První a zatím jediné pracoviště v České republice, které využívá nejmodernější 3D tiskárnu desek plošných spojů, je Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Technické univerzity v Liberci. Tiskárnu DragonFly 2020 LDM koupila díky operačnímu programu Výzkum, vývoj a vzdělávání od izraelské firmy Nano Dimension za 5,6 milionu korun.
Tiskárna DragonFly 2020 LDM koncentruje do jednoho zařízení celý proces výroby desek plošných spojů, který v dosavadní praxi představuje řadu výrobních kroků a zapojení několika strojů. Tyto desky spojů dokáže zařízení tisknout v mnoha vrstvách, s proměnnou tloušťkou desky, se složitými 3D konstrukcemi vodičů a s dosud nerealizovatelnou geometrií jak jednotlivých vodičů, tak celé tištěné desky.
3D tisk zrychlí proces Desky plošných spojů jsou technologicky i konstrukčně velmi komplexní a složité výrobky. Velikost desky je přitom velmi rozdílná — od několika milimetrů až po maximální velikost výrobního panelu. V dnešních provozech polotovary standardně putují z jednoho pracoviště na druhé. Výrobní proces tak trvá i několik dnů, ale čistý čas výroby se počítá na hodiny. „3D tiskárna vytiskne po nastavení jednotlivých parametrů nebo importu trojrozměrného návrhu najednou celou desku a žádné další kroky známé z klasického výrobního postupu už nejsou potřeba. Jednoduše řečeno: do tiskárny pošleme potřebná data a vyjede nám hotová deska. Pro rychlé prototypování nebo výrobu prostorově náročných motivů a netradiční vedení spojů otevírá tato technologie obrovské možnosti,“ potvrzuje zrychlení výrobního procesu děkan FM TUL profesor Zdeněk Plíva s tím, že vedle speciálních konstrukcí umožňuje tento systém aditivní výroby tisknout i tradiční vícevrstvé desky plošných spojů.
Využívá nanočástice stříbra Využití 3D tisku pro tisky tištěných spojů brzdila do nedávna absence vhodných vstupních materiálů — inkoustů, které musí být snadno tisknutelné, ve výsledku dostatečně vodivé a musí také umožňovat i tisk dostatečně jemných motivů — pochopitelně s možností standardního pájení součástek. Řešení přinesly vodivé nanočástice stříbra rozptýlené v hustém roztoku a fotopolymer vytvrzovaný UV zářením, který slouží jako izolant. Tisk probíhá tak, že dvě tiskové hlavy souběžně tisknou kapky nevodivého fotopolymeru a vodivého nanostříbrného inkoustu ve velmi tenké vrstvě 3 μm. Každá tisková hlava má 512 trysek a každá tryska vytváří na desce bod o průměru necelých 50 μm. Pro vytvoření spolehlivé vodivé cesty na plošném spoji je potřeba šíře tří bodů, nejmenší šíře vodiče je tak přibližně 110 μm. Jedná se o plně aditivní proces, to znamená, že jak polymer, tak stříbro se postupně tiskne po jednotlivých kapkách do vrstev. Na rozdíl od konvenčního způsobu výroby DPS, který vyžaduje několik diametrálně odlišných zařízení, chemických procesů a složité výrobní postupy, je celý proces tvorby tištěných spojů realizován jediným zařízením, a odpadají tak problémy s lisováním, registrací motivů, kartáčováním, vrtáním, pokovováním atd. Tiskne se současně dielektrický materiál desky i vodivý inkoust a principem sekvenčního tisku desky se vytvoří motiv včetně průchozích, ztracených i slepých otvorů, přičemž tato technologie vlastně ani nezná problém pouzdření otvorů. Vytvrzení obou materiálů probíhá za chodu přímo v tiskárně. „Vodivou cestu lze vytisknout tam, kde ji potřebujeme mít. Se zařízením Dragon- Fly 2020 LDM můžeme umístit vodič libovolně v prostoru desky a rozměry vodičů lze měnit podle potřeb — například tloušťka se může plynule měnit v rozmezí od 17 až do 101 μm, nebo na jedné vrstvě můžeme mít vedle sebe spoje s různou tloušťkou,“ zmiňuje další pozitiva špičkové tiskárny profesor Plíva.
Tisk trojrozměrných konstrukcí I když je možné tisknout z tradičních dat, díky DragonFly 2020 LDM ztrácí tištěné spoje svůj přídomek plošné, protože je na něm možné tisknout jak vodiče, tak samotné desky tištěných spojů jako plně trojrozměrnou konstrukci. Pro názornost si můžeme třeba představit vycházkovou hůl, která má v hlavici umístěnou elektroniku, tištěný spoj by tak mohl mít tvar koule. Maximální tloušťka desky je pro zachování garantované přesnosti programově omezena na 3 mm, ale lze tisknout libovolně tvarovaný profil desky. Například pro jednotlivé komponenty, které se následně na desku pájí, je možné připravit už během tisku kavitu (vybrání), kam lze poté umístit součástku, a zapustit ji tak do desky (tzv. embedded components), což přináší možnosti další prostorové úspory. Tisknout tak lze i velmi složité motivy, v nichž mohou vodiče vést v prostoru jakkoliv pod libovolným úhlem. Lze tak vytvořit třeba 3D cívku přímo uvnitř desky. „Díky tomu, že nejsme omezeni jen na klasický plochý tvar desky, můžeme ji navrhnout různě tvarovanou, s profily a optimálně vyplnit prostor ve finálních zařízeních. Jsme schopni dosáhnout nižších zástavbových prostor. Desky mohou být různě tvarovány a tvarová volnost je velká,“ uvádí Jakub Macháček, student doktorského studia na FM TUL a operátor tiskárny.
Zatím jen laboratoř a prototypy Technologii DragonFly představila izraelská firma Nano Dimension v roce 2017 na veletrhu v Mnichově, a ukázala tak 3D tisk jako zásadní skok kupředu v technologii konstrukce desek tištěných spojů zavedenou ve 40. letech 20. století v podobě, v jaké ji používáme dnes. V praxi prozatím nalézají takto vytištěné plošné spoje uplatnění ve speciálních jednoúčelových aplikacích, jako jsou třeba různé lékařské sondy nebo speciální přístroje, které je potřeba velmi přesně vytvarovat do konkrétního prostoru. Výrobci desek plošných spojů prozatím se zavedením této technologie pro sériovou výrobu ve svých provozech nepočítají. „Vyrábíme desky plošných spojů konvenčními výrobními postupy a v tuto chvíli si nedovedeme představit, že bychom je zhotovovali formou 3D tisku. Nicméně jde o vývojovou záležitost, která rozhodně není dokončená. Jde o vysoce moderní zařízení, které umí převratné věci a určitě má budoucnost. Proto je i pro nás zajímavé s FM TUL spolupracovat. Prováděli jsme některá měření a testy, například testovacích kupónů s řízenou impedancí. Po elektrické stránce byly v pořádku a fungovaly dobře, ale z pohledu mechanických vlastností nemohou materiálům třídy FR4 plnohodnotně konkurovat. Základní materiál pro výrobu desek plošných spojů je kompozitní. Zpravidla se jedná o laminát ze skleněné tkaniny sycený epoxidovou pryskyřicí, na kterém je z jedné nebo z obou stran nalisovaná měděná fólie jako vodivá vrstva. Takto komplexní materiál prozatím nelze formou 3D tisku vytvořit. Daná technologie navíc svými relativně vysokými náklady prozatím neodpovídá sériové výrobě. Samozřejmě vývoj materiálů jde velice rychle kupředu, a určitě přinese řadu technologických překvapení,“ říká Michal Kudrnáč, obchodní ředitel firmy Cube.cz, která patří k předním českým výrobcům desek plošných spojů. I když má nová technologie zatím výrazné limity omezující ji na laboratoře a případně výrobu prototypů, shodují se obchodní ředitel firmy i děkan FM TUL, že tato technologická cesta má ve výrobě plošných spojů dobrou perspektivu. „V blízké budoucnosti lze předpokládat, že vývojáři najdou nové vhodné materiály, zapracují na návrhových systémech i na dalším vylepšování této technologie tak, aby se přiblížila potřebám sériové výroby. Bude to určitě jedna z alternativ v tomto oboru,“ tvrdí profesor Plíva.
Pro výchovu nových odborníků Nové zařízení fakulta využije ve výuce, například v rámci nového bakalářského studijního programu mechatronika. V současné době fakulta připravuje specializaci tohoto studijního programu zaměřenou na chytré technologie. Studenti budou v rámci ateliérových předmětů navrhovat různá zařízení a jejich součástí bude i návrh a výroba elektronických zařízení, jejichž součástí jsou i tištěné spoje. „Chytré technologie, do kterých patří i prvky Průmyslu 4.0, internetu věcí a podobně, se nutně stávají na fakultě našeho zaměření součástí výuky. A toto je technologie, jejíž důležitost bude v budoucnu nepochybně narůstat a průmyslové firmy i výzkumné instituce mají dlouhodobě enormní zájem o odborníky, kteří se v pokročilých technologiích umějí orientovat,“ míní děkan Plíva.
Rýsuje se i spolupráce s průmyslem Vedle výuky a vývoje prototypových elektronických zařízení počítá fakulta také s tím, že bude tuto technologii využívat ve spolupráci s průmyslovými podniky. Nabízí se v oblasti medicíny nebo automotive. „V současné době připravujeme ve spolupráci s naším průmyslovým partnerem projekt, v rámci nějž zkusíme měřit základní elektrické vlastnosti tištěných desek za různě zatěžkávacích podmínek a budeme zjišťovat a vyhodnocovat jejich mechanické vlastnosti, jako je tuhost, pevnost a samozřejmě životnost. Protože jsou desky z 3D tiskárny křehčí než klasicky vyrobené tištěné spoje, nejsou samozřejmě použitelné všude. Náš výzkum se mimo jiné zaměří i na prověření dalších možností, kde by se tyto tištěné spoje daly použít,“ říká profesor Plíva s tím, že do výzkumu se zapojí i studenti, zejména doktorandi. /Jaroslava Kočárková/
