eng
Выпуск #3/2014
П.Афанасьев, О.Бохов, В.Лучинин
Создание технологического кластера гибкой печатной электроники
Создание технологического кластера гибкой печатной электроники
Просмотры: 4856
Особое место среди инновационных электронных технологий занимают решения в области гибкой печатной электроники и фотоники. Современной аппаратно-программной платформой для экспресс-прототипирования и производства изделий микротехники нового поколения является кластер гибкой печатной электроники.
Теги: 3d integration 3d-интеграция flexible printed electronics technology cluster гибкая печатная электроника технологический кластер
Технологические маршруты современного радиоэлектронного производства организуются по принципам модульности конструкторско-технологической реализации изделий, унификации и применения бескорпусной электронной компонентной базы, использования многокристальных модулей, гибких и 3D-субстратов-подложек, а также внедрения 3D-интеграции и межвидовой интеграции электронных, оптических и механических компонентов.
Как отмечалось ранее [1], термин "гибкая электроника" (полимерная, печатная) отражает две основные составляющие данного направления. Во-первых, материаловедческий базис – конструктивно-материаловедческие особенности подложек, систем коммутации-изоляции и функциональных элементов. Во-вторых, технологический базис – комплекс способов формирования функциональных элементов и систем коммутации-изоляции, основанных на печатных рулонных трафаретных и (или) капельно-струйных технологиях.
Принципы реализации технологического кластера гибкой печатной электроники
Для формирования высокотехнологичной аппаратно-программной платформы производства изделий микро- и нанотехники на основе технологий гибкой электроники и фотоники необходимо решить следующие задачи [1]:
•внедрить современные технологии сквозного проектирования изделий нового поколения, обеспечивающие эффективное конструкторско-технологическое масштабирование классических макропрототипов для перехода к изготовлению изделий микро- и нанотехники;
•сформировать и освоить современную технологическую базу синтеза изделий микро- и нанотехники с преимущественной ориентацией на бескорпусную элементную базу, 3D-интеграцию элементов и использование гибких бесшаблонных струйных печатных технологий;
•освоить технологические маршруты, реализуемые на основе гибкой инфраструктурной организации широкой номенклатуры технологических модулей с высокой степенью автоматизации процессов, обеспечивающих динамичность перестройки и быстроту адаптации операций;
•осуществить экспресс-прототипирование и организовать производство широкой номенклатуры изделий нового поколения с ранее недостижимыми масс-габаритными, энергетическими и техническими характеристиками при минимизации временных и экономических затрат. Последнее достигается путем внедрения новой культуры проектирования и технологической реализации изделий в условиях высокой степени автоматизации оборудования и возрастании роли интеллектуальной составляющей человеческого фактора на этапе подготовки производства.
Технологические кластеры гибкой печатной электроники целесообразно ориентировать на производство таких изделий, как сверхминиатюрные радиотехнические модули, в том числе интегрированные с сенсорами и системами для сбора и передачи информации (включая идентификацию личности и объектов), миниатюрные навигационно-ориентационные системы для автономной навигации и позиционирования, микроаналитические системы типа "лаборатория на чипе" матричного и капиллярного типов для биомедицинского и технического контроля биотехносферы, интеллектуальная высокоинтегрированная мультифункциональная одежда, в том числе с эпидермальной и (или) внутриорганизменной распределенной сенсорно-исполнительной системой, распределенные, гибкие и иные миниатюрные источники энергии, включая рекуператоры из эфира и окружающей среды, микроробототехнические средства наземного и воздушного базирования.
Наиболее востребованными изделиями гибкой электроники и фотоники являются гибридные миниатюрные устройства, интегрирующие сенсорные и исполнительные микросистемы с инфокоммуникационными кристаллами-чипами для сбора, обработки и передачи информации (например, ориентационно-навигационные или биомедицинские модули). Перспективными направлениями следует признать микроробототехнику, интеллектуальную одежду и "лаборатории на чипе". Весьма эффективно использование технологий гибкой электроники и фотоники для производства излучателей и преобразователей оптического излучения на гибком субстрате, а также органо-неорганических гибких аккумуляторов. Большой интерес представляет развитие специальных текстильных технологий с использованием микро- и нановолокон с различными физико-химическими, теплофизическими, электрическими, оптическими и биологическими свойствами.
Базовыми тенденциями изменения технических и эксплуатационных характеристик изделий нового поколения следует признать снижение массо-габаритных показателей, сокращение энергопотребления и увеличение времени автономного функционирования, повышение стойкости к внешним воздействиям, вариабельность конструктивного исполнения для оперативной адаптации изделия при изготовлении и использовании. Выбор состава технологического оборудования для формирования технологического кластера гибкой печатной электроники определяется возможностью производства на нем широкого класса изделий по типовым унифицированным базовым технологическим маршрутам.
Анализ совокупности технологических операций и решений, используемых в производстве гибкой электроники и фотоники, позволил сформулировать ряд рекомендаций относительно выбора технологий [2]:
•наиболее динамично перестраиваемой технологией в отношении топологической локализации и состава осаждаемого материала является капельно-струйная печать, обеспечивающая микронное разрешение;
•формирование трехмерных конструкций с достаточно высоким микронным пространственным разрешением обеспечивается объемной лазерной стереолитографией;
•наиболее высокую скорость формирования сложной коммутации на поверхности 2D- и 3D-объектов обеспечивает лазерная конверсия (модификация) металлосодержащего полимерного субстрата.
Технологический кластер гибкой печатной электроники в СПбГЭТУ (ЛЭТИ)
С целью эффективного использования научно-технологического и кадрового потенциала Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ) в 2011 году на базе вуза был создан "Межвузовский центр прототипирования и контрактного производства микро- и нанотехники" (МЦКП) [3]. Центр специализируется в области технологий гибкой электроники и получил от ряда зарубежный производителей оборудования право представлять их интересы в России. В частности, МЦКП является официальным дистрибьютором фирм Roth&Rau, Amicra и Asyril (см. клапан обложки).
Компания Amicra изготавливает оборудование для современных микропроизводств. Следует особо отметить системы для монтажа кристаллов, которые позволяют применять передовые технологии 3D-сборки, технику перевернутого кристалла, системы для нанесения "чернил" на подложку.
Фирма Roth&Rau производит технологическое оборудование для создания различных покрытий, в том числе с применением струйной печати.
Asyril разрабатывает миниатюрные мехатронные устройства для автоматизации в области микро- и нанотехнологий, биотехнологий и медицины. Компания предлагает компактные высокопроизводительные системы сборки и упаковки.
В 2013 году ЛЭТИ создал совместную исследовательскую лабораторию с финской компанией Beneq – одним из ведущих производителей промышленного и исследовательского оборудования для получения покрытий методом атомно-молекулярной сборки и спрей-технологий. Инновации Beneq в области получения тонких пленок – системы непрерывного рулонного осаждения слоев (Roll-to-Roll) и высокопроизводительного аэрозольного нанесения покрытий (nAERO) – позволили привлечь инвестиции "Роснано" для развития данных технологий в России.
Несмотря на отсутствие в нашей стране как комплекса системно упорядоченных НИОКР в области гибкой печатной электроники, так и российского технологического оборудования для вышеуказанных целей, коллективу ЛЭТИ и МЦКП удалось разработать технологический кластер гибкой печатной электроники, элементы которого проходят опробование на базе Центра микротехнологии и диагностики ЛЭТИ.
Предполагается, что ЛЭТИ возьмет на себя проектирование изделий, разработку технологических маршрутов, отработку технологических операций и обучение персонала. МЦКП, как центр прототипирования и контрактного производства, обеспечит поставку и наладку оборудования, установку программного обеспечения, отработку технологических операций и маршрутов у заказчика, гарантийное обслуживание оборудования, а также кадровое сопровождение аппаратно-программного комплекса.
Отличительные особенности проекта формирования и развертывания технологического кластера гибкой печатной электроники в ЛЭТИ:
•базовыми материалами для изделий нового поколения станут нанокомпозиции (расходные материалы для струйной печати токопроводящих элементов коммутационных систем, микроантенн, энергонезависимых радиоидентификаторов, металло-полимерных источников питания) с применением углеродных, металлических, полупроводниковых и магнитных наночастиц;
•процессы синтеза и формообразования материалов будут реализованы по технологиям атомно-слоевого осаждения, удаления и модифицирования (печатные технологии формирования нанослоевых композиций для гибких излучателей, фотоприемников и источников питания);
•позиционирования ЭКБ в сборочных операциях с микро- и наноразмерной точностью (создание сверхминиатюрных высокоинтегрированных технических средств на основе элементной базы фотоники и интегральной оптики с высокими требованиями по точности позиционирования объектов при сборке).
Литература
1.П.Афанасьев, О.Бохов, В.Лучинин. Научно-технологический комплекс экспресс- прототипирования изделий гибкой электроники и фотоники. – Наноиндустрия, 2013, №6 (44), с.94-104.
2.В. Лучинин. Гибкая электроника. – Наноиндустрия, 2013, №8 (46), с.26-32.
3.Афанасьев П. В., Бохов О.С., Кутузов В.М., Лучинин В.В., Шестопалов М.Ю. Реализация инновационного потенциала вуза. Центр прототипирования и контрактного производства микро- и нанотехники. – Наноиндустрия, 2012, №6 (36), с.52-60.
Как отмечалось ранее [1], термин "гибкая электроника" (полимерная, печатная) отражает две основные составляющие данного направления. Во-первых, материаловедческий базис – конструктивно-материаловедческие особенности подложек, систем коммутации-изоляции и функциональных элементов. Во-вторых, технологический базис – комплекс способов формирования функциональных элементов и систем коммутации-изоляции, основанных на печатных рулонных трафаретных и (или) капельно-струйных технологиях.
Принципы реализации технологического кластера гибкой печатной электроники
Для формирования высокотехнологичной аппаратно-программной платформы производства изделий микро- и нанотехники на основе технологий гибкой электроники и фотоники необходимо решить следующие задачи [1]:
•внедрить современные технологии сквозного проектирования изделий нового поколения, обеспечивающие эффективное конструкторско-технологическое масштабирование классических макропрототипов для перехода к изготовлению изделий микро- и нанотехники;
•сформировать и освоить современную технологическую базу синтеза изделий микро- и нанотехники с преимущественной ориентацией на бескорпусную элементную базу, 3D-интеграцию элементов и использование гибких бесшаблонных струйных печатных технологий;
•освоить технологические маршруты, реализуемые на основе гибкой инфраструктурной организации широкой номенклатуры технологических модулей с высокой степенью автоматизации процессов, обеспечивающих динамичность перестройки и быстроту адаптации операций;
•осуществить экспресс-прототипирование и организовать производство широкой номенклатуры изделий нового поколения с ранее недостижимыми масс-габаритными, энергетическими и техническими характеристиками при минимизации временных и экономических затрат. Последнее достигается путем внедрения новой культуры проектирования и технологической реализации изделий в условиях высокой степени автоматизации оборудования и возрастании роли интеллектуальной составляющей человеческого фактора на этапе подготовки производства.
Технологические кластеры гибкой печатной электроники целесообразно ориентировать на производство таких изделий, как сверхминиатюрные радиотехнические модули, в том числе интегрированные с сенсорами и системами для сбора и передачи информации (включая идентификацию личности и объектов), миниатюрные навигационно-ориентационные системы для автономной навигации и позиционирования, микроаналитические системы типа "лаборатория на чипе" матричного и капиллярного типов для биомедицинского и технического контроля биотехносферы, интеллектуальная высокоинтегрированная мультифункциональная одежда, в том числе с эпидермальной и (или) внутриорганизменной распределенной сенсорно-исполнительной системой, распределенные, гибкие и иные миниатюрные источники энергии, включая рекуператоры из эфира и окружающей среды, микроробототехнические средства наземного и воздушного базирования.
Наиболее востребованными изделиями гибкой электроники и фотоники являются гибридные миниатюрные устройства, интегрирующие сенсорные и исполнительные микросистемы с инфокоммуникационными кристаллами-чипами для сбора, обработки и передачи информации (например, ориентационно-навигационные или биомедицинские модули). Перспективными направлениями следует признать микроробототехнику, интеллектуальную одежду и "лаборатории на чипе". Весьма эффективно использование технологий гибкой электроники и фотоники для производства излучателей и преобразователей оптического излучения на гибком субстрате, а также органо-неорганических гибких аккумуляторов. Большой интерес представляет развитие специальных текстильных технологий с использованием микро- и нановолокон с различными физико-химическими, теплофизическими, электрическими, оптическими и биологическими свойствами.
Базовыми тенденциями изменения технических и эксплуатационных характеристик изделий нового поколения следует признать снижение массо-габаритных показателей, сокращение энергопотребления и увеличение времени автономного функционирования, повышение стойкости к внешним воздействиям, вариабельность конструктивного исполнения для оперативной адаптации изделия при изготовлении и использовании. Выбор состава технологического оборудования для формирования технологического кластера гибкой печатной электроники определяется возможностью производства на нем широкого класса изделий по типовым унифицированным базовым технологическим маршрутам.
Анализ совокупности технологических операций и решений, используемых в производстве гибкой электроники и фотоники, позволил сформулировать ряд рекомендаций относительно выбора технологий [2]:
•наиболее динамично перестраиваемой технологией в отношении топологической локализации и состава осаждаемого материала является капельно-струйная печать, обеспечивающая микронное разрешение;
•формирование трехмерных конструкций с достаточно высоким микронным пространственным разрешением обеспечивается объемной лазерной стереолитографией;
•наиболее высокую скорость формирования сложной коммутации на поверхности 2D- и 3D-объектов обеспечивает лазерная конверсия (модификация) металлосодержащего полимерного субстрата.
Технологический кластер гибкой печатной электроники в СПбГЭТУ (ЛЭТИ)
С целью эффективного использования научно-технологического и кадрового потенциала Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ) в 2011 году на базе вуза был создан "Межвузовский центр прототипирования и контрактного производства микро- и нанотехники" (МЦКП) [3]. Центр специализируется в области технологий гибкой электроники и получил от ряда зарубежный производителей оборудования право представлять их интересы в России. В частности, МЦКП является официальным дистрибьютором фирм Roth&Rau, Amicra и Asyril (см. клапан обложки).
Компания Amicra изготавливает оборудование для современных микропроизводств. Следует особо отметить системы для монтажа кристаллов, которые позволяют применять передовые технологии 3D-сборки, технику перевернутого кристалла, системы для нанесения "чернил" на подложку.
Фирма Roth&Rau производит технологическое оборудование для создания различных покрытий, в том числе с применением струйной печати.
Asyril разрабатывает миниатюрные мехатронные устройства для автоматизации в области микро- и нанотехнологий, биотехнологий и медицины. Компания предлагает компактные высокопроизводительные системы сборки и упаковки.
В 2013 году ЛЭТИ создал совместную исследовательскую лабораторию с финской компанией Beneq – одним из ведущих производителей промышленного и исследовательского оборудования для получения покрытий методом атомно-молекулярной сборки и спрей-технологий. Инновации Beneq в области получения тонких пленок – системы непрерывного рулонного осаждения слоев (Roll-to-Roll) и высокопроизводительного аэрозольного нанесения покрытий (nAERO) – позволили привлечь инвестиции "Роснано" для развития данных технологий в России.
Несмотря на отсутствие в нашей стране как комплекса системно упорядоченных НИОКР в области гибкой печатной электроники, так и российского технологического оборудования для вышеуказанных целей, коллективу ЛЭТИ и МЦКП удалось разработать технологический кластер гибкой печатной электроники, элементы которого проходят опробование на базе Центра микротехнологии и диагностики ЛЭТИ.
Предполагается, что ЛЭТИ возьмет на себя проектирование изделий, разработку технологических маршрутов, отработку технологических операций и обучение персонала. МЦКП, как центр прототипирования и контрактного производства, обеспечит поставку и наладку оборудования, установку программного обеспечения, отработку технологических операций и маршрутов у заказчика, гарантийное обслуживание оборудования, а также кадровое сопровождение аппаратно-программного комплекса.
Отличительные особенности проекта формирования и развертывания технологического кластера гибкой печатной электроники в ЛЭТИ:
•базовыми материалами для изделий нового поколения станут нанокомпозиции (расходные материалы для струйной печати токопроводящих элементов коммутационных систем, микроантенн, энергонезависимых радиоидентификаторов, металло-полимерных источников питания) с применением углеродных, металлических, полупроводниковых и магнитных наночастиц;
•процессы синтеза и формообразования материалов будут реализованы по технологиям атомно-слоевого осаждения, удаления и модифицирования (печатные технологии формирования нанослоевых композиций для гибких излучателей, фотоприемников и источников питания);
•позиционирования ЭКБ в сборочных операциях с микро- и наноразмерной точностью (создание сверхминиатюрных высокоинтегрированных технических средств на основе элементной базы фотоники и интегральной оптики с высокими требованиями по точности позиционирования объектов при сборке).
Литература
1.П.Афанасьев, О.Бохов, В.Лучинин. Научно-технологический комплекс экспресс- прототипирования изделий гибкой электроники и фотоники. – Наноиндустрия, 2013, №6 (44), с.94-104.
2.В. Лучинин. Гибкая электроника. – Наноиндустрия, 2013, №8 (46), с.26-32.
3.Афанасьев П. В., Бохов О.С., Кутузов В.М., Лучинин В.В., Шестопалов М.Ю. Реализация инновационного потенциала вуза. Центр прототипирования и контрактного производства микро- и нанотехники. – Наноиндустрия, 2012, №6 (36), с.52-60.
Отзывы читателей
