印刷电子

印刷电子设计

电子产品设计与开发领域一个令人振奋的演进，是能够将电子电路直接印刷到基材上，例如作为产品一部分的塑料模件上。

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这些幻灯片展示了一个印刷电子布局示例的 2D 和 3D 视图。（图片由 “csi entwicklungstechnik” 提供，来自其采用 TactoTek® In-Mold Structural Electronics 的设计）。

这种面向表面的实现技术被称为 Printed Electronics。虽然术语 Printed Electronics 并不能精确描述该技术（因为“印刷”并不是唯一的制造手段），但该术语在行业内被广泛接受，因此本页将使用该术语。

目前正在开发多种实现印刷电子的方法，包括：使用导电油墨的 3D 打印；可同时形成导体以及晶体管等简单电路元件的冲压工艺；以及能够以超高精度在极小尺度上构建导电路径的激光沉积工艺。

印刷电子将成为一项关键技术，使电子技术能够融入新的市场。印刷电子让电路与产品之间实现更紧密的结合。从可直接贴附在人体上的柔性传感器，到多传感器、指尖形状的模件（使机器人手在向软塑料杯中倒入液体时仍能稳稳握持），印刷电子将推动众多细分市场中创新解决方案的诞生。 

技术原理

从技术所实现的 what 来看，核心规则并未改变——电子元件仍通过导电通路相互连接，形成执行有用功能的电子电路。不同之处在于构建电路的方式。

传统 PCB 所采用的层叠式制造技术属于 reductive process。每一层导电层最初都是一整片连续的导电材料（如铜箔），随后通过蚀刻去除多余部分，仅保留形成所需导电通路的铜。它也是一个多阶段流程：各导电层与绝缘层交替叠合，并配合钻孔与后续电镀等工艺。

印刷电子属于 additive process：信号通路直接印刷在基材上。如果后续的信号通路需要跨越已有通路，则在所需位置直接印刷一小块绝缘材料。它像一座微型桥梁，使新的信号通路能够跨过既有通路而不与其电连接。举例来说，如果设计采用 DuPont InMold 技术，电路会先印刷在平整的塑料基材上，然后再进行热成型与注塑，最终形成产品的目标外形。 

采用印刷电子后，不再需要传统的刚性玻纤 PCB 基板。电路将直接作为产品的一部分形成，导体最终会沿着产品表面的形状与轮廓走线。由于材料用量更少、废料更少，在许多场景下，印刷电子最终将比传统 PCB 更具成本效益。 

在 Altium Designer 中设计印刷电子

除了承载印刷的基材外，印刷电子产品中并不存在物理层——导电通路直接印刷在基材上。当设计需要通路相互跨越时，会在该位置印刷一小块介电材料，并在跨越区域之外适当扩展，以达到不同信号之间所需的隔离水平。 

用于驱动印刷流程所需的输出文件，使用标准输出格式生成，例如 Gerber。

输出将包含以下文件：

• 每一次导电印刷走线（pass）——本质上类似于传统 PCB 中的铜走线层
• 每一次介电印刷走线（pass）——由于介电“补丁”需要被印刷，其形状也必须在输出文件（如 Gerber 文件）中定义。

定义层叠结构

那么，在 PCB 编辑器中如何定义这些多次印刷走线（pass）呢？在印刷电子中，每一次印刷走线都需要一个输出文件，因此与其将其视为由介电层分隔的一系列铜层，不如将其视为一组印刷走线：每一次走线要么是导电油墨层，要么是非导电油墨层。

要创建印刷电子设计，首先通过主菜单使用 File » New » PCB 新建一个 PCB。

将新板配置为印刷电子设计，需要在 Layer Stack Manager 中完成。通过主菜单选择 Design » Layer Stack Manager 以访问 Layer Stack Manager。使用  下拉菜单并选择 Printed Electronics ，或通过主菜单选择 Tools » Features » Printed Electronics。

新建 PCB 默认包含两层铜层，中间由一层介电层分隔。

当启用 Printed Electronics 功能后，两层铜层之间的介电层会消失。为什么？因为印刷电子要求每一层都生成一个输出文件，而介电层并不用于生成输出文件，因此不会使用传统意义上的介电层。

当启用 Printed Electronics 功能后，介电层会被移除。

取而代之的是添加非导电层。在这些层上，可以在导电层的信号路径需要相互跨越的位置，手动或自动定义称为补丁（patch）的介电形状。

Non-Conductive可在 Conductive 层之间插入层，并在其上定义介电补丁。
在某一层上右键，可在其上方或下方插入层、将层上移或下移，或删除该层。印刷电子不使用 Bottom Solder 或 Bottom Overlay；这些已被移除。

添加完各层后，为每一层设置材料属性。

使用省略号按钮为每个印刷层选择要使用的材料。

材料选择

传统 PCB 设计与印刷电子设计所用材料，都在 Layer Stack Manager 的 Material Library 中选择。

当 Layer Stack Manager 打开时，使用 Tools » Material Library 命令打开 Altium Material Library 对话框。

• Altium Material Library 对话框包含导电层与非导电层的材料。
• 可在库中定义新材料，点击对话框底部的 New 按钮。如果创建了用户自定义材料，可将其保存到并从用户自定义材料库中加载。
• 要为特定层选择材料，请在 Layer Stack Manager 中该层对应的 Material 单元格里点击省略号控件（）。将打开 Select Material 对话框，并仅显示适用于该层类型的材料。选择所需材料并点击 OK。

属性面板

当 Layer Stack 文档的 Printed Electronics Stackup 选项卡处于活动状态时， Properties 面板允许你编辑并配置印刷设计的 Layer Stack 层属性。

• Layer
  • Name – 层名称。
  • Manufacturer – 层制造商。
  • Material – 层材料。可在 Altium Material Library dialog（Tools » Material Library）的 Constructions 字段中预先定义，或在 Layer Stack 中由用户自定义。点击 打开 Select Material dialog，为层叠结构中当前选中的层选择所需材料。
  • Thickness – 信号层厚度。
  • Dk – 介电常数（在电磁学中也称为 εr）。它表示绝缘材料的相对介电率，即材料在电场中储存电能的能力。用于绝缘时，介电常数较低的材料更好；在射频应用中，较高的介电常数可能更理想。此外，相对介电常数越低，材料性能越接近空气。该属性对于满足某些传输线的阻抗匹配要求至关重要。
  • Df – 损耗因子（Dissipation Factor）。它通过显示在某种振荡模式（如机械、电气或机电振荡）下的能量损失速率来表征绝缘材料的效率。换言之，该属性描述了传输能量中有多少被材料吸收。损耗正切越大，材料吸收的能量越多。该属性会直接影响高速信号的衰减。
  • Frequency – 材料测试频率，以及 Dk / Df 的数值所对应的频率。频率也可来自材料参考资料。
  • Description – 输入有意义的描述。
  • Color – 所需的阻焊颜色。点击打开下拉菜单以设置/更改颜色。
  • Solid – 不适用
  • Material Frequency – 不适用
  • GlassTransTemp – 玻璃化转变温度（Glass Transition Temperature，也称为 T_G），指树脂从玻璃态转变为无定形态并改变其机械行为（例如膨胀率）的温度。
  • Note – 输入该层的任何相关备注。
  • Comment– 输入该层所需的任何注释。
• Board
  • Library Compliance – 启用后，对于从材料库中选择的每一层，会将当前层属性与库中该材料定义的数值进行比对检查。
  • Layers – 导电层的数量。
  • Dielectrics – 介质层的数量。
  • Conductive Thickness – 所有信号层与平面层（所有铜层或导电层）厚度之和。
  • Dielectric Thickness – 介质层的厚度。
  • Total Thickness – 成品板的总厚度。
• Other

Roughness – 显示导电层的粗糙度。

• Model Type – 用于计算表面粗糙度影响的首选模型（有关各种模型的更多信息，请参阅下方文章）。适用于叠层中的所有铜层。
• Surface Roughness – 表面粗糙度的数值（可从制造商处获得）。输入 0 到 10µm 之间的数值，默认值为 0.1µm
• Roughness Factor – 用于表征由于粗糙度效应导致导体损耗的预期最大增幅。输入 1 到 100 之间的数值，默认值为 2。

布线网络

• 印刷电子设计中的网络布线方式与传统 PCB 相同，使用 Interactive Routing 命令。
• 导电层之间的切换可通过数字小键盘上的 + 和 - 键，或使用 Ctrl+Shift+Wheelroll 快捷键来完成。
• 在布线过程中切换层时会添加一个过孔，过孔属性由适用的 Routing Via Style 设计规则决定。

需要过孔吗？

软件需要放置过孔，以在布线过程中保持网络连通性，并在通过推挤或拖动修改布线时管理连通性。层与层之间的连通并不需要过孔，软件假定不同层上重叠的走线是相互连接的。

增加走线厚度

如有需要，可以叠加走线厚度，例如实现印刷天线等结构。方法是在不同导电层上将多条走线相互叠放。

添加介质形状

网络布线完成后，下一步是创建用于隔离不同网络交叉处所需的介质补丁。介质形状定义在非导电层上。它们可以手动定义，也可以使用 Dielectric Shapes Generator 自动创建。

介质形状生成器

软件还包含一个自动 Dielectric Shapes Generator。其思路是先在导电层上按需求完成布线，并通过放置过孔在层间切换。

布线完成后，运行 Tools » Printed Electronics » Generate Dielectric Patterns 命令以打开 Dielectric Shapes Generator 对话框。运行介质形状生成器时，它会删除目标层上的所有形状，然后重新创建它们。如果已手动定义形状，请在运行 Dielectric Shapes Generator 之前将其锁定。

网络连通性与设计规则检查

当层叠配置为 Printed Electronics 时，由于用于定义违规条件的逻辑不同（例如不同层上的网络交叉会被标记为短路），因此不支持在线 DRC。布线完成并定义隔离补丁后，在 Design Rule Checker 对话框（Tools » Design Rule Check）中单击 Run Design Rule Check 按钮以执行批量 DRC。

关于网络连通性与设计规则检查的说明：

• 当网络需要切换到另一导电层时，请插入过孔。这可确保在拖动或推挤布线时，走线段能被正确处理。
• 不同层上的接触/交叉走线被视为已连接。如果它们属于同一网络，不会被标记为断网；如果属于不同网络，则会被标记为短路。
• 需要使用介质形状来隔离接触/交叉走线，该形状放置在非导电层上。介质形状可手动放置，或由 Dielectric Shape Generator 放置。介质形状必须充分超出交叉走线的边缘，以满足适用的间距约束设计规则。
• 对于印刷电子设计，短路、间距违规以及未布线网络的设计规则检查行为如下所述。

短路设计规则

在 Printed Electronics 设计中，当不同网络在不同层上交叉时，会被标记为短路。通过在非导电层上放置介质补丁来隔离这些交叉。

间距设计规则

网络与网络之间的间距会在所有层上进行测试，而不仅仅是在同一层上。

未布线网络

层间切换不需要过孔，网络分析器会识别该网络未断开。