Termoformabilidade de substratos de policarbonato com tintas funcionais para In-Mold Electronics

Abstract

In-Mold Electronics (IME) é uma técnica de fabricação que junta componentes eletrónicos com os processos de termoformação e de moldação por injeção. Assim, esta tecnologia permite a incorporação de circuitos eletrónicos no produto plástico durante o processo de moldação eliminando etapas de pós-processamento e reduzindo o tempo e os custos de produção. Desta forma, o trabalho realizado tem como principal objetivo estudar a termoformabilidade dos substratos poliméricos com linhas condutoras, impressas através da serigrafia. Deste modo, o trabalho focou-se na análise de substratos de Policarbonato com espessuras distintas (0,25 mm, 0,3 mm e 0,5 mm) onde foram impressos circuitos com tinta funcional, à base de prata ou carbono. Para além disso, também se testaram diferentes temperaturas do molde e parâmetros geométricos. O trabalho experimental iniciou com a impressão dos circuitos que foram analisados antes (teste de adesão e medição da espessura das linhas) e após (verificação das condições de processamento, cálculo do estiramento das linhas e medição da espessura do substrato) a termoformação. A observação das linhas na lupa e a medição da resistência elétrica e da largura das trilhas foi realizada antes e após a termoformação. Além disso, realizou-se ensaios eletromecânicos e simulações (T-SIM). Os testes de adesão (Cross Cut) das tintas funcionais nos substratos mostraram que a adesão é boa em ambas as tintas. A caracterização eletromecânica permitiu perceber que a tinta à base de prata resiste menos à deformação do que a tinta à base de carbono. No entanto, a tinta de prata permite uma maior condutividade elétrica do que a de carbono. Para além disto, com a termoformação dos substratos percebeu-se que estes reproduzem eficazmente os contornos do molde quando a temperatura deste é de, aproximadamente, 75°C. Ao observar as peças na lupa estereoscópica, verificou-se que os raios de curvatura e a profundidade dos moldes influenciam negativamente o estado das linhas condutoras. Além disso, a caracterização elétrica mostrou que há perda de condutividade elétrica após a termoformação e com a medição da distribuição de espessuras percebeu-se que a zona dos raios de curvatura é a que apresenta menor espessura.

The In-Mold Electronics (IME) is an innovative technique of manufacturing that integrates electronic components with thermoforming and injection molding processes. This technology enables the incorporation of electronic circuits into plastic products during the molding process, eliminating the post-processing steps and reducing the production time and costs. The main goal of this work is to study the thermoformability of polymer substrates with conductive lines that were impressed using the serigraphy technique. This work focused on the analysis of Polycarbonate substrates with different thicknesses (0.25 mm, 0.3 mm, and 0.5 mm), where circuits were printed with functional ink, based on silver or carbon. In addition, different mold temperatures and geometric parameters were also tested. The experimental work start with the printing of the circuits, which were analyzed both before (adhesion test and line thickness measurement) and after (verification of processing conditions, calculation of line stretch, and substrate thickness measurement) thermoforming. The observation of the lines under a magnifying glass and the measurement of electrical resistance and track width were carried out before and after thermoforming. Furthermore, electromechanical tests and simulations (T-SIM) were conducted. The adhesion tests (Cross Cut) of the functional inks (ME201 and ME614) on the substrates showed a good adhesion for both inks. On the other hand, the electromechanical characterization demonstrated that the silver-based ink is less resistant to deformation than the carbon-based ink. However, the electrical conductivity of the silver ink is higher than the carbon ink. Furthermore, with the thermoforming of the substrates, it was observed that they effectively replicate the mold contours when the mold temperature is approximately 75°C. The analysis of the substrates with a stereoscopic microscope, showed that the curvature radii and mold depth negatively affect the condition of the conductive lines. Additionally, the electrical characterization demonstrated a loss of electrical conductivity after thermoforming. Finally, the thickness distribution revealed that the area around the curvature radii has the lowest thickness.