Вот уже несколько лет производители электроники говорят о новой прорывной технологии, которая изменит привычные нам устройства и подход к их проектированию: никаких больше механических кнопок и переключателей, сокращение толщины до 2 мм, снижение веса на 70%, а себестоимости — на 30%. Причем речь идет не о будущих серийных устройствах типа экрана с двойным сложением, который недавно представила Samsung, а о технологии производства, которая уже сейчас используется в автомобилях, бытовой технике и IoT-гаджетах. Эта технология называется «литье с интегрированной / встроенной электроникой» или In-Mold Electronics (IME).
Теперь подробнее.
Начнем со спойлера и сразу отметим, что литье со встроенной электроникой (IME) — это не какая-то кардинально новая технология, а эволюция техпроцессов, которые уже использовались ранее. Появились более эластичные материалы и более качественные токопроводящие чернила, которые выдерживают формовку при высокой температуре, поэтому проводники, которые раньше покрывали печатную плату, теперь можно наносить прямо на пластиковый корпус электронного устройства.
В результате мы избавляемся от жесткой печатной платы в формате 2D и переключаемся на пленочные платы и 3D-электронику с включением резисторов, микросхем, светодиодов и других компонентов, которые покрывают изогнутые формы корпусов самых разных устройств. Вот, из чего может состоять интегрированная электроника:
- Электрические схемы — гибкие печатные платы и электропроводка.
- Освещение — одноцветные, многоцветные и анимированные индикаторы и лого.
- Элементы управления — печатные емкостные сенсорные элементы управления, отлитые пластиковые поверхности для 2D и 3D-элементов управления.
- Датчики окружающего света, удара, стресса, приближения, акселерометр.
- Антенны — NFC, Bluetooth/WLAN.
- Интегральные схемы — MCU, BL.
А теперь давайте обо всем по порядку. Литье с интегрированной электроникой — это одно из направлений литья с декорированием в форме. В англоязычных инженерных публикациях такая технология называется In-Mold Decoration (IMD). Напомним, что корпус декорируется под давлением прямо в пресс-форме или в процессе выдувного формования.
В результате получается полностью готовая деталь, которая не требует дополнительной обработки поверхности, маркировки или окрашивания.
Технология декорирования в форме позволяет качественно реализовать идеи промышленных дизайнеров даже в конструкционно сложных пластмассовых компонентах. Детали получаются долговечными и устойчивыми к царапинам.
В чем разница между декорированием в форме (IMD) и маркировкой в форме (IML)?
Если графика или текстура внутри пресс-формы наносится не на всю поверхность изделия — от края до края, а локально, на отдельный участок, то такой тип декорирования называется «маркировка в пресс-форме» или In-Mold Labeling (IML). С помощью этой технологии можно добавлять цвет, графические элементы и текстурированные области.
IML часто используют для нанесения логотипов, предупреждающих знаков, иконок сертификатов, номеров деталей или мини-инструкций. Вы наверняка встречали такую маркировку на одноразовой упаковке и пластиковых контейнерах для домашнего использования.
И вот теперь мы возвращаемся литью с электроникой (In-Mold Electronics), которая стала логическим продолжением предыдущих двух технологий. Похоже, что первое коммерческое внедрение IME было реализовано в инновационной подвесной консоли для автомобиля Ford в 2012 году. Сегодня же IME применяется в производстве бытовой техники, автомобильных панелей, медицинского оборудования, аэрокосмической и носимой электроники.
Эта технология объединяет декоративную аппликацию из IMD-процесса с функциональной электроникой. Только в этом случае на пленке печатается не декор или текст, а дорожки проводников из токопроводящих серебряных красок, также на пленку можно добавлять резисторы, микросхемы и светодиоды. В результате в процессе формовки получаются пластиковые компоненты небольшой толщины (до 2 мм) с достаточной прочностью, высокой функциональностью, добавлением света, клавиатуры и декоративных элементов.
IME, как правило, термоформованные, но не всегда. В областях с сенсорным интерфейсом поверхность может остаться плоской.
Наметившаяся тенденция — использование полиэтилентерефталата (PET), который не очень хорошо поддается формовке, но подходит для конструкций с меньшим радиусом кривизны. Однако ПЭТ не переносит сильного нагрева, поэтому сейчас разрабатываются низкотемпературные припои.
Пока эта технология еще воспринимается потребителями как новаторская, сами дорожки-проводники выглядят как элементы декора. :-) Со временем промдизайнеры и hardware-стартапы наверняка предложат свежие идеи по использованию возможностей такого литья.
Пример литой электроники чаще всего можно увидеть в новых автомобилях и бытовой технике, где форма электроники полностью соответствует кривым поверхностям задуманного дизайна.
В приборных панелях больше нет традиционных кнопок, датчиков и других функциональных переключателей. Вместо всего этого — сенсорные визуальные интерфейсы. IME позволяет встроить освещение, разъемы, микросхемы или емкостное сенсорное покрытие в практически любую изогнутую деталь.
Формованные таким образом устройства и встроенная электроника выглядят красиво, они функциональны и надежны. Из-за многократного уменьшения деталей и подвижных компонентов сокращается не только риск поломок, но и затраты на производство, сборку и обслуживание.
Емкостное сенсорное управление и пользовательские интерфейсы
Технология емкостного сенсорного управления используется во многих приложениях IME. Такой интерфейс заменяет нажатие физической кнопки на прикосновение пальца. Дорожки на плате находятся под сенсорной точкой на панели и следят за изменением в электростатическом поле. Палец действует как функциональный конденсатор, который участвует в электрической цепи устройства. Например, в автомобиле, такие интерфейсы используются для включения фар, питания или регулировки громкости.
Подводим итоги
Автопром — это всего лишь одна из многих сфер применения IME, которые мы уже называли выше.
Итого, мы получаем значительное уменьшение веса, габаритов, количества подвижных частей и, как следствие, надежности и себестоимости устройства в целом. Судя по активным разработкам в этой теме и отчетам аналитиков, которые прогнозируют рост внедрений IME, начиная с 2023−2024 года, на рынке электроники намечается новый тренд — переход от печатных плат в коробке к трехмерной структурной электронике. Так что если ваша работа связана hardware, можно присмотреться к этому направлению и успеть попасть на гребень волны. Надеемся, что мы вскоре сможем поделиться с читателями Хабра собственными кейсами по разработкам и запуску производства литой электроники.
Если у вас есть опыт в этой сфере или идеи по внедрению IME в новых устройствах — расскажите об этом в комментариях. Будет здорово, если к обсуждению подключатся инженеры, технологи, промдизайнеры и простые юзеры.