Пассивные компоненты с трафаретной печатью для гибкой силовой электроники

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 15959 (2015) Цитировать эту статью

14 тысяч доступов

82 цитаты

6 Альтметрика

Подробности о метриках

Аддитивные и низкотемпературные процессы печати позволяют интегрировать разнообразные электронные устройства, как энергетические, так и энергопотребляющие, на гибких подложках по низкой цене. Однако для создания полной электронной системы из этих устройств часто требуется силовая электроника для преобразования различных рабочих напряжений устройств. Пассивные компоненты — катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы — выполняют такие функции, как фильтрация, кратковременное накопление энергии и измерение напряжения, которые жизненно важны в силовой электронике и многих других приложениях. В этой статье мы представляем напечатанные трафаретной печатью индукторы, конденсаторы, резисторы и RLC-схемы на гибких пластиковых подложках и сообщаем о процессе проектирования для минимизации последовательного сопротивления индукторов, что позволяет использовать их в силовой электронике. Печатные катушки индуктивности и резисторы затем включаются в схему повышающего регулятора напряжения. Изготовлены органические светодиоды и гибкая литий-ионная батарея, а стабилизатор напряжения используется для питания диодов от батареи, что демонстрирует потенциал печатных пассивных компонентов для замены традиционных компонентов поверхностного монтажа в преобразователях постоянного тока.

В последние годы наблюдается разработка широкого спектра гибких устройств для применения в носимой электронике, электронике больших площадей и Интернете вещей1,2. К ним относятся устройства сбора энергии, такие как фотогальваника3, пьезоэлектрики4 и термоэлектрики5; устройства хранения энергии, такие как батареи6,7; и энергопотребляющие устройства, такие как датчики8,9,10,11,12 и источники света13. Хотя в отношении отдельных источников энергии и нагрузок был достигнут значительный прогресс, объединение этих компонентов в полную электронную систему обычно также требует силовой электроники для преодоления любого несоответствия между поведением источника и требованиями нагрузки. Например, батареи производят переменное напряжение в зависимости от степени их заряда. Если нагрузка требует постоянного напряжения или более высокого напряжения, чем может обеспечить аккумулятор, тогда необходима силовая электроника. В силовой электронике используются активные компоненты — транзисторы — для выполнения функций переключения и управления, а также пассивные компоненты — катушки индуктивности, конденсаторы и резисторы. Например, в схеме импульсного стабилизатора напряжения используются катушки индуктивности для накопления энергии во время каждого цикла переключения, конденсаторы используются для уменьшения пульсаций напряжения, а измерение напряжения, необходимое для управления с обратной связью, осуществляется с помощью резисторного делителя.

Силовая электроника, соответствующая требованиям носимых устройств, таких как пульсоксиметр9, для которого требуется несколько вольт и несколько миллиампер, обычно работает на частотах в диапазоне от сотен кГц до нескольких МГц и требует индуктивности и емкости от нескольких мкГн до нескольких МГц. мкФ соответственно14. Традиционный подход к изготовлению этих схем заключается в пайке дискретных компонентов на жесткую печатную плату (PCB). В то время как активные компоненты силовой электронной схемы часто объединяются в одну кремниевую интегральную схему (ИС), пассивные компоненты обычно являются внешними либо для обеспечения возможности настройки схемы, либо потому, что требуемые значения индуктивности и емкости слишком велики для достижения. в кремнии.

Изготовление электронных устройств и схем с помощью процессов аддитивной печати предлагает ряд преимуществ с точки зрения простоты и стоимости по сравнению с традиционными технологиями производства на основе печатных плат. Во-первых, поскольку для многих компонентов схемы требуются одни и те же материалы, например металл для контактов и межсоединений, печать позволяет изготавливать несколько компонентов одновременно с относительно небольшим количеством этапов обработки и небольшим количеством источников материалов15. Замена субтрактивных процессов, таких как фотолитография и травление, аддитивными процессами еще больше снижает сложность процесса, а также количество отходов материалов16,17,18,19. Кроме того, низкие температуры, используемые при печати, совместимы с гибкими и недорогими пластиковыми подложками, что позволяет покрывать большие площади электроникой с использованием высокоскоростных процессов производства с рулона на рулон16,20. Для приложений, которые не могут быть полностью реализованы с использованием печатных компонентов, были разработаны гибридные подходы, в которых компоненты технологии поверхностного монтажа (SMT) прикрепляются при низкой температуре к гибким подложкам рядом с печатными компонентами21,22,23. В таких гибридных подходах замена как можно большего количества SMT-компонентов их печатными аналогами по-прежнему желательна, чтобы воспользоваться преимуществами аддитивных процессов и улучшить общую гибкость схемы. Для создания гибкой силовой электроники мы предлагаем комбинацию активных компонентов SMT и пассивных компонентов с трафаретной печатью, уделяя особое внимание замене громоздких индукторов SMT плоскими спиральными индукторами. Из различных технологий изготовления печатной электроники трафаретная печать особенно хорошо подходит для пассивных компонентов из-за большой толщины пленки (что необходимо для минимизации последовательного сопротивления металлических элементов) и высокой скорости печати, даже при покрытии площадей сантиметрового размера. материал24.