Componentes pasivos serigrafiados para electrónica de potencia flexible

Scientific Reports volumen 5, Número de artículo: 15959 (2015) Citar este artículo

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Los procesos de impresión aditivos y de baja temperatura permiten la integración de diversos dispositivos electrónicos, tanto de suministro como de consumo de energía, en sustratos flexibles a bajo costo. Sin embargo, la producción de un sistema electrónico completo a partir de estos dispositivos a menudo requiere electrónica de potencia para convertir entre los diversos voltajes operativos de los dispositivos. Los componentes pasivos (inductores, capacitores y resistencias) realizan funciones como filtrado, almacenamiento de energía a corto plazo y medición de voltaje, que son vitales en la electrónica de potencia y muchas otras aplicaciones. En este artículo, presentamos inductores, capacitores, resistencias y un circuito RLC serigrafiados sobre sustratos de plástico flexible e informamos sobre el proceso de diseño para minimizar la resistencia en serie del inductor que permite su uso en electrónica de potencia. Luego, los inductores y las resistencias impresos se incorporan a un circuito regulador de voltaje elevador. Se fabrican diodos emisores de luz orgánicos y una batería de iones de litio flexible y se usa el regulador de voltaje para alimentar los diodos de la batería, lo que demuestra el potencial de los componentes pasivos impresos para reemplazar los componentes convencionales de montaje en superficie en una aplicación de convertidor CC-CC.

En los últimos años se ha visto el desarrollo de una amplia variedad de dispositivos flexibles para aplicaciones en electrónica portátil y de gran superficie e Internet de las cosas1,2. Estos incluyen dispositivos de recolección de energía como fotovoltaicos3, piezoeléctricos4 y termoeléctricos5; dispositivos de almacenamiento de energía como baterías6,7; y dispositivos que consumen energía, como sensores8,9,10,11,12 y fuentes de luz13. Si bien se ha logrado un gran progreso en las fuentes y cargas de energía individuales, la combinación de estos componentes en un sistema electrónico completo generalmente también requiere electrónica de potencia para superar cualquier desajuste entre el comportamiento de la fuente y los requisitos de las cargas. Por ejemplo, las baterías producen un voltaje variable dependiendo de su estado de carga. Si una carga requiere un voltaje constante, o un voltaje más alto que el que puede producir la batería, entonces se necesita la electrónica de potencia. La electrónica de potencia utiliza componentes activos, transistores, para realizar funciones de conmutación y control, así como componentes pasivos: inductores, condensadores y resistencias. En un circuito regulador de voltaje de conmutación, por ejemplo, se emplean inductores para almacenar energía durante cada ciclo de conmutación, se usan capacitores para reducir la fluctuación de voltaje y la medición de voltaje requerida para el control de retroalimentación se logra usando un divisor de resistencia.

La electrónica de potencia adecuada para las demandas de dispositivos portátiles como el oxímetro de pulso9, que requiere unos pocos voltios y unos pocos miliamperios, generalmente opera a frecuencias en el rango de cientos de kHz a unos pocos MHz y requiere inductancia y capacitancia de varios μH y varios µF, respectivamente14. El enfoque convencional para fabricar estos circuitos es soldar componentes discretos en una placa de circuito impreso (PCB) rígida. Si bien los componentes activos de un circuito electrónico de potencia a menudo se combinan en un solo circuito integrado (IC) de silicio, los componentes pasivos suelen ser externos, ya sea para permitir la personalización del circuito o porque los valores de inductancia y capacitancia requeridos son demasiado grandes para lograrlos. en silicio.

La fabricación de dispositivos y circuitos electrónicos mediante procesos de impresión aditiva ofrece una serie de ventajas en términos de simplicidad y costo en comparación con las técnicas de fabricación convencionales basadas en PCB. En primer lugar, dado que muchos componentes de un circuito requieren los mismos materiales, como el metal para los contactos y las interconexiones, la impresión permite fabricar varios componentes simultáneamente, con relativamente pocos pasos de procesamiento y pocas fuentes de materiales15. Reemplazar los procesos sustractivos como la fotolitografía y el grabado con procesos aditivos reduce aún más la complejidad del proceso y el desperdicio de materiales16,17,18,19. Además, las bajas temperaturas utilizadas en la impresión son compatibles con sustratos plásticos flexibles y económicos, lo que permite cubrir grandes áreas con componentes electrónicos utilizando procesos de fabricación rollo a rollo de alta velocidad16,20. Para las aplicaciones que no pueden realizarse completamente utilizando componentes impresos, se han desarrollado enfoques híbridos en los que los componentes de tecnología de montaje superficial (SMT) se unen a baja temperatura a sustratos flexibles junto con los componentes impresos21,22,23. En tales enfoques híbridos, sigue siendo deseable reemplazar tantos componentes SMT como sea posible con sus contrapartes impresas para aprovechar los beneficios de los procesos aditivos y mejorar la flexibilidad general del circuito. Para lograr una electrónica de potencia flexible, proponemos una combinación de componentes activos SMT y componentes pasivos serigrafiados, con especial énfasis en reemplazar los voluminosos inductores SMT por inductores espirales planos. De las diversas tecnologías para fabricar electrónica impresa, la serigrafía es especialmente adecuada para componentes pasivos debido a su gran espesor de película (que es necesario para minimizar la resistencia en serie de las características metálicas) y su alta velocidad de impresión, incluso cuando se cubren áreas de escala centimétrica con material24.

Es fundamental minimizar las pérdidas en los componentes pasivos de la electrónica de potencia, ya que la eficiencia del circuito afecta directamente el tamaño de la fuente de energía que se requiere para alimentar un sistema. Esto es particularmente desafiante para los inductores impresos, que consisten en bobinas largas y, por lo tanto, son susceptibles a una alta resistencia en serie. Como resultado, aunque ha habido algún esfuerzo para minimizar la resistencia de las bobinas impresas25,26,27,28, sigue habiendo una falta de componentes pasivos impresos eficientes para la electrónica de potencia. Hasta la fecha, muchos componentes pasivos impresos informados sobre sustratos flexibles están diseñados para operar en circuitos resonantes para fines de identificación por radiofrecuencia (RFID) o recolección de energía10,12,25,27,28,29,30,31. Otros se enfocan en el desarrollo de materiales o procesos de fabricación y demuestran componentes de propósito general que no están optimizados para una aplicación en particular26,32,33,34. Los circuitos electrónicos de potencia, como los reguladores de voltaje, por el contrario, tienden a utilizar componentes más grandes que las demostraciones típicas de pasivos impresos y no requieren resonancia, por lo que exigen diferentes diseños de componentes.

Aquí, presentamos el diseño y la optimización de inductores serigrafiados en el rango de μH para lograr una resistencia en serie mínima y un alto rendimiento en frecuencias relevantes para la electrónica de potencia. Los inductores, capacitores y resistencias serigrafiados con varios valores de componentes se fabrican sobre sustratos de plástico flexible. La idoneidad de estos componentes para la electrónica flexible se demuestra por primera vez en un circuito RLC simple. Luego, los inductores y las resistencias impresos se integran con un IC para formar un regulador de voltaje elevador. Finalmente, se fabrican diodos orgánicos emisores de luz (OLED) y una batería flexible de iones de litio y el regulador de voltaje se usa para alimentar los OLED desde la batería.

Para diseñar inductores impresos para electrónica de potencia, primero predijimos la inductancia y la resistencia de CC de una variedad de geometrías de inductores según el modelo de hoja actual presentado en Mohan et al.35 y fabricamos inductores de diferentes geometrías para confirmar la precisión del modelo. En este trabajo, se seleccionó una forma circular para los inductores porque se puede lograr una mayor inductancia con una menor resistencia en comparación con las geometrías poligonales36. Se determinó el efecto del tipo de tinta y el número de ciclos de impresión sobre la resistencia. Luego, estos resultados se utilizaron junto con el modelo de hoja actual para diseñar inductores de 4,7 μH y 7,8 μH optimizados para una resistencia de CC mínima.

La inductancia y la resistencia de CC de un inductor en espiral se pueden describir mediante algunos parámetros: el diámetro exterior do, el ancho de vuelta w y el espaciado s, el número de vueltas n y la resistencia de hoja Rsheet del conductor. La figura 1a muestra una fotografía de un inductor circular serigrafiado con n = 12, indicando los parámetros geométricos que determinan su inductancia. La inductancia se calculó para un rango de geometrías de inductores de acuerdo con el modelo de hoja actual de Mohan et al.35, en el que

(a) Fotografía de un inductor serigrafiado, indicando los parámetros geométricos. El diámetro es de 3 cm. Inductancia (b) y resistencia DC (c) para una variedad de geometrías de inductores. Las líneas y los marcadores corresponden a valores calculados y medidos, respectivamente. ( d, e ) Resistencia de CC de los inductores L1 y L2, respectivamente, serigrafiados con tintas de plata Dupont 5028 y 5064H. ( f, g ) Micrografías SEM de películas serigrafiadas de Dupont 5028 y 5064H, respectivamente.

donde μ es la permeabilidad del núcleo (en este caso, aire); davg es el diámetro promedio:

ρ es la relación de llenado:

y din es el diámetro interior:

La resistencia DC está dada por

usando la longitud l de la espiral:

A altas frecuencias, el efecto de piel y la capacitancia parásita cambian la resistencia e inductancia de un inductor de sus valores de CC. Es deseable operar el inductor a frecuencias suficientemente bajas para que estos efectos sean despreciables y el dispositivo se comporte como una inductancia constante con una resistencia constante en serie. Por lo tanto, en este trabajo analizamos las relaciones entre los parámetros geométricos, la inductancia y la resistencia de CC y utilizamos los resultados para obtener una inductancia dada con la mínima resistencia de CC.

La inductancia y la resistencia se calcularon para un rango de parámetros geométricos alcanzables con serigrafía y se esperaba que dieran inductancias en el rango de μH. Se compararon diámetros exteriores de 3 y 5 cm, anchos de línea de 500 y 1000 μm y varios números de vueltas. Los cálculos se realizaron asumiendo una resistencia de lámina de 47 mΩ/□, correspondiente a una sola capa de 7 μm de espesor de microconductor de microescamas de plata Dupont 5028 impresa usando una pantalla de malla 400 y configurando w = s. Los valores de inductancia y resistencia calculados se muestran en la Fig. 1b, c, respectivamente. El modelo predice que tanto la inductancia como la resistencia aumentan a medida que aumentan el diámetro exterior y el número de vueltas, o a medida que disminuye el ancho de la línea.

Se fabricaron inductores que abarcaban una variedad de geometrías e inductancias sobre sustratos de tereftalato de polietileno (PET) para evaluar la precisión de las predicciones del modelo. Los valores de inductancia y resistencia medidos se muestran en la Fig. 1b,c. Mientras que las resistencias muestran alguna desviación de los valores esperados, principalmente debido a variaciones en el espesor y la uniformidad de la tinta depositada, la inductancia muestra una excelente concordancia con el modelo.

Estos resultados se pueden utilizar para diseñar inductores que tengan una inductancia deseada con una resistencia de CC mínima. Por ejemplo, suponga que se desea una inductancia de 2 μH. La Figura 1b muestra que esta inductancia se puede lograr utilizando un diámetro exterior de 3 cm, un ancho de línea de 500 μm y 10 vueltas. La misma inductancia también se puede producir utilizando un diámetro exterior de 5 cm, con un ancho de línea de 500 μm y 5 vueltas o un ancho de línea de 1000 μm y 7 vueltas (también se muestra en la figura). La comparación de la resistencia de estas tres geometrías posibles en la Fig. 1c revela que el inductor de 5 cm con un ancho de línea de 1000 μm tiene la resistencia más baja de 34 Ω, aproximadamente un 40 % más baja que los otros dos. El proceso de diseño generalizado para lograr una inductancia determinada con una resistencia mínima se resume de la siguiente manera: en primer lugar, se selecciona el diámetro exterior más grande permitido en función de las restricciones espaciales impuestas por la aplicación. Luego, el ancho de la línea debe hacerse lo más grande posible y al mismo tiempo permitir que se alcance la inductancia deseada, lo que da como resultado una alta relación de llenado (ecuación (3)).

La reducción de la resistencia de lámina de las películas metálicas, ya sea aumentando el espesor o utilizando un material con mayor conductividad, puede reducir aún más la resistencia de CC sin afectar la inductancia. Se fabricaron dos inductores, con parámetros geométricos dados en la Tabla 1, denominados L1 y L2, con un número variable de capas para evaluar el cambio de resistencia. A medida que aumentaba el número de capas de tinta, la resistencia disminuía proporcionalmente como se esperaba, como se muestra en la Fig. 1d,e para los inductores L1 y L2 respectivamente. La Figura 1d,e muestra que se puede lograr una reducción de la resistencia de hasta 6 veces mediante la aplicación de 6 capas, mientras que la mayor reducción de la resistencia (50-65%) ocurre entre 1 y 2 capas. Se utilizó una pantalla con un tamaño de malla relativamente pequeño (400 hilos por pulgada) para imprimir estos inductores porque cada capa de tinta es relativamente delgada, lo que nos permite investigar el efecto del grosor del conductor en la resistencia. Se podría lograr un espesor (y resistencia) similar más rápido imprimiendo un número menor de capas con un tamaño de malla más grande, siempre que las características del patrón permanezcan más grandes que la resolución mínima de la malla. Este enfoque podría usarse para lograr la misma resistencia de CC que los inductores de 6 capas que se analizan aquí, pero con una mayor velocidad de producción.

La Figura 1d,e también muestra que se logra una reducción doble en la resistencia al usar una tinta de escamas de plata de mayor conductividad, Dupont 5064H. Como se ve en las micrografías SEM de películas impresas con las dos tintas, Fig. 1f, g, la conductividad más baja de la tinta 5028 surge de su tamaño de partícula más pequeño y la presencia de muchos vacíos entre las partículas en la película impresa. El 5064H, por otro lado, tiene escamas más grandes y compactas, lo que le da un comportamiento más cercano al de la plata a granel. Si bien esta tinta produjo películas más delgadas que la tinta 5028, 4 μm para una sola capa y 22 μm para 6 capas, la mejora en la conductividad fue lo suficientemente sustancial como para que la resistencia se redujera en general.

Finalmente, mientras que la inductancia (ecuación (1)) depende del período de las espiras (w + s), la resistencia (ecuación (5)) depende únicamente del ancho de línea w. Por lo tanto, al aumentar w en relación con s, la resistencia puede reducirse aún más. Se diseñaron dos inductores adicionales, L3 y L4, con w = 2s y un diámetro exterior grande, como se muestra en la Tabla 1. Estos inductores se fabricaron usando 6 capas de Dupont 5064H, que se mostró anteriormente para brindar el máximo rendimiento. L3 tuvo una inductancia de 4,720 ± 0,002 μH con una resistencia de 4,9 ± 0,1 Ω, mientras que L4 tuvo 7,839 ± 0,005 μH y 6,9 ± 0,1 Ω, en buena concordancia con las predicciones del modelo. Esto representa una mejora en la relación L/R de más de un orden de magnitud en relación con los valores de la Fig. 1, debido a las mejoras en espesor, conductividad y w/s.

Aunque una baja resistencia de CC es prometedora, la evaluación de la idoneidad de los inductores para la electrónica de potencia que opera en el rango de kHz-MHz requiere una caracterización en frecuencias de CA. La figura 2a muestra la dependencia de la resistencia y la reactancia de L3 y L4 con la frecuencia. Para frecuencias por debajo de 10 MHz, la resistencia permanece aproximadamente constante en su valor de CC y la reactancia aumenta linealmente con la frecuencia, lo que implica una inductancia constante como se esperaba. La frecuencia autorresonante, definida como la frecuencia a la que la impedancia pasa de inductiva a capacitiva, se produce a 35,6 ± 0,3 MHz para L3 y 24,3 ± 0,6 MHz para L4. La dependencia del factor de calidad Q, igual a ωL/R, de la frecuencia se muestra en la Fig. 2b. L3 y L4 alcanzan sus factores de calidad máximos de 35 ± 1 y 33 ± 1 en frecuencias de 11 y 16 MHz respectivamente. La inductancia de varios μH y Q relativamente alto en las frecuencias de MHz hacen que estos inductores sean reemplazos adecuados para los inductores de montaje en superficie convencionales en convertidores CC-CC de baja potencia.

Resistencia medida R y reactancia X (a) y factor de calidad Q (b) versus frecuencia para inductores L3 y L4.

Para minimizar la huella requerida para una capacitancia dada, es deseable usar una tecnología de capacitores con una capacitancia específica grande, igual a la permitividad dieléctrica ε dividida por el espesor del dieléctrico. En este trabajo, elegimos un compuesto de titanato de bario para el dieléctrico, porque presenta mayor ε que otros dieléctricos orgánicos procesados en solución. La capa dieléctrica se serigrafió entre dos capas del conductor de plata para formar una estructura de metal-dieléctrico-metal. Se fabricaron capacitores con varias dimensiones en la escala de centímetros, como se muestra en la Fig. 3a, utilizando dos o tres capas de tinta dieléctrica para mantener un buen rendimiento. La Figura 3b muestra micrografías SEM de sección transversal de un capacitor representativo fabricado con dos capas de dieléctrico, para un espesor dieléctrico total de 21 μm. Los electrodos superior e inferior son una y seis capas de 5064H, respectivamente. Las partículas de titanato de bario a escala micrométrica son visibles en la imagen SEM como áreas más brillantes rodeadas por el aglutinante orgánico más oscuro. La tinta dieléctrica humedece bien el electrodo inferior formando una interfaz clara con la película de metal impresa, como se muestra en la figura insertada de mayor aumento.

(a) Fotografías de los capacitores con cinco áreas diferentes. (b) Micrografías SEM de sección transversal de un capacitor con dos capas de dieléctrico, que muestran el dieléctrico de titanato de bario y los electrodos de plata. (c) Capacitancia de capacitores con 2 y 3 capas de dieléctrico de titanato de bario y área variable, medida a 1 MHz. (d) Capacitancia, ESR y factor de disipación de un capacitor de 2,25 cm2 con 2 capas de dieléctrico, en función de la frecuencia.

La capacitancia escala proporcionalmente con el área como se esperaba, como se muestra en la Fig. 3c, con una capacitancia específica de 0,53 nF/cm2 para dos capas de dieléctrico y 0,33 nF/cm2 para tres capas. Estos valores corresponden a una permitividad de 13. La capacitancia y el factor de disipación (DF) también se midieron a frecuencia variable, como se muestra en la Fig. 3d para un capacitor de 2,25 cm2 con dos capas de dieléctrico. Descubrimos que la capacitancia es relativamente plana en el rango de frecuencia de interés, aumentando un 20 % de 1 a 10 MHz, mientras que el DF aumenta de 0,013 a 0,023 en ese mismo rango. Como el factor de disipación es una relación entre la energía perdida y la energía almacenada por ciclo de CA, un DF de 0,02 significa que se disipa el 2 % de la potencia que maneja el capacitor. Esta pérdida también se expresa a menudo como una resistencia en serie equivalente (ESR) dependiente de la frecuencia, igual a DF/ωC, en serie con el capacitor. Como se muestra en la Fig. 3d, la ESR está por debajo de 1,5 Ω para frecuencias superiores a 1 MHz y por debajo de 0,5 Ω para frecuencias superiores a 4 MHz. Si bien las capacitancias de escala μF necesarias para los convertidores CC-CC requerirían áreas prohibitivamente grandes usando esta tecnología de capacitores, el rango de capacitancia de 100 pF - nF y la baja pérdida de estos capacitores los hace adecuados para otras aplicaciones, como filtros y circuitos resonantes. Se podrían usar varios enfoques para aumentar la capacitancia. Una constante dieléctrica más alta aumentaría la capacitancia específica37; esto se puede lograr aumentando la concentración de partículas de titanato de bario en la tinta, por ejemplo. Se podría usar un espesor dieléctrico más pequeño, aunque esto requeriría un electrodo inferior con menor rugosidad que las hojuelas de plata serigrafiadas. Las capas más finas y de menor rugosidad para los condensadores se pueden depositar mediante impresión de inyección de tinta31 o impresión de huecograbado10, que podría integrarse con el proceso de serigrafía. Finalmente, múltiples capas alternas de metal y dieléctrico podrían imprimirse en una pila y conectarse en paralelo, aumentando la capacitancia por unidad de área34.

Los divisores de voltaje, que consisten en un par de resistencias, se usan normalmente para realizar la medición de voltaje necesaria para el control de retroalimentación de un regulador de voltaje. Para este tipo de aplicación, las resistencias impresas deben presentar resistencias en el rango de kΩ-MΩ y baja variación de dispositivo a dispositivo. Aquí, se encontró que una sola capa de tinta de carbón serigrafiada tenía una resistencia de lámina de 900 Ω/□. Esta información se utilizó para diseñar dos resistencias en línea recta (R1 y R2) y una resistencia en serpentina (R3) con resistencias nominales de 10 kΩ, 100 kΩ y 1,5 MΩ, respectivamente. Las resistencias entre los valores nominales se lograron imprimiendo dos o tres capas de tinta, como se muestra en la Fig. 4 junto con fotografías de las tres resistencias. Se fabricaron de 8 a 12 muestras de cada tipo; en todos los casos, la desviación estándar de las resistencias fue del 10% o menos. Las muestras con dos o tres capas tendieron a tener una variación ligeramente menor en la resistencia que aquellas con una sola capa. La pequeña variación en la resistencia medida y la estrecha concordancia con los valores nominales sugiere que otras resistencias en este rango pueden obtenerse directamente modificando la geometría de la resistencia.

Resistencia de tres geometrías de resistencia diferentes con un número variable de capas de tinta resistiva de carbono. Las fotografías de las tres resistencias se muestran a la derecha.

Se fabricó un circuito RLC, un ejemplo clásico de libro de texto de la combinación de resistencia, inductor y capacitor, para demostrar y verificar el comportamiento de los componentes pasivos integrados en un verdadero circuito impreso. En este circuito se conectaron en serie un inductor de 8 μH y un capacitor de 0.8 nF y en paralelo con ellos se colocó una resistencia de 25 kΩ. En la figura 5a se muestra una fotografía del circuito flexible. Se seleccionó esta particular combinación serie-paralelo porque su comportamiento está dominado por cada uno de los tres componentes a diferentes frecuencias, lo que permite resaltar y evaluar el desempeño de cada uno. Se calculó la respuesta de frecuencia esperada del circuito, teniendo en cuenta la resistencia en serie de 7 Ω del inductor y la ESR de 1,3 Ω del capacitor. El diagrama del circuito se muestra en la Fig. 5b y la magnitud y la fase de la impedancia calculada se muestran en la Fig. 5c yd junto con los valores medidos. A baja frecuencia, la alta impedancia del capacitor significa que el comportamiento del circuito está dominado por la resistencia de 25 kΩ. A medida que aumenta la frecuencia, disminuye la impedancia de la ruta LC; el comportamiento general del circuito es capacitivo hasta la frecuencia de resonancia de 2,0 MHz. Por encima de la frecuencia resonante, domina la impedancia del inductor. La figura 5 muestra claramente la excelente concordancia entre los valores calculados y medidos en todo el rango de frecuencia. Esto significa que el modelo utilizado aquí, donde los inductores y capacitores son componentes ideales con resistencias en serie, es preciso para predecir el comportamiento del circuito a estas frecuencias.

(a) Fotografía de un circuito RLC serigrafiado que utiliza una combinación en serie de un inductor de 8 μH y un condensador de 0,8 nF, en paralelo con una resistencia de 25 kΩ. (b) Modelo del circuito, incluidas las resistencias en serie del inductor y del capacitor. (c, d) Magnitud de impedancia (c) y fase (d) del circuito.

Finalmente, los inductores y resistores impresos se implementaron en un regulador de voltaje elevador. El IC utilizado en esta demostración fue el Microchip MCP1640B14, un regulador elevador síncrono basado en PWM que funciona a 500 kHz. El diagrama del circuito se muestra en la Fig. 6a. Se utiliza un inductor de 4,7 μH y dos condensadores (4,7 μF y 10 μF) como elementos de almacenamiento de energía y se utiliza un par de resistencias para medir el voltaje de salida para el control de retroalimentación. Los valores de las resistencias se eligieron para regular el voltaje de salida a 5 V. El circuito se fabricó en una PCB y se midió su desempeño en un rango de resistencias de carga y voltajes de entrada entre 3 y 4 V, simulando los voltajes de una batería de iones de litio a varios estados de carga. La eficiencia con inductores y resistencias impresas se comparó con la del inductor y resistencias SMT. En todos los casos se usaron capacitores SMT, porque las capacitancias requeridas para esta aplicación eran demasiado grandes para lograrlas usando los capacitores impresos.

(a) Diagrama del circuito regulador de voltaje. (b–d) Formas de onda de (b) Vout, (c) Vsw y (d) corriente en el inductor, con un voltaje de entrada de 4,0 V y una resistencia de carga de 1 kΩ, medidas con un inductor impreso. Para esta medición se utilizaron resistencias y condensadores de montaje en superficie. (e) Eficiencia de un circuito regulador de voltaje que usa todos los componentes de montaje en superficie frente a uno con inductor y resistencias impresas, para varias resistencias de carga y voltajes de entrada. (f) Relación de eficiencias de los circuitos impresos y de montaje en superficie que se muestran en (e).

Las formas de onda medidas con un inductor impreso se muestran en la Fig. 6b–d, para un voltaje de entrada de 4,0 V y una resistencia de carga de 1000 Ω. la Figura 6c muestra el voltaje en el terminal Vsw del IC; El voltaje del inductor es Vin-Vsw. La figura 6d muestra la corriente en el inductor. La eficiencia de los circuitos con SMT y componentes impresos se muestra en función del voltaje de entrada y la resistencia de carga en la Fig. 6e, la Fig. 6f muestra la relación de eficiencia con componentes impresos y componentes SMT. Las eficiencias medidas con los componentes SMT son similares a los valores esperados dados en la hoja de datos del fabricante14. A altas corrientes de entrada (baja resistencia de carga y bajo voltaje de entrada), la eficiencia es sustancialmente menor con el inductor impreso que con el inductor SMT debido a la mayor resistencia en serie. Sin embargo, con un voltaje de entrada más alto y una corriente de salida más alta, las pérdidas resistivas se vuelven menos significativas y el rendimiento con el inductor impreso comienza a acercarse al del inductor SMT. Para resistencias de carga >500 Ω con Vin = 4,0 V o >750 Ω con Vin = 3,5 V, la eficiencia con el inductor impreso es >85 % del inductor SMT.

La comparación de la forma de onda de la corriente en la Fig. 6d con la pérdida de potencia medida muestra que las pérdidas resistivas en el inductor son las principales responsables de la diferencia de eficiencia entre los circuitos impreso y SMT, como se esperaba. La potencia de entrada y salida medida para un voltaje de entrada de 4,0 V y una resistencia de carga de 1000 Ω fueron 30,4 mW y 25,8 mW para el circuito con componentes SMT y 33,1 mW y 25,2 mW para el circuito con componentes impresos, respectivamente. La pérdida en el circuito impreso es, por tanto, de 7,9 mW, que es 3,4 mW superior a la del circuito con componentes SMT. La corriente RMS del inductor calculada a partir de la forma de onda de la Fig. 6d es de 25,6 mA, lo que da una pérdida de potencia esperada de 3,2 mW debido a su resistencia en serie de 4,9 Ω. Esto es el 96 % de la diferencia medida de 3,4 mW en la potencia de CC. Además, los circuitos se fabricaron con un inductor impreso y resistencias impresas, así como con un inductor impreso y resistencias SMT y no se observaron diferencias significativas en la eficiencia entre ellos.

Luego, se fabricó un regulador de voltaje en un PCB flexible (el rendimiento de este circuito con componentes impresos frente a SMT se muestra en la figura complementaria S1) y se conectó entre una batería de iones de litio flexible como fuente y una matriz de OLED como carga. . Los OLED se fabricaron de acuerdo con Lochner et al.9 y cada píxel OLED consumió 0,6 mA a 5 V. La batería empleó óxido de cobalto de litio y grafito, respectivamente, como cátodo y ánodo, y se fabricó mediante recubrimiento de cuchilla, el método de impresión de batería más común. 7 La capacidad de la batería era de 16 mAh y su voltaje era de 4,0 V en el momento de la prueba. La Figura 7 muestra una fotografía del circuito en un PCB flexible, alimentando tres píxeles OLED conectados en paralelo. Esta demostración muestra el potencial de los componentes de potencia impresos para integrarse con otros dispositivos flexibles y orgánicos para formar sistemas electrónicos más complejos.

Fotografía de un circuito regulador de voltaje en una placa de circuito impreso flexible que usa inductores y resistencias impresos, usando una batería de iones de litio flexible para alimentar tres LED orgánicos.

Hemos demostrado inductores, capacitores y resistencias serigrafiados con un rango de valores en sustratos PET flexibles, con el objetivo de reemplazar los componentes de montaje superficial en la electrónica de potencia. Hemos demostrado que la resistencia de los inductores, que es de gran preocupación para la electrónica de potencia, se puede reducir en más de un orden de magnitud diseñando la espiral con un diámetro, una relación de relleno y una relación ancho de línea-ancho de espacio grandes y usando un capa gruesa de tinta de baja resistividad. Los componentes se integraron en un circuito RLC totalmente impreso y flexible y muestran un comportamiento eléctrico predecible en el rango de frecuencia de kHz-MHz que es de mayor interés para la electrónica de potencia.

Un caso de uso típico para la electrónica de potencia impresa sería en un sistema electrónico flexible portátil o integrado en el producto alimentado por una batería recargable flexible, como iones de litio, que produce un voltaje variable dependiendo de su estado de carga. Si las cargas, que incluirían dispositivos electrónicos impresos y orgánicos, requieren un voltaje constante o superior a la salida de la batería, se necesita un regulador de voltaje. Por esta razón, el inductor y las resistencias impresas se integraron en un regulador de voltaje elevador junto con un circuito integrado de silicio convencional, que se utilizó para alimentar los OLED a un voltaje constante de 5 V desde una fuente de batería de voltaje variable. La eficiencia del circuito superó el 85 % de la de un circuito de control que usa inductores y resistencias de montaje superficial en un rango de corrientes de carga y voltajes de entrada. A pesar de la optimización del material y la geometría, las pérdidas resistivas en el inductor siguieron siendo el factor limitante del rendimiento del circuito a altos niveles de corriente (corriente de entrada superior a unos 10 mA). Sin embargo, a corrientes más bajas, las pérdidas en el inductor se redujeron y el rendimiento general se vio limitado por la eficiencia del IC. Dado que muchos dispositivos orgánicos e impresos requieren corrientes relativamente bajas, como los pequeños OLED utilizados en nuestra demostración, el inductor de potencia impreso puede considerarse apropiado para este tipo de aplicación. Se puede lograr una mayor eficiencia general del convertidor utilizando un IC diseñado para tener la mayor eficiencia a niveles de corriente más bajos.

En este trabajo, los reguladores de voltaje se construyeron sobre PCB convencional, PCB flexible y técnicas de soldadura para los componentes de montaje en superficie y los componentes impresos se fabricaron en sustratos separados. Sin embargo, las bajas temperaturas y las tintas de alta viscosidad utilizadas para producir películas serigrafiadas deberían permitir que los componentes pasivos, así como las interconexiones entre dispositivos y las almohadillas de contacto para componentes de montaje superficial, se impriman en sustratos arbitrarios. Esto, combinado con el uso de los adhesivos conductores de baja temperatura existentes para los componentes de montaje en superficie, permitiría construir todo el circuito, sin procesos sustractivos como el grabado de PCB, en un sustrato económico como el PET. Los componentes pasivos serigrafiados desarrollados en este trabajo, por lo tanto, ayudan a allanar el camino para sistemas electrónicos flexibles que integran fuentes y cargas de energía con electrónica de potencia de alto rendimiento, utilizando sustratos económicos, principalmente procesos aditivos y una cantidad mínima de componentes de montaje en superficie.

Todas las capas de los componentes pasivos se serigrafiaron sobre sustratos de PET flexibles, de 76 μm de espesor, utilizando una impresora de pantalla Asys ASP01M y pantallas de acero inoxidable suministradas por Dynamesh Inc. El tamaño de malla fue de 400 hilos por pulgada para las capas de metal y 250 hilos por pulgada para las capas dieléctrica y resistiva. La serigrafía se realizó utilizando una fuerza de rasero de 55 N, una velocidad de impresión de 60 mm/s, una distancia de arranque de 1,5 mm y raseros Serilor con dureza de 65 durómetro (para capas de metal y resistencia) o 75 durómetro (para capa dieléctrica) .

Las capas conductoras, los inductores y los contactos de los capacitores y las resistencias, se imprimieron con tinta de microescamas de plata Dupont 5082 o Dupont 5064H. Las resistencias se imprimieron a partir de un conductor de carbono Dupont 7082. Para el dieléctrico del capacitor, se usó el dieléctrico de titanato de bario Conductive Compounds BT-101. Cada capa de dieléctrico se produjo utilizando un ciclo de impresión de doble paso (húmedo-húmedo) para mejorar la uniformidad de la película. Para cada componente, se examinó el efecto de varios ciclos de impresión sobre el rendimiento y la variabilidad de los componentes. Las muestras hechas con múltiples capas del mismo material se dejaron secar durante 2 minutos a 70 °C entre capas. Después de la capa final de cada material, las muestras se hornearon a 140 °C durante 10 minutos para asegurar un secado completo. La función de alineación automática de la serigrafía se utilizó para alinear las capas posteriores. Los contactos con el centro del inductor se realizaron cortando una vía en la almohadilla central e imprimiendo con plantilla un trazo en la parte posterior del sustrato con tinta Dupont 5064H. Las interconexiones entre dispositivos impresos también se imprimieron con plantilla de Dupont 5064H. Para la demostración de los componentes impresos y los componentes SMT juntos en una placa de circuito impreso flexible que se muestra en la Fig. 7, los componentes impresos se unieron con epoxi conductivo Circuit Works CW2400 y los componentes SMT se unieron con soldadura convencional.

Los electrodos basados en óxido de cobalto y litio (LCO) y grafito sirvieron como cátodo y ánodo para la batería, respectivamente. La suspensión para el cátodo era una mezcla de 80 % en peso de LCO (MTI Corp.), 7,5 % en peso de grafito (KS6, Timcal), 2,5 % en peso de negro de carbón (Super P, Timcal) y 10 % en peso de fluoruro de polivinilideno (PVDF, Kureha Corp. .) y para el ánodo había una mezcla de 84 % en peso de grafito, 4 % en peso de negro de carbón y 13 % en peso de PVDF. Se usó N-metil-2-pirrolidona (NMP, Sigma Aldrich) para disolver el aglutinante de PVDF y dispersar la suspensión. Las suspensiones se homogeneizaron agitando durante la noche con un mezclador vortex. Una lámina de acero inoxidable de 0,0005" de espesor y una lámina de níquel de 10 μm sirvieron como colectores de corriente para el cátodo y el ánodo, respectivamente. Las tintas se imprimieron en el colector de corriente con una cuchilla doctora a una velocidad de impresión de 20 mm/s. Los electrodos se se calentó en un horno a 80 °C durante 2 h para eliminar el disolvente. La altura del electrodo después del secado fue de ~60 μm, lo que resultó en una capacidad teórica de 1,65 mAh/cm2 basada en el peso del material activo. Los electrodos se cortaron a una dimensión de 1,3 × 1,3 cm2 y se calientan durante la noche en un horno de vacío a 140 °C antes de sellarlos con una bolsa laminada de aluminio en una caja de guantes llena de nitrógeno Membrana a base de polipropileno separada con ánodo y cátodo y una solución de 1M LiPF6 en EC/DEC (1:1) sirvió como electrolito para la batería.

Los OLED verdes se fabricaron a partir de una mezcla de poli(9,9-dioctilfluoreno-co-n-(4-butilfenil)-difenilamina) (TFB) y poli((9,9-dioctilfluoreno-2,7-diil)-alt- (2,1,3-benzotiadiazol-4,8-diil)) (F8BT), según el procedimiento descrito en Lochner et al.9.

El espesor de la película se midió con un perfilómetro de aguja Dektak. Las películas se cortaron para preparar muestras de sección transversal para un estudio mediante microscopio electrónico de barrido (SEM). Se usó un SEM de cañón de emisión de campo (FEG) FEI Quanta 3D para caracterizar la estructura de las películas impresas y confirmar las mediciones de espesor. El estudio SEM se llevó a cabo bajo un voltaje de aceleración de 20 keV y una distancia de trabajo típica de 10 mm.

Las resistencias DC, los voltajes y las corrientes se midieron con un multímetro digital. La impedancia de CA de los inductores, condensadores y circuitos se midió con un medidor LCR Agilent E4980 para frecuencias inferiores a 1 MHz y un analizador de red Agilent E5061A para frecuencias superiores a 500 kHz. Las formas de onda del regulador de voltaje se midieron con un osciloscopio Tektronix TDS 5034.

Cómo citar este artículo: Ostfeld, AE et al. Componentes pasivos serigrafiados para electrónica de potencia flexible. ciencia Rep. 5, 15959; doi: 10.1038/srep15959 (2015).

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Este trabajo fue apoyado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias bajo el Acuerdo de Cooperación No. ECCS-1202189. AEO y CML recibieron el apoyo del Programa de becas de investigación para graduados de la NSF en virtud de la subvención n.° 1106400. Agradecemos a Cambridge Display Technology Limited (CDT) por proporcionar materiales OLED y a la Dra. Anita Flynn, el Dr. Balthazar Lechêne, Joseph Corea y Yasser Khan por su ayuda técnica. discusiones

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, Universidad de California, Berkeley, California, 94720, EE. UU.

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

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AEO diseñó y fabricó los componentes y circuitos pasivos y realizó la caracterización eléctrica. ID realizó la proyección de imagen SEM. AMG fabricó las baterías. CML fabricó los OLED. AEO escribió el manuscrito, mientras que ACA, ID y AMG contribuyeron al diseño experimental y la redacción. Todos los autores discutieron los resultados y comentaron el manuscrito.

Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Ostfeld, A., Deckman, I., Gaikwad, A. et al. Componentes pasivos serigrafiados para electrónica de potencia flexible. Informe científico 5, 15959 (2015). https://doi.org/10.1038/srep15959

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Recibido: 20 Agosto 2015

Aceptado: 05 de octubre de 2015

Publicado: 30 de octubre de 2015

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

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