Tecnología

Electrónica en molde: oportunidades de innovación en diseño, materiales y procesos

La electrónica en molde (IME) promete permitir la producción de alto volumen de electrónica estructural en la que el circuito electrónico y la funcionalidad son parte de la estructura en forma de 3D. Esto ahorrará peso y espacio y permitirá nuevos diseños.

IME no es exactamente un nuevo proceso o tecnología. De hecho, en muchos sentidos, es una evolución del IMD bien establecido, o en la decoración de moldes, en el que el moldeado (u otras formas de formación 3D) se combinan con la impresión gráfica. Sin embargo, la transición de IMD a IME no es directa, especialmente a escala comercial. De hecho, esto explica parcialmente por qué IME tardó tanto tiempo en obtener un éxito comercial duradero a pesar de todos los esfuerzos y los falsos comienzos.

Sin embargo, esto está cambiando. De hecho, ya hay productos IME de bajo volumen en el mercado y la transición hacia una aplicación de mayor volumen no está lejos. El informe, "In-Mold Electronics 2019-2029: Technology, Market Forecasts, Players, determina que el mercado superará los 250 millones de dólares para 2024. Este informe proporciona una evaluación detallada de los materiales, procesos, productos y prototipos, aplicaciones y mercados para IME. y múltiples tecnologías rivales tales como dispositivos de interconexión moldeados (MID) o deposición de aerosol. Además, este informe proporciona pronósticos de mercado de diez años segmentados por la aplicación y visiones generales de las compañías clave en esta cadena de valor emergente.

Este artículo se basa en el informe mencionado anteriormente para delinear las tendencias de innovación clave que sustentan la comercialización de IME. Aquí, consideraremos las tendencias en materiales, procesos y diseño. Esto le dará al lector una mejor visión de esta prometedora tecnología.

Todo debe cambiar para posibilitar la comercialización de IME. Se deben desarrollar nuevos materiales que puedan sobrevivir a nuevos requisitos como el estiramiento y la formación 3D; se deben desarrollar nuevos procesos para combinar la impresión 2D, la conformación 3D y la colocación de componentes rígidos, y se deben desarrollar nuevos procedimientos de diseño y conceptos de productos basados ​​en las características de los materiales y procesos, así como las necesidades del mercado. Este extenso cambio en muchos niveles ha prolongado los plazos de salida al mercado.

Tendencias en materiales
Los materiales funcionales en IME deben soportar nuevos requisitos. Deben sobrevivir a un evento de estiramiento significativo único ya que la hoja impresa en 2D se forma en un objeto 3D. Esto es mucho más difícil de lograr para las tintas funcionales (frente a las meras gráficas) ya que la elongación puede interrumpir la función, por ejemplo, romper el camino de conducción en tintas conductoras.

No hay un solo grado de estiramiento requerido, sin embargo, en general, se desean niveles más altos de estirabilidad. Como regla general, el alargamiento del 20% es un mínimo, mientras que en muchos casos se prefiere el 60% o más. Los proveedores ya buscan diferenciarse por la capacidad de estiramiento del material, ya que facilita el desarrollo del proceso y otorga más libertad de diseño.

Los materiales funcionales también deben ser fiables en condiciones de campo difíciles. Esto es crítico particularmente en aplicaciones de automoción y similares. Este aspecto, sorprendentemente, fue a menudo descuidado en los primeros días. De hecho, fallas y retirada de productos IME famosos han sido causados ​​por falta de fiabilidad. Las propiedades de los materiales utilizados a menudo pueden cambiar significativamente durante pruebas de alta humedad y alta temperatura. Este cambio debe tenerse en cuenta en el diseño del producto.

IME no se compone de una sola capa de materiales. De hecho, será necesario imprimir una pila de materiales para lograr el efecto requerido. Esta pila puede incluir tintas gráficas, tintas conductivas, dieléctricos, tintas conductivas transparentes, recubrimientos de carbono, etc.

Hasta ahora, el material funcional más estudiado ha sido la tinta conductora. Hoy en día, hay varios proveedores en todo el mundo que ofrecen tintas conductoras para IME. Esta atención se justifica porque las tintas conductoras llenas de metal (casi siempre plateadas) representan el material más caro y de mayor valor en la pila y porque son las más sensibles a los cambios en la conducción, por ejemplo, el alargamiento.

Otros materiales también son críticos en el proceso. En particular, los adhesivos conductores imprimibles a baja temperatura que también muestran cierta capacidad de estiramiento, están actualmente sujetos a mayores ofertas de productos. En general, todos los materiales funcionales también deben ser compatibles entre sí. Esta compatibilidad es fundamental, especialmente durante el proceso de conformado y tiene un impacto significativo en las propiedades finales. De hecho, incluso las secuencias en las que se depositan los materiales pueden tener un impacto. Este es un desafío de desarrollo, pero también una oportunidad para desarrollar y vender carteras de material IME completas.

El sustrato también representa una oportunidad de desarrollo y suministro. Hasta ahora, la mayoría ha utilizado un sustrato de policarbonato debido a su buena conformabilidad, sin embargo, ahora otros están desarrollando alternativas como los PET especiales. Este es un area donde detenerse a observar. El material de moldeo también será importante, especialmente si se puede desarrollar un material nuevo para relajar las condiciones de moldeo. Esto facilitaría los requisitos de rendimiento para todos los demás materiales en el proceso.

Procesos de tendencias y retos.
El proceso es crítico. No es sencillo. Implica la impresión y el secado / curado de múltiples materiales funcionales y gráficos en un sustrato moldeable 2D como PC. Luego se trata de convertir la hoja 2D en la forma 3D mediante moldeo térmico o al vacío a temperaturas elevadas. El sobremoldeo también debe tener lugar a altas temperaturas. En muchos casos, puede ser tentador recortar esquinas para simplificar el proceso de producción en masa, pero la experiencia pasada sugiere que esto conlleva riesgos significativos.

La cuestión de recoger y colocar componentes rígidos también es un desafío. Si el pick-and-place tiene lugar después de la formación, entonces la máquina pick-and-place debe poder manejar la colocación en un espacio 3D. Esto requerirá herramientas especializadas de pick-and-place, así como herramientas de dispensación de adhesivo, y casi seguramente ralentizará el proceso. El pick-and-place también podría tener lugar en una hoja 2D antes de la formación. Sin embargo, esto requeriría adhesivos especiales, así como un diseño cuidadoso del producto y del proceso para garantizar que los componentes rígidos permanezcan unidos después de todos los pasos de conformado.

En general, el desarrollo del proceso es complejo. Requiere un conocimiento profundo de los materiales, así como todos los pasos del proceso. La cuestión del rendimiento es un desafío persistente y particular. Esto se debe a que los defectos no se pueden reparar ya que los componentes electrónicos están embebidos o estructuralmente integrados. Como tales, los defectos son caros, ya que desperdician los dispositivos completamente formados. En general, hay una curva de aprendizaje elevada para recorrer. Esto ha creado la necesidad de centros o entidades con conocimientos y experiencia acumulados para reducir el tiempo de desarrollo y las barreras técnicas de entrada. También ha significado que muchos conmutadores de membrana tradicionales u otras impresoras funcionales con poco apetito de riesgo y / o flujos de efectivo ajustados hayan tenido que esperar a que la industria madure aún más antes de invertir para evolucionar su negocio hacia IME. Esta evolución será cada vez más inevitable y se acelerará a medida que el IME alcance un mayor nivel de madurez técnica y quizás modularidad.


Tendencias de diseño y retos.
El diseño de los productos IME tampoco es sencillo. Esto se debe a que requiere un conocimiento profundo de las características del material y del proceso. Todavía no es un proceso simplificado, que carece de paquetes de software establecidos con bibliotecas funcionales / de componentes de puesta y colocación. Esto está en marcado contraste con los procesos de diseño encontrados, por ejemplo, en PCB estándar. Los requisitos del mercado tampoco son claros, bien establecidos o convergentes todavía. Esto se debe a que, a pesar de los años de desarrollo, la industria aún se encuentra en una fase exploratoria en la que está desarrollando numerosos prototipos y ejecutando procesos de calificación. Los productos y prototipos aún se fabrican principalmente a medida sin diseño estándar.

Todo esto complica el proceso de desarrollo del producto, prolonga el tiempo de comercialización y crea barreras de entrada para los usuarios, así como para los posibles productores. Sin embargo, la industria está respondiendo ahora y algunas empresas se están posicionando para satisfacer exactamente esta necesidad, lo que ayuda a acelerar la comercialización general.

Los temas brevemente discutidos en este artículo ciertamente han prolongado el tiempo de comercialización. De hecho, el IME, a pesar de su apariencia de simplicidad en el papel, es un esfuerzo complejo que requiere cambios drásticos en los materiales, procesos, diseños y conceptos de productos. Sin embargo, la industria ha recorrido un largo camino en términos de aprendizaje acumulado y oferta de productos. Los productos de bajo volumen ya están en el mercado y las aplicaciones de gran volumen no están demasiado lejos de la calificación final. De hecho, prevemos que este mercado excederá los 1000 millones de dólares en la próxima década.

Autor: Dr. Khasha Ghaffarzadeh, Director de Investigación, IDTechEx

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