ondulazione di tensione e la misurazione della tensione richiesta per il controllo del feedback viene eseguita utilizzando un partitore di resistenza.

L'elettronica di potenza adeguata alle esigenze dei dispositivi indossabili come il pulsossimetro9, che richiede pochi volt e pochi milliampere, funziona tipicamente a frequenze nell'intervallo da centinaia di kHz a pochi MHz e richiede induttanza e capacità di diversi μH e diversi μF, rispettivamente14. L'approccio convenzionale per la produzione di questi circuiti consiste nel saldare componenti discreti su un circuito stampato rigido (PCB). Mentre i componenti attivi di un circuito elettronico di potenza sono spesso combinati in un singolo circuito integrato (IC) in silicio, i componenti passivi sono solitamente esterni, sia per consentire la personalizzazione del circuito sia perché i valori di induttanza e capacità richiesti sono troppo grandi per essere raggiunti. nel silicio.

La fabbricazione di dispositivi e circuiti elettronici mediante processi di stampa additiva offre una serie di vantaggi in termini di semplicità e costi rispetto alle tradizionali tecniche di produzione basate su PCB. Innanzitutto, poiché molti componenti di un circuito richiedono gli stessi materiali, come il metallo per contatti e interconnessioni, la stampa consente di fabbricare più componenti contemporaneamente, con relativamente poche fasi di lavorazione e poche fonti di materiali15. La sostituzione dei processi sottrattivi come la fotolitografia e l'incisione con processi additivi riduce ulteriormente la complessità del processo e lo spreco di materiali16,17,18,19. Inoltre, le basse temperature utilizzate nella stampa sono compatibili con substrati plastici flessibili ed economici, consentendo di coprire ampie aree con componenti elettronici utilizzando processi di produzione roll-to-roll ad alta velocità16,20. Per le applicazioni che non possono essere completamente realizzate utilizzando componenti stampati, sono stati sviluppati approcci ibridi in cui i componenti della tecnologia a montaggio superficiale (SMT) sono fissati a bassa temperatura su substrati flessibili insieme ai componenti stampati21,22,23. In tali approcci ibridi, è ancora auspicabile sostituire il maggior numero possibile di componenti SMT con le loro controparti stampate per sfruttare i vantaggi dei processi additivi e migliorare la flessibilità complessiva del circuito. Per ottenere un'elettronica di potenza flessibile, proponiamo una combinazione di componenti attivi SMT e componenti passivi serigrafati, con particolare enfasi sulla sostituzione degli ingombranti induttori SMT con induttori a spirale planari. Tra le varie tecnologie per la fabbricazione di componenti elettronici stampati, la serigrafia è particolarmente adatta per componenti passivi a causa del suo ampio spessore del film (necessario per ridurre al minimo la resistenza in serie degli elementi metallici) e della sua elevata velocità di stampa, anche quando si coprono aree su scala centimetrica con materiale24.