Siebgedruckte passive Komponenten für flexible Leistungselektronik

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 15959 (2015) Diesen Artikel zitieren

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Additive und Niedertemperatur-Druckverfahren ermöglichen die kostengünstige Integration verschiedener elektronischer Geräte, sowohl stromliefernder als auch stromverbrauchender, auf flexiblen Substraten. Die Herstellung eines kompletten elektronischen Systems aus diesen Geräten erfordert jedoch häufig eine Leistungselektronik, die zwischen den verschiedenen Betriebsspannungen der Geräte umwandelt. Passive Komponenten – Induktivitäten, Kondensatoren und Widerstände – übernehmen Funktionen wie Filterung, kurzfristige Energiespeicherung und Spannungsmessung, die in der Leistungselektronik und vielen anderen Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind. In diesem Artikel stellen wir siebgedruckte Induktivitäten, Kondensatoren, Widerstände und eine RLC-Schaltung auf flexiblen Kunststoffsubstraten vor und berichten über den Designprozess zur Minimierung des Serienwiderstands der Induktivität, der ihren Einsatz in der Leistungselektronik ermöglicht. Gedruckte Induktivitäten und Widerstände werden dann in eine Aufwärtsspannungsreglerschaltung integriert. Es werden organische Leuchtdioden und eine flexible Lithium-Ionen-Batterie hergestellt und der Spannungsregler wird verwendet, um die Dioden über die Batterie mit Strom zu versorgen. Dies zeigt das Potenzial gedruckter passiver Komponenten, herkömmliche oberflächenmontierte Komponenten in einer DC-DC-Wandleranwendung zu ersetzen.

In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl flexibler Geräte für Anwendungen in der tragbaren und großflächigen Elektronik sowie im Internet der Dinge entwickelt1,2. Dazu gehören Energiegewinnungsgeräte wie Photovoltaik3, Piezoelektrik4 und Thermoelektrik5; Energiespeichergeräte wie Batterien6,7; und stromverbrauchende Geräte wie Sensoren8,9,10,11,12 und Lichtquellen13. Während bei den einzelnen Energiequellen und Lasten große Fortschritte erzielt wurden, erfordert die Kombination dieser Komponenten zu einem vollständigen elektronischen System in der Regel auch eine Leistungselektronik, um etwaige Unstimmigkeiten zwischen dem Verhalten der Quelle und den Anforderungen der Lasten zu beseitigen. Beispielsweise erzeugen Batterien abhängig von ihrem Ladezustand eine variable Spannung. Wenn eine Last eine konstante Spannung oder eine höhere Spannung benötigt, als die Batterie erzeugen kann, ist eine Leistungselektronik erforderlich. Die Leistungselektronik nutzt aktive Bauelemente, Transistoren, um Schalt- und Steuerfunktionen auszuführen, sowie passive Bauelemente – Induktivitäten, Kondensatoren und Widerstände. In einer Schaltspannungsreglerschaltung werden beispielsweise Induktivitäten verwendet, um während jedes Schaltzyklus Energie zu speichern, Kondensatoren werden verwendet, um Spannungswelligkeiten zu reduzieren, und die für die Rückkopplungssteuerung erforderliche Spannungsmessung wird mithilfe eines Widerstandsteilers durchgeführt.

Leistungselektronik, die für die Anforderungen von tragbaren Geräten wie dem Pulsoximeter9 geeignet ist, das einige Volt und einige Milliampere benötigt, arbeitet typischerweise bei Frequenzen im Bereich von Hunderten von kHz bis einigen MHz und erfordert Induktivität und Kapazität von mehreren μH und mehreren μF bzw.14. Der herkömmliche Ansatz zur Herstellung dieser Schaltkreise besteht darin, diskrete Komponenten auf eine starre Leiterplatte (PCB) zu löten. Während die aktiven Komponenten einer leistungselektronischen Schaltung oft in einer einzigen integrierten Siliziumschaltung (IC) zusammengefasst sind, sind die passiven Komponenten normalerweise extern, entweder um eine individuelle Anpassung der Schaltung zu ermöglichen oder weil die erforderlichen Induktivitäts- und Kapazitätswerte zu groß sind, um erreicht zu werden in Silizium.

Die Herstellung elektronischer Geräte und Schaltkreise durch additive Druckverfahren bietet im Vergleich zu herkömmlichen PCB-basierten Fertigungstechniken eine Reihe von Vorteilen hinsichtlich Einfachheit und Kosten. Erstens: Da für viele Komponenten einer Schaltung dieselben Materialien erforderlich sind, beispielsweise Metall für Kontakte und Verbindungen, ermöglicht das Drucken die gleichzeitige Herstellung mehrerer Komponenten mit relativ wenigen Verarbeitungsschritten und wenigen Materialquellen15. Das Ersetzen subtraktiver Prozesse wie Fotolithographie und Ätzen durch additive Prozesse reduziert die Prozesskomplexität und Materialverschwendung weiter16,17,18,19. Darüber hinaus sind die beim Drucken verwendeten niedrigen Temperaturen mit flexiblen und kostengünstigen Kunststoffsubstraten kompatibel, sodass große Flächen mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Rolle-zu-Rolle-Herstellungsprozessen mit Elektronik abgedeckt werden können16,20. Für Anwendungen, die mit gedruckten Komponenten nicht vollständig realisiert werden können, wurden Hybridansätze entwickelt, bei denen SMT-Komponenten (Surface Mount Technology) bei niedriger Temperatur neben den gedruckten Komponenten auf flexiblen Substraten befestigt werden21,22,23. Bei solchen Hybridansätzen ist es nach wie vor wünschenswert, möglichst viele SMT-Komponenten durch ihre gedruckten Gegenstücke zu ersetzen, um die Vorteile der additiven Prozesse zu nutzen und die Gesamtflexibilität der Schaltung zu verbessern. Um eine flexible Leistungselektronik zu erreichen, schlagen wir eine Kombination aus aktiven SMT-Komponenten und passiven Siebdruckkomponenten vor, wobei der Schwerpunkt auf dem Ersatz sperriger SMT-Induktoren durch planare Spiralinduktoren liegt. Von den verschiedenen Technologien zur Herstellung gedruckter Elektronik eignet sich der Siebdruck aufgrund seiner großen Filmdicke (die zur Minimierung des Serienwiderstands metallischer Elemente erforderlich ist) und seiner hohen Druckgeschwindigkeit, selbst bei der Abdeckung zentimetergroßer Bereiche, besonders gut für passive Komponenten Material24.

Es ist wichtig, Verluste in passiven Komponenten für die Leistungselektronik zu minimieren, da sich die Effizienz der Schaltung direkt auf die Größe der Energiequelle auswirkt, die zur Stromversorgung eines Systems erforderlich ist. Dies stellt eine besondere Herausforderung für gedruckte Induktoren dar, die aus langen Spulen bestehen und daher anfällig für hohe Serienwiderstände sind. Obwohl einige Anstrengungen zur Minimierung des Widerstands gedruckter Spulen25,26,27,28 unternommen wurden, mangelt es daher weiterhin an effizienten gedruckten passiven Komponenten für die Leistungselektronik. Bisher sind viele berichtete gedruckte passive Komponenten auf flexiblen Substraten für den Betrieb in Resonanzkreisen zur Radiofrequenzidentifikation (RFID) oder zur Energiegewinnung ausgelegt10,12,25,27,28,29,30,31. Andere konzentrieren sich auf die Entwicklung von Materialien oder Fertigungsprozessen und demonstrieren Allzweckkomponenten, die nicht für eine bestimmte Anwendung optimiert sind26,32,33,34. Im Gegensatz dazu verwenden leistungselektronische Schaltkreise wie Spannungsregler tendenziell größere Komponenten als die typischen Demonstrationen gedruckter passiver Schaltungen und erfordern keine Resonanz, was unterschiedliche Komponentendesigns erfordert.

Hier präsentieren wir das Design und die Optimierung von Siebdruckinduktivitäten im μH-Bereich, um minimalen Serienwiderstand und hohe Leistung bei für die Leistungselektronik relevanten Frequenzen zu erreichen. Auf flexiblen Kunststoffsubstraten werden im Siebdruckverfahren Induktivitäten, Kondensatoren und Widerstände mit unterschiedlichen Bauteilwerten hergestellt. Die Eignung dieser Komponenten für flexible Elektronik wird zunächst an einer einfachen RLC-Schaltung demonstriert. Gedruckte Induktivitäten und Widerstände werden dann in einen IC integriert, um einen Aufwärtsspannungsregler zu bilden. Schließlich werden organische Leuchtdioden (OLEDs) und eine flexible Lithium-Ionen-Batterie hergestellt und der Spannungsregler wird verwendet, um die OLEDs über die Batterie mit Strom zu versorgen.

Um gedruckte Induktoren für die Leistungselektronik zu entwerfen, haben wir zunächst die Induktivität und den Gleichstromwiderstand einer Reihe von Induktorgeometrien basierend auf dem aktuellen Blattmodell von Mohan et al.35 vorhergesagt und Induktoren mit unterschiedlichen Geometrien hergestellt, um die Genauigkeit des Modells zu bestätigen. Für die Induktoren wurde in dieser Arbeit eine Kreisform gewählt, da im Vergleich zu Polygongeometrien eine höhere Induktivität bei geringerem Widerstand erreicht werden kann36. Es wurde der Einfluss der Tintenart und der Anzahl der Druckzyklen auf den Widerstand bestimmt. Diese Ergebnisse wurden dann zusammen mit dem aktuellen Blattmodell verwendet, um 4,7 μH- und 7,8 μH-Induktoren zu entwerfen, die für minimalen Gleichstromwiderstand optimiert sind.

Die Induktivität und der Gleichstromwiderstand eines Spiralinduktors können durch einige Parameter beschrieben werden: den Außendurchmesser do, die Windungsbreite w und den Windungsabstand s, die Anzahl der Windungen n und den Schichtwiderstand Rsheet des Leiters. Abb. 1a zeigt ein Foto eines siebgedruckten kreisförmigen Induktors mit n = 12 und zeigt die geometrischen Parameter an, die seine Induktivität bestimmen. Die Induktivität wurde für eine Reihe von Induktorgeometrien gemäß dem aktuellen Blattmodell von Mohan et al.35 berechnet

(a) Foto eines siebgedruckten Induktors mit Angabe der geometrischen Parameter. Der Durchmesser beträgt 3 cm. Induktivität (b) und Gleichstromwiderstand (c) für verschiedene Induktorgeometrien. Linien und Markierungen entsprechen berechneten bzw. gemessenen Werten. (d,e) Gleichstromwiderstand der Induktoren L1 bzw. L2, siebgedruckt mit Dupont 5028- und 5064H-Silbertinten. (f,g) REM-Aufnahmen von Filmen, die im Siebdruckverfahren aus Dupont 5028 bzw. 5064H hergestellt wurden.

wobei μ die Permeabilität des Kerns (in diesem Fall Luft) ist; davg ist der durchschnittliche Durchmesser:

ρ ist das Füllverhältnis:

und din ist der Innendurchmesser:

Der Gleichstromwiderstand ist gegeben durch

unter Verwendung der Länge l der Spirale:

Bei hohen Frequenzen ändern der Skin-Effekt und die parasitäre Kapazität den Widerstand und die Induktivität einer Induktivität gegenüber ihren Gleichstromwerten. Es ist wünschenswert, den Induktor bei Frequenzen zu betreiben, die so niedrig sind, dass diese Effekte vernachlässigbar sind und sich das Gerät wie eine konstante Induktivität mit einem konstanten Widerstand in Reihe verhält. Daher analysieren wir in dieser Arbeit die Beziehungen zwischen den geometrischen Parametern Induktivität und Gleichstromwiderstand und verwenden die Ergebnisse, um eine gegebene Induktivität mit minimalem Gleichstromwiderstand zu erhalten.

Induktivität und Widerstand wurden für eine Reihe geometrischer Parameter berechnet, die mit Siebdruck erreichbar sind, und es wurde erwartet, dass sie Induktivitäten im μH-Bereich ergeben. Verglichen wurden Außendurchmesser von 3 und 5 cm, Linienbreiten von 500 und 1000 μm und verschiedene Windungszahlen. Die Berechnungen wurden unter der Annahme eines Schichtwiderstands von 47 mΩ/□ durchgeführt, was einer einzelnen 7 μm dicken Schicht eines Dupont 5028-Silbermikroflockenleiters entspricht, der mit einem 400-Mesh-Sieb und der Einstellung w = s gedruckt wurde. Die berechneten Induktivitäts- und Widerstandswerte sind in Abb. 1b bzw. c dargestellt. Das Modell sagt voraus, dass sowohl die Induktivität als auch der Widerstand zunehmen, wenn der Außendurchmesser und die Anzahl der Windungen erhöht oder die Leitungsbreite verringert wird.

Auf Substraten aus Polyethylenterephthalat (PET) wurden Induktoren mit unterschiedlichen Geometrien und Induktivitäten hergestellt, um die Genauigkeit der Modellvorhersagen zu bewerten. Die gemessenen Induktivitäts- und Widerstandswerte sind in Abb. 1b, c dargestellt. Während die Widerstände eine gewisse Abweichung von den erwarteten Werten aufweisen, was hauptsächlich auf Schwankungen in der Dicke und Gleichmäßigkeit der aufgetragenen Tinte zurückzuführen ist, zeigt die Induktivität eine hervorragende Übereinstimmung mit dem Modell.

Diese Ergebnisse können verwendet werden, um Induktoren mit einer gewünschten Induktivität und minimalem Gleichstromwiderstand zu entwerfen. Nehmen wir beispielsweise an, dass eine Induktivität von 2 μH gewünscht ist. Abbildung 1b zeigt, dass diese Induktivität mit einem Außendurchmesser von 3 cm, einer Linienbreite von 500 μm und 10 Windungen erreicht werden kann. Die gleiche Induktivität kann auch mit einem Außendurchmesser von 5 cm erzeugt werden, entweder mit 500 μm Linienbreite und 5 Windungen oder 1000 μm Linienbreite und 7 Windungen (ebenfalls in der Abbildung dargestellt). Ein Vergleich des Widerstands dieser drei möglichen Geometrien in Abb. 1c zeigt, dass der 5-cm-Induktor mit 1000 μm Linienbreite den niedrigsten Widerstand von 34 Ω aufweist, etwa 40 % niedriger als die anderen beiden. Der allgemeine Entwurfsprozess zum Erreichen einer bestimmten Induktivität bei minimalem Widerstand lässt sich wie folgt zusammenfassen: Zunächst wird der größte zulässige Außendurchmesser auf der Grundlage der durch die Anwendung auferlegten räumlichen Einschränkungen ausgewählt. Dann sollte die Leitungsbreite so groß wie möglich gemacht werden und dennoch die gewünschte Induktivität erreicht werden, was zu einem hohen Füllverhältnis führt (Gleichung (3)).

Eine Verringerung des Schichtwiderstands der Metallfilme, entweder durch eine Erhöhung der Dicke oder durch die Verwendung eines Materials mit höherer Leitfähigkeit, kann den Gleichstromwiderstand weiter verringern, ohne die Induktivität zu beeinträchtigen. Zwei Induktoren mit den in Tabelle 1 angegebenen geometrischen Parametern, die als L1 und L2 bezeichnet werden, wurden mit unterschiedlicher Anzahl von Schichten hergestellt, um die Widerstandsänderung zu bewerten. Mit zunehmender Anzahl der Tintenschichten verringerte sich der Widerstand erwartungsgemäß proportional, wie in Abb. 1d, e für die Induktoren L1 bzw. L2 dargestellt. Abbildung 1d und e zeigen, dass durch das Auftragen von 6 Schichten eine bis zu sechsfache Reduzierung des Widerstands erreicht werden kann, während die größte Reduzierung des Widerstands (50–65 %) zwischen 1 und 2 Schichten auftritt. Zum Drucken dieser Induktoren wurde ein Sieb mit einer relativ kleinen Maschenweite (400 Fäden pro Zoll) verwendet, da jede Tintenschicht relativ dünn ist, sodass wir den Einfluss der Leiterdicke auf den Widerstand untersuchen konnten. Eine ähnliche Dicke (und Beständigkeit) könnte durch das Drucken einer geringeren Anzahl von Schichten mit einer größeren Maschenweite schneller erreicht werden, solange die gemusterten Merkmale größer als die Mindestauflösung des Maschennetzes bleiben. Mit diesem Ansatz könnte der gleiche Gleichstromwiderstand wie bei den hier besprochenen 6-Schicht-Induktoren erreicht werden, allerdings mit höherer Produktionsgeschwindigkeit.

Abbildung 1d und e zeigen auch, dass durch die Verwendung einer Silberflockentinte mit höherer Leitfähigkeit, Dupont 5064H, eine zweifache Reduzierung des Widerstands erreicht wird. Wie in den REM-Aufnahmen von mit den beiden Tinten gedruckten Filmen zu sehen ist (Abb. 1f, g), ist die geringere Leitfähigkeit der 5028-Tinte auf ihre geringere Partikelgröße und das Vorhandensein vieler Hohlräume zwischen den Partikeln im bedruckten Film zurückzuführen. Das 5064H hingegen weist größere und dichter gepackte Flocken auf, was zu einem Verhalten führt, das eher dem von Massensilber ähnelt. Während diese Tinte dünnere Filme als die 5028-Tinte erzeugte, 4 μm für eine einzelne Schicht und 22 μm für 6 Schichten, war die Verbesserung der Leitfähigkeit erheblich genug, dass der Widerstand insgesamt verringert wurde.

Während schließlich die Induktivität (Gleichung (1)) von der Periode der Windungen (w + s) abhängt, hängt der Widerstand (Gleichung (5)) nur von der Leitungsbreite w ab. Daher kann der Widerstand durch Erhöhen von w im Verhältnis zu s noch weiter verringert werden. Zwei zusätzliche Induktoren, L3 und L4, wurden mit w = 2s und großem Außendurchmesser entworfen, wie in Tabelle 1 gezeigt. Diese Induktoren wurden unter Verwendung von 6 Schichten Dupont 5064H hergestellt, was zuvor gezeigt hat, dass sie die höchste Leistung bieten. L3 hatte eine Induktivität von 4,720 ± 0,002 μH mit einem Widerstand von 4,9 ± 0,1 Ω, während L4 7,839 ± 0,005 μH und 6,9 ± 0,1 Ω hatte, was gut mit den Modellvorhersagen übereinstimmte. Dies stellt eine Verbesserung des L/R-Verhältnisses um mehr als eine Größenordnung im Vergleich zu den Werten in Abb. 1 dar, was auf die Verbesserungen bei Dicke, Leitfähigkeit und W/s zurückzuführen ist.

Obwohl ein niedriger Gleichstromwiderstand vielversprechend ist, erfordert die Beurteilung der Eignung der Induktivitäten für Leistungselektronik im kHz-MHz-Bereich eine Charakterisierung bei Wechselstromfrequenzen. Abbildung 2a zeigt die Abhängigkeit von Widerstand und Reaktanz von L3 und L4 von der Frequenz. Bei Frequenzen unter 10 MHz bleibt der Widerstand ungefähr konstant auf seinem Gleichstromwert und die Reaktanz steigt linear mit der Frequenz, was erwartungsgemäß eine konstante Induktivität impliziert. Die Eigenresonanzfrequenz, definiert als die Frequenz, bei der die Impedanz von induktiv in kapazitiv übergeht, liegt bei 35,6 ± 0,3 MHz für L3 und 24,3 ± 0,6 MHz für L4. Die Abhängigkeit des Qualitätsfaktors Q, gleich ωL/R, von der Frequenz ist in Abb. 2b dargestellt. L3 und L4 erreichen ihre maximalen Qualitätsfaktoren von 35 ± 1 bzw. 33 ± 1 bei Frequenzen von 11 bzw. 16 MHz. Aufgrund der Induktivität von mehreren μH und des relativ hohen Q bei den MHz-Frequenzen sind diese Induktivitäten ein geeigneter Ersatz für herkömmliche oberflächenmontierte Induktivitäten in DC/DC-Wandlern mit geringer Leistung.

Gemessener Widerstand R und Reaktanz X (a) sowie Qualitätsfaktor Q (b) über der Frequenz für die Induktivitäten L3 und L4.

Um den erforderlichen Platzbedarf für eine gegebene Kapazität zu minimieren, ist es wünschenswert, eine Kondensatortechnologie mit einer großen spezifischen Kapazität zu verwenden, die der dielektrischen Permittivität ε dividiert durch die Dicke des Dielektrikums entspricht. In dieser Arbeit haben wir ein Bariumtitanat-Komposit als Dielektrikum gewählt, da es ein höheres ε aufweist als andere in Lösung verarbeitete organische Dielektrika. Die dielektrische Schicht wurde im Siebdruckverfahren zwischen zwei Schichten des Silberleiters aufgedruckt, um eine Metall-Dielektrikum-Metall-Struktur zu bilden. Kondensatoren mit unterschiedlichen Abmessungen im Zentimeterbereich, wie in Abb. 3a dargestellt, wurden mit zwei oder drei Schichten dielektrischer Tinte hergestellt, um eine gute Ausbeute zu gewährleisten. Abbildung 3b zeigt REM-Querschnittsaufnahmen eines repräsentativen Kondensators, der mit zwei Dielektrikumschichten mit einer Gesamtdicke des Dielektrikums von 21 μm hergestellt wurde. Die oberen und unteren Elektroden bestehen aus einer bzw. sechs Schichten 5064H. Die Bariumtitanat-Partikel im Mikrometerbereich sind im REM-Bild als hellere Bereiche sichtbar, die vom dunkleren organischen Bindemittel umgeben sind. Die dielektrische Tinte benetzt die untere Elektrode gut und bildet eine klare Grenzfläche mit dem gedruckten Metallfilm, wie in der Abbildung mit stärkerer Vergrößerung dargestellt.

(a) Fotos der Kondensatoren mit fünf verschiedenen Bereichen. (b) SEM-Querschnittsaufnahmen eines Kondensators mit zwei Dielektrikumschichten, die das Bariumtitanat-Dielektrikum und die Silberelektroden zeigen. (c) Kapazität von Kondensatoren mit 2 und 3 Schichten Bariumtitanat-Dielektrikum und variierender Fläche, gemessen bei 1 MHz. (d) Kapazität, ESR und Verlustfaktor eines 2,25-cm2-Kondensators mit 2 Schichten Dielektrikum, vs. Frequenz.

Die Kapazität skaliert erwartungsgemäß proportional zur Fläche, wie in Abb. 3c dargestellt, mit einer spezifischen Kapazität von 0,53 nF/cm2 für zwei Schichten Dielektrikum und 0,33 nF/cm2 für drei Schichten. Diese Werte entsprechen einer Permittivität von 13. Kapazität und Verlustfaktor (DF) wurden ebenfalls bei unterschiedlichen Frequenzen gemessen, wie in Abb. 3d für einen 2,25 cm2 großen Kondensator mit zwei Dielektrikumschichten dargestellt. Wir haben festgestellt, dass die Kapazität über den interessierenden Frequenzbereich relativ flach ist und von 1 auf 10 MHz um 20 % zunimmt, während der DF im gleichen Bereich von 0,013 auf 0,023 ansteigt. Da der Verlustfaktor ein Verhältnis von Energieverlust zu gespeicherter Energie pro Wechselstromzyklus ist, bedeutet ein DF von 0,02, dass 2 % der vom Kondensator verarbeiteten Leistung verloren gehen. Dieser Verlust wird oft auch als frequenzabhängiger äquivalenter Serienwiderstand (ESR) ausgedrückt, der DF/ωC in Reihe mit dem Kondensator entspricht. Wie in Abb. 3d dargestellt, liegt der ESR bei Frequenzen über 1 MHz unter 1,5 Ω und bei Frequenzen über 4 MHz unter 0,5 Ω. Während die für DC-DC-Wandler benötigten Kapazitäten im μF-Bereich bei Verwendung dieser Kondensatortechnologie unerschwinglich große Flächen erfordern würden, eignen sich diese Kondensatoren aufgrund des Kapazitätsbereichs von 100 pF bis nF und des geringen Verlusts für andere Anwendungen wie Filter und Resonanzkreise. Zur Erhöhung der Kapazität könnten verschiedene Ansätze genutzt werden. Eine höhere Dielektrizitätskonstante würde die spezifische Kapazität erhöhen37; Dies kann beispielsweise durch eine Erhöhung der Konzentration von Bariumtitanat-Partikeln in der Tinte erreicht werden. Es könnte eine geringere Dielektrikumsdicke verwendet werden, allerdings würde dies eine untere Elektrode mit geringerer Rauheit als die siebgedruckten Silberflocken erfordern. Dünnere Schichten mit geringerer Rauheit für Kondensatoren können durch Tintenstrahldruck31 oder Tiefdruck10 aufgebracht werden, die in den Siebdruckprozess integriert werden könnten. Schließlich könnten mehrere abwechselnde Schichten aus Metall und Dielektrikum in einem Stapel gedruckt und parallel geschaltet werden, wodurch die Kapazität pro Flächeneinheit erhöht wird34.

Spannungsteiler, bestehend aus einem Widerstandspaar, werden typischerweise zur Durchführung der Spannungsmessung verwendet, die für die Rückkopplungssteuerung eines Spannungsreglers erforderlich ist. Für diese Art von Anwendung sollten gedruckte Widerstände Widerstandswerte im Bereich von kΩ-MΩ aufweisen und von Gerät zu Gerät nur geringe Schwankungen aufweisen. Hier wurde festgestellt, dass eine einzelne Schicht siebgedruckter Kohlenstofftinte einen Schichtwiderstand von 900 Ω/□ aufwies. Diese Informationen wurden verwendet, um zwei geradlinige Widerstände (R1 und R2) und einen Serpentinenwiderstand (R3) mit Nennwiderständen von 10 kΩ, 100 kΩ bzw. 1,5 MΩ zu entwerfen. Widerstände zwischen den Nennwerten wurden durch Aufdrucken von zwei oder drei Farbschichten erreicht, wie in Abb. 4 neben Fotos der drei Widerstände dargestellt. Von jedem Typ wurden 8–12 Proben hergestellt; in allen Fällen betrug die Standardabweichung der Widerstände 10 % oder weniger. Proben mit zwei oder drei Schichten wiesen tendenziell etwas geringere Schwankungen im Widerstand auf als Proben mit einer Schicht. Die geringe Variation des gemessenen Widerstands und die enge Übereinstimmung mit den Nennwerten legen nahe, dass andere Widerstände in diesem Bereich durch Modifizieren der Widerstandsgeometrie problemlos erhalten werden können.

Widerstand von drei verschiedenen Widerstandsgeometrien mit unterschiedlicher Anzahl von Schichten kohlenstoffbeständiger Tinte. Fotos der drei Widerstände sind rechts abgebildet.

Eine RLC-Schaltung, ein klassisches Lehrbeispiel für die Kombination aus Widerstand, Induktivität und Kondensator, wurde hergestellt, um das Verhalten der passiven Komponenten zu demonstrieren und zu überprüfen, die in eine echte gedruckte Schaltung integriert sind. In dieser Schaltung wurden eine 8-μH-Induktivität und ein 0,8-nF-Kondensator in Reihe geschaltet und ein 25-kΩ-Widerstand parallel dazu geschaltet. Ein Foto des flexiblen Schaltkreises ist in Abb. 5a dargestellt. Diese spezielle Serien-Parallel-Kombination wurde ausgewählt, weil ihr Verhalten von jeder der drei Komponenten bei unterschiedlichen Frequenzen dominiert wird, sodass die Leistung jeder einzelnen Komponente hervorgehoben und bewertet werden kann. Der erwartete Frequenzgang der Schaltung wurde unter Berücksichtigung des Serienwiderstands der Induktivität von 7 Ω und des ESR des Kondensators von 1,3 Ω berechnet. Das Schaltbild ist in Abb. 5b dargestellt und die berechnete Impedanzgröße und -phase sind in Abb. 5c und d zusammen mit den Messwerten dargestellt. Bei niedriger Frequenz führt die hohe Impedanz des Kondensators dazu, dass das Verhalten der Schaltung vom 25-kΩ-Widerstand dominiert wird. Mit zunehmender Frequenz nimmt die Impedanz des LC-Pfades ab; Bis zur Resonanzfrequenz von 2,0 MHz ist das Gesamtverhalten der Schaltung kapazitiv. Oberhalb der Resonanzfrequenz dominiert die Induktorimpedanz. Abbildung 5 zeigt deutlich die hervorragende Übereinstimmung zwischen berechneten und gemessenen Werten über den gesamten Frequenzbereich. Dies bedeutet, dass das hier verwendete Modell, bei dem die Induktivitäten und Kondensatoren ideale Komponenten mit Reihenwiderständen sind, für die Vorhersage des Schaltkreisverhaltens bei diesen Frequenzen genau ist.

(a) Foto einer siebgedruckten RLC-Schaltung mit einer Reihenschaltung aus einer 8-μH-Induktivität und einem 0,8-nF-Kondensator parallel zu einem 25-kΩ-Widerstand. (b) Modell der Schaltung einschließlich der Serienwiderstände von Induktoren und Kondensatoren. (c,d) Impedanzgröße (c) und Phase (d) der Schaltung.

Schließlich wurden die gedruckten Induktivitäten und Widerstände in einen Aufwärtsspannungsregler implementiert. Der in dieser Demonstration verwendete IC war der Microchip MCP1640B14, ein PWM-basierter synchroner Boost-Regler, der mit 500 kHz arbeitet. Der Schaltplan ist in Abb. 6a dargestellt. Als Energiespeicherelemente werden eine 4,7 μH-Induktivität und zwei Kondensatoren (4,7 μF und 10 μF) verwendet, und ein Widerstandspaar dient zur Messung der Ausgangsspannung für die Rückkopplungssteuerung. Die Widerstandswerte wurden ausgewählt, um die Ausgangsspannung auf 5 V zu regeln. Die Schaltung wurde auf einer Leiterplatte hergestellt und ihre Leistung wurde über einen Bereich von Lastwiderständen und Eingangsspannungen zwischen 3 und 4 V gemessen, wodurch die Spannungen einer Lithium-Ionen-Batterie simuliert wurden verschiedene Ladezustände. Der Wirkungsgrad mit gedruckten Induktivitäten und Widerständen wurde mit dem mit SMT-Induktivitäten und Widerständen verglichen. In allen Fällen wurden SMT-Kondensatoren verwendet, da die für diese Anwendung erforderlichen Kapazitäten zu groß waren, um sie mit den gedruckten Kondensatoren zu realisieren.

(a) Diagramm der Spannungsreglerschaltung. (b–d) Wellenformen von (b) Vout, (c) Vsw und (d) Strom in den Induktor, mit 4,0 V Eingangsspannung und 1 kΩ Lastwiderstand, gemessen mit gedrucktem Induktor. Für diese Messung wurden oberflächenmontierte Widerstände und Kondensatoren verwendet. (e) Effizienz einer Spannungsreglerschaltung mit ausschließlich oberflächenmontierten Komponenten im Vergleich zu einer Schaltung mit gedruckter Induktivität und Widerständen für verschiedene Lastwiderstände und Eingangsspannungen. (f) Verhältnis der Wirkungsgrade der in (e) gezeigten oberflächenmontierten und gedruckten Schaltungen.

Mit einer gedruckten Induktivität gemessene Wellenformen sind in Abb. 6b–d für eine Eingangsspannung von 4,0 V und einen Lastwiderstand von 1000 Ω dargestellt. Abbildung 6c zeigt die Spannung am Vsw-Anschluss des IC; Die Induktorspannung beträgt Vin-Vsw. Abbildung 6d zeigt den Strom in den Induktor. Der Wirkungsgrad der Schaltungen mit SMT- und gedruckten Bauteilen ist in Abhängigkeit von Eingangsspannung und Lastwiderstand in Abb. 6e dargestellt, Abb. 6f zeigt das Verhältnis des Wirkungsgrads mit gedruckten Bauteilen zu dem mit SMT-Bauteilen. Die gemessenen Wirkungsgrade mit den SMT-Komponenten ähneln den erwarteten Werten im Datenblatt des Herstellers14. Bei hohen Eingangsströmen (geringer Lastwiderstand und niedrige Eingangsspannung) ist der Wirkungsgrad bei der gedruckten Induktivität aufgrund des höheren Serienwiderstands wesentlich geringer als bei der SMT-Induktivität. Mit höherer Eingangsspannung und höherem Ausgangsstrom werden die Widerstandsverluste jedoch geringer und die Leistung des gedruckten Induktors beginnt sich der des SMT-Induktors anzunähern. Bei Lastwiderständen >500 Ω mit Vin = 4,0 V oder >750 Ω mit Vin = 3,5 V beträgt der Wirkungsgrad mit der gedruckten Induktivität >85 % des SMT-Induktors.

Ein Vergleich der Stromwellenform in Abb. 6d mit dem gemessenen Leistungsverlust zeigt, dass erwartungsgemäß hauptsächlich Widerstandsverluste im Induktor für den Unterschied im Wirkungsgrad zwischen den gedruckten und SMT-Schaltkreisen verantwortlich sind. Die gemessene Eingangs- und Ausgangsleistung für 4,0 V Eingangsspannung und 1000 Ω Lastwiderstand betrug 30,4 mW bzw. 25,8 mW für die Schaltung mit SMT-Komponenten und 33,1 mW bzw. 25,2 mW für die Schaltung mit gedruckten Komponenten. Der Verlust in der gedruckten Schaltung beträgt somit 7,9 mW und ist damit 3,4 mW höher als bei der Schaltung mit SMT-Bauteilen. Der aus der Wellenform in Abb. 6d berechnete RMS-Induktorstrom beträgt 25,6 mA, was aufgrund seines Serienwiderstands von 4,9 Ω einen erwarteten Leistungsverlust von 3,2 mW ergibt. Dies entspricht 96 % der gemessenen Gleichstromdifferenz von 3,4 mW. Darüber hinaus wurden Schaltkreise mit einer gedruckten Induktivität und gedruckten Widerständen sowie einer gedruckten Induktivität und SMT-Widerständen hergestellt, und es wurde kein signifikanter Unterschied in der Effizienz zwischen ihnen beobachtet.

Anschließend wurde ein Spannungsregler auf einer Flex-PCB hergestellt (die Leistung dieser Schaltung mit gedruckten vs. SMT-Komponenten ist in der ergänzenden Abbildung S1 dargestellt) und zwischen einer flexiblen Lithium-Ionen-Batterie als Quelle und einer Reihe von OLEDs als Last angeschlossen . Die OLEDs wurden gemäß Lochner et al.9 hergestellt und jedes OLED-Pixel verbrauchte 0,6 mA bei 5 V. Die Batterie verwendete Lithiumkobaltoxid und Graphit als Kathode bzw. Anode und wurde durch Rakelbeschichtung, dem gebräuchlichsten Batteriedruckverfahren, hergestellt. 7 Die Kapazität des Akkus betrug zum Testzeitpunkt 16 mAh und seine Spannung 4,0 V. Abbildung 7 zeigt ein Foto der Schaltung auf einer Flex-PCB, die drei parallel geschaltete OLED-Pixel mit Strom versorgt. Diese Demonstration zeigt das Potenzial der gedruckten Leistungskomponenten, mit anderen flexiblen und organischen Geräten integriert zu werden, um komplexere elektronische Systeme zu bilden.

Foto einer Spannungsreglerschaltung auf einer Flex-PCB mit gedruckter Induktivität und Widerständen, die eine flexible Lithium-Ionen-Batterie zur Stromversorgung von drei organischen LEDs verwendet.

Wir haben siebgedruckte Induktivitäten, Kondensatoren und Widerstände mit verschiedenen Werten auf flexiblen PET-Substraten demonstriert, mit dem Ziel, oberflächenmontierte Komponenten in der Leistungselektronik zu ersetzen. Wir haben gezeigt, dass der Widerstand der Induktoren, der für die Leistungselektronik von großer Bedeutung ist, um mehr als eine Größenordnung reduziert werden kann, indem die Spirale mit großem Durchmesser, Füllverhältnis und Leitungsbreite-Zwischenraum-Breite-Verhältnis entworfen wird und indem a verwendet wird dicke Schicht Tinte mit niedrigem Widerstand. Die Komponenten wurden in einen vollständig gedruckten und flexiblen RLC-Schaltkreis integriert und zeigen ein vorhersagbares elektrisches Verhalten im kHz-MHz-Frequenzbereich, der für die Leistungselektronik am interessantesten ist.

Ein typischer Anwendungsfall für gedruckte Leistungselektronik wäre ein tragbares oder produktintegriertes flexibles elektronisches System, das von einer flexiblen wiederaufladbaren Batterie, beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batterie, angetrieben wird, die je nach Ladezustand eine variable Spannung erzeugt. Wenn die Lasten, zu denen gedruckte und organische elektronische Geräte gehören würden, eine konstante Spannung oder eine Spannung benötigen, die höher als die Batterieleistung ist, ist ein Spannungsregler erforderlich. Aus diesem Grund wurden die gedruckte Induktivität und die Widerstände zusammen mit einem herkömmlichen Silizium-IC in einen Aufwärtsspannungsregler integriert, der zur Versorgung von OLEDs mit einer konstanten Spannung von 5 V aus einer Batteriequelle mit variabler Spannung verwendet wurde. Der Wirkungsgrad der Schaltung übertraf 85 % des Wirkungsgrads einer Steuerschaltung mit oberflächenmontierten Induktivitäten und Widerständen über einen Bereich von Lastströmen und Eingangsspannungen. Trotz der Material- und Geometrieoptimierung blieben Widerstandsverluste im Induktor der begrenzende Faktor für die Schaltungsleistung bei hohen Stromstärken (Eingangsstrom größer als etwa 10 mA). Bei niedrigeren Strömen verringerten sich jedoch die Verluste im Induktor und die Gesamtleistung wurde durch den IC-Wirkungsgrad begrenzt. Da viele gedruckte und organische Geräte relativ niedrige Ströme benötigen, wie beispielsweise die in unserer Demonstration verwendeten kleinen OLEDs, kann die gedruckte Leistungsinduktivität für diese Art von Anwendung als geeignet erachtet werden. Ein höherer Gesamtwirkungsgrad des Wandlers kann durch die Verwendung eines IC erreicht werden, der für den höchsten Wirkungsgrad bei niedrigeren Stromstärken ausgelegt ist.

In dieser Arbeit wurden Spannungsregler auf herkömmlichen PCB-, Flex-PCB- und Löttechniken für die oberflächenmontierten Komponenten aufgebaut und die gedruckten Komponenten wurden auf separaten Substraten hergestellt. Allerdings sollten die niedrigen Temperaturen und hochviskosen Tinten, die zur Herstellung von Siebdruckfolien verwendet werden, das Drucken der passiven Komponenten sowie der Verbindungen zwischen Geräten und Kontaktpads für oberflächenmontierte Komponenten auf beliebige Substrate ermöglichen. In Kombination mit der Verwendung vorhandener leitfähiger Niedertemperaturklebstoffe für die oberflächenmontierten Komponenten würde dies den Aufbau der gesamten Schaltung ohne subtraktive Prozesse wie PCB-Ätzen auf einem kostengünstigen Substrat wie PET ermöglichen. Die in dieser Arbeit entwickelten siebgedruckten passiven Komponenten tragen daher dazu bei, den Weg für flexible elektronische Systeme zu ebnen, die Energiequellen und Lasten mit leistungsstarker Leistungselektronik integrieren und dabei kostengünstige Substrate, hauptsächlich additive Prozesse und eine minimale Anzahl oberflächenmontierter Komponenten verwenden.

Alle Schichten der passiven Komponenten wurden mit einem Asys ASP01M-Siebdrucker und Edelstahlsieben von Dynamesh Inc. im Siebdruck auf flexible PET-Substrate mit einer Dicke von 76 μm gedruckt. Die Maschenweite betrug 400 Fäden pro Zoll für die Metallschichten und 250 Fäden pro Zoll für die Dielektrikums- und Widerstandsschichten. Der Siebdruck wurde mit einer Rakelkraft von 55 N, einer Druckgeschwindigkeit von 60 mm/s, einem Abreißabstand von 1,5 mm und Serilor-Rakeln mit einer Härte von 65 Durometer (für Metall- und Widerstandsschichten) oder 75 Durometer (für dielektrische Schicht) durchgeführt. .

Leitfähige Schichten – Induktoren und die Kontakte zu den Kondensatoren und Widerständen – wurden entweder mit silberner Mikroflockentinte Dupont 5082 oder Dupont 5064H gedruckt. Die Widerstände wurden aus Dupont 7082-Kohlenstoffleiter gedruckt. Als Kondensatordielektrikum wurde das Bariumtitanat-Dielektrikum Conductive Compounds BT-101 verwendet. Jede Schicht aus Dielektrikum wurde in einem Druckzyklus mit zwei Durchgängen (Nass-Nass) hergestellt, um die Gleichmäßigkeit des Films zu verbessern. Für jede Komponente wurde die Auswirkung mehrerer Druckzyklen auf die Komponentenleistung und -variabilität untersucht. Proben, die mit mehreren Schichten desselben Materials hergestellt wurden, wurden zwischen den Schichten 2 Minuten lang bei 70 °C trocknen gelassen. Nach der letzten Schicht jedes Materials wurden die Proben 10 Minuten lang bei 140 °C eingebrannt, um eine vollständige Trocknung sicherzustellen. Zur Ausrichtung nachfolgender Schichten wurde die automatische Ausrichtungsfunktion des Siebdruckers verwendet. Kontakte zur Mitte des Induktors wurden hergestellt, indem ein Durchgang in das mittlere Pad geschnitten und mit Dupont 5064H-Tinte eine Spur auf die Rückseite des Substrats gedruckt wurde. Verbindungen zwischen gedruckten Geräten wurden ebenfalls aus Dupont 5064H schablonengedruckt. Zur Demonstration gedruckter Komponenten und SMT-Komponenten zusammen auf einer flexiblen Leiterplatte, wie in Abb. 7 dargestellt, wurden gedruckte Komponenten mit leitfähigem Epoxidharz Circuit Works CW2400 befestigt und SMT-Komponenten wurden mit herkömmlichem Löten befestigt.

Als Kathode bzw. Anode der Batterie dienten Elektroden auf Lithium-Kobaltoxid- (LCO) und Graphitbasis. Die Aufschlämmung für die Kathode war eine Mischung aus 80 Gew.-% LCO (MTI Corp.), 7,5 Gew.-% Graphit (KS6, Timcal), 2,5 Gew.-% Ruß (Super P, Timcal) und 10 Gew.-% Polyvinylidenfluorid (PVDF, Kureha Corp.). .) und für die Anode eine Mischung aus 84 Gew.-% Graphit, 4 Gew.-% Ruß und 13 Gew.-% PVDF. N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP, Sigma Aldrich) wurde verwendet, um das PVDF-Bindemittel aufzulösen und die Aufschlämmung zu dispergieren. Die Aufschlämmungen wurden durch Rühren über Nacht mit einem Vortex-Mischer homogenisiert. Als Stromkollektoren für die Kathode bzw. Anode dienten eine 0,0005 Zoll dicke Edelstahlfolie und eine 10 μm dicke Nickelfolie. Die Tinten wurden mit einer Rakel mit einer Druckgeschwindigkeit von 20 mm/s auf den Stromkollektor gedruckt. Die Elektroden wurden in einem Ofen 2 Stunden lang auf 80 °C erhitzt, um das Lösungsmittel zu entfernen. Die Höhe der Elektrode nach dem Trocknen betrug ~60 μm, was zu einer theoretischen Kapazität von 1,65 mAh/cm2, basierend auf dem Gewicht des aktiven Materials, führte. Die Elektroden wurden auf eine Abmessung von 1,3 × 1,3 cm2 zugeschnitten und über Nacht in einem Vakuumofen auf 140 °C erhitzt, bevor sie mit einem mit Aluminium beschichteten Beutel in einer mit Stickstoff gefüllten Handschuhbox versiegelt wurden. Als Elektrolyt für die Batterie diente eine Membran auf Polypropylenbasis, die durch Anode und Kathode getrennt war, und eine Lösung von 1 M LiPF6 in EC/DEC (1:1).

Grüne OLEDs wurden aus einer Mischung von Poly(9,9-dioctylfluoren-co-n-(4-butylphenyl)-diphenylamin) (TFB) und Poly((9,9-dioctylfluoren-2,7-diyl)-alt-) hergestellt. (2,1,3-Benzothiadiazol-4, 8-diyl)) (F8BT) gemäß dem in Lochner et al.9 beschriebenen Verfahren.

Die Filmdicke wurde mit einem Dektak-Stiftprofilometer gemessen. Die Filme wurden geschnitten, um Querschnittsproben für eine Untersuchung mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) vorzubereiten. Zur Charakterisierung der Struktur der bedruckten Filme und zur Bestätigung der Dickenmessungen wurde ein FEI Quanta 3D Field Emission Gun (FEG) SEM verwendet. Die SEM-Studie wurde bei einer Beschleunigungsspannung von 20 keV und einem typischen Arbeitsabstand von 10 mm durchgeführt.

Gleichstromwiderstände, Spannungen und Ströme wurden mit einem Digitalmultimeter gemessen. Die Wechselstromimpedanz von Induktivitäten, Kondensatoren und Schaltkreisen wurde mit einem Agilent E4980 LCR-Messgerät für Frequenzen unter 1 MHz und einem Agilent E5061A Netzwerkanalysator für Frequenzen über 500 kHz gemessen. Die Wellenformen des Spannungsreglers wurden mit einem Tektronix TDS 5034-Oszilloskop gemessen.

Zitierweise für diesen Artikel: Ostfeld, AE et al. Siebgedruckte passive Komponenten für flexible Leistungselektronik. Wissenschaft. Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).

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Diese Arbeit wurde teilweise von der National Science Foundation im Rahmen der Kooperationsvereinbarung Nr. ECCS-1202189 unterstützt. AEO und CML wurden durch das NSF Graduate Research Fellowship Program unter der Fördernummer 1106400 unterstützt. Wir danken Cambridge Display Technology Limited (CDT) für die Bereitstellung von OLED-Materialien und Dr. Anita Flynn, Dr. Balthazar Lechêne, Joseph Corea und Yasser Khan für hilfreiche technische Hilfe Diskussionen.

Fakultät für Elektrotechnik und Informatik, University of California, Berkeley, Kalifornien, 94720, USA

Aminy E. Ostfeld, Igal Deckman, Abhinav M. Gaikwad, Claire M. Lochner und Ana C. Arias

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AEO entwarf und fertigte die passiven Komponenten und Schaltkreise und führte eine elektrische Charakterisierung durch. ID führte die REM-Bildgebung durch. AMG hat die Batterien hergestellt. CML hat die OLEDs hergestellt. AEO schrieb das Manuskript, während ACA, ID und AMG zum experimentellen Design und Schreiben beitrugen. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und kommentierten das Manuskript.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

Dieses Werk ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe nichts anderes angegeben ist; Wenn das Material nicht unter der Creative-Commons-Lizenz enthalten ist, müssen Benutzer die Erlaubnis des Lizenzinhabers einholen, um das Material zu reproduzieren. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Nachdrucke und Genehmigungen

Ostfeld, A., Deckman, I., Gaikwad, A. et al. Siebgedruckte passive Komponenten für flexible Leistungselektronik. Sci Rep 5, 15959 (2015). https://doi.org/10.1038/srep15959

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Eingegangen: 20. August 2015

Angenommen: 5. Oktober 2015

Veröffentlicht: 30. Oktober 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep15959

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