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Lograr la electrónica de potencia impresa significa ir más allá de las nanopartículas de plata

Mié, 21/02/2018 - 9:00 a.m. 3 Comentarios de Laura Panjwani - Editora

 

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Gracias a avances recientes, los investigadores y fabricantes ahora pueden demostrar con éxito la electrónica impresa en 3D utilizando tintas de nanopartículas de plata. Si bien esta tecnología ha demostrado ser bastante prometedora para sistemas electrónicos de menor potencia, no es factible para sistemas que requieren alta densidad de corriente, conocida como " electrónica de potencia " . "

" Las mismas propiedades que hacen que la plata sea atractiva para la electrónica impresa , esa capacidad de sinterización a bajas temperaturas porque es muy inestable y los átomos migran a bajas temperaturas y poca energía , esto puede provocar fallas prematuras cuando tiene densidades de corriente más altas. " , dijo Greg Fritz, un científico de materiales en el Laboratorio Charles Stark Draper. " Gran parte de la tecnología de la electrónica impresa se ha impreso en circuitos de menor energía que funcionan bien con tintas de nanopartículas de plata, pero Draper tiene productos de alta potencia y bastante pequeños, por lo que no podemos usar la plata impresa para estos productos. "

 

Debido a esto, Fritz y su equipo en Draper están trabajando actualmente en técnicas alternativas para imprimir productos electrónicos de alta potencia.

Fritz recientemente discutió este trabajo en la Conferencia FLEX 2018, celebrada del 12 al 15 de febrero en Monterey, California.

 

Antes de su presentación , titulada " Habilitación de la electrónica de potencia impresa a través de la colaboración ", Fritz habló con R & D Magazine sobre lo que él y sus colegas están haciendo para hacer realidad la electrónica de potencia impresa.

 

Revista de I + D: ¿Qué cae bajo el paraguas de la electrónica de " poder " ?

 

Fritz: El término ' poder ' es una especie de nombre inapropiado ya que se está refiriendo realmente a la alta densidad de potencia. Cuando decimos poder, nos referimos a potenciar algo sin exacerbar el tamaño del producto más allá de un punto sin sentido y aún mantener el rendimiento. La forma más técnica de describir lo que estamos haciendo es que estamos tratando de crear un material imprimible que pueda manejar densidades de alta corriente sin someterse a un procesamiento a alta temperatura.

Revista R & D: ¿Cuáles son las aplicaciones para la electrónica de potencia impresa? Fritz: Estamos descubriendo que los tableros de aviones no tripulados son realmente de gran potencia, así que estamos tratando de imprimir las ' agallas ' del dron. Entre la batería y el resto del dron , las luces y los coms y el ventilador y todas las demás cosas , hay una placa que recibe toda la potencia. Puede requerir un solo amplificador o más de diez amperios de corriente, y eso es una gran cantidad de energía para que la plata perdure al reducir el tamaño del conductor. También estamos buscando antenas de alta potencia. Ahora tenemos antenas 3D que estamos fabricando con alambre, cobre u otros materiales voluminosos, pero sería estupendo si pudiéramos simplemente imprimir estos materiales, y hoy no podemos hacerlo con las tintas impresas disponibles. Revista R & D: ¿Por qué las tintas de nanopartículas de plata utilizadas actualmente no son efectivas para los productos electrónicos impresos de alta potencia? Fritz: Silver funciona para productos electrónicos impresos porque hace un buen trabajo al pasar de una tinta a líneas continuas. Esto se debe a que los átomos de la superficie de una partícula de plata se moverán hasta encontrar una mancha de baja energía. Eso generalmente significa que pueden sinterizarse en estas trazas eléctricamente continuas con bastante facilidad. Desafortunadamente, una vez que forman esa traza continua, esta propiedad no se cambia, por lo que ahora cuando le pongo energía, en forma de temperatura o, incluso, más alta corriente, la migración conduce a la falla. Son las mismas propiedades, por lo que los átomos se difundirán entre la superficie y se abrirán huecos. Es por eso que la plata no se utiliza en su teléfono celular o su computadora portátil como un conductor de energía - la plata es este gran conductor, pero tiene el problema de ser inestable, especialmente con altas corrientes. Revista R & D: ¿Qué vías de investigación estás explorando para imprimir electrónica de potencia? Fritz: Lo que queremos hacer es poder imprimir algo , como la plata donde se sinteriza bien , pero una vez que se sinteriza deja de ser inestable. Eso es bastante complicado porque, además de eso, estamos agregando un requisito de que no queremos un procesamiento de alta presión. Gente de todo el mundo está trabajando en la impresión con cobre y oro y otros materiales, y para obtener realmente una buena calidad de cobre u oro, también necesita tener alta presión o alta temperatura durante el proceso de sinterización porque a diferencia de la plata, es relativamente estable . Lo que hemos encontrado es una forma de tener esta compensación. Comenzamos con un material que tiene nano capas , por lo que es inestable como una tinta, tiene reactivos nanoespaciados. Una vez que imprimimos la tinta y la sinterizamos, podemos formar un nuevo material, que es una aleación de la estructura estratificada con la que comenzamos, pero ahora esta nueva aleación tiene propiedades completamente diferentes. Es intrínsecamente estable a altas temperaturas. Hemos demostrado esto, y hemos hecho conductores de esta manera. La caída de esto es que tenemos que seguir mejorando las otras propiedades : la estabilidad mecánica de la electrónica flexible, la conectividad electrónica para hacerlo más directamente competitivo con la plata disponible. Sin embargo, hemos podido fabricar estas nuevas tintas y actualmente las estamos imprimiendo en todo tipo de impresoras comerciales. Estamos en un comienzo prometedor. Revista R & D: ¿Existen barreras para que esta tecnología sea exitosa? Fritz: Hay algo de optimización que hacer en esta área y hay algunas químicas nuevas de las que debemos estar conscientes. Estamos tratando de mejorar la resistividad. Entendemos que hay una compensación. No vamos a vencer a la plata en términos de resistividad. Pero incluso en su teléfono celular usaron cables de cobre, y usted intercambia la mejor resistividad de la plata, por la confiabilidad del cobre. Eso es todo lo que estamos pidiendo que haga el mercado también. No creo que sea tan loco decir que vamos a tener una resistividad peor que la plata, con el beneficio adicional de ser imprimible y manejar una potencia alta, pero tenemos que asegurarnos de que no estamos experimentando demasiado de una pena en resistividad. Hemos probado nuestro concepto y creo que ahora tenemos que entender cuánto más mejoramos en resistividad para que esto sea posible. Revista R & D: ¿Cuáles son las principales ventajas de un enfoque imprimible para estos componentes electrónicos de alta potencia? Fritz: El verdadero desafío con algunos de nuestros productos es que no tenemos mucho espacio. Necesitamos poner algo allí que sea conforme y que encaje en un lugar extraño. En algunos aspectos es más fácil imprimir. Para nuestro tamaño de empresa, muchas veces lo que estamos haciendo es comenzar con productos disponibles en el mercado que se fabrican en miles de millones de unidades al año y luego tomar algunos de estos chips u otros componentes que queremos y agregarles algo. También queremos conectar varios chips en un único módulo de forma que todo un módulo tenga valor agregado. Estamos imprimiendo estas interconexiones de empaque, estas interconexiones entre chips o productos comerciales, porque queremos ser capaces de hacerlo rápidamente, en nuestra empresa, y queremos hacerlo de una manera que podamos confiar en la calidad. La impresión tiene los beneficios tanto de conformabilidad como de la capacidad de trabajar en partes más pequeñas y personalizadas que no podría permitirse ejecutar en una planta de fabricación. El hecho de que lo controle significa que cualquiera puede hacer esto. Si podemos entregar esto al mercado, cualquiera puede imprimir sus propios circuitos. Esta entrevista fue editada por duración y claridad


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