eng
Выпуск #5/2016
А.Кондрашин, А.Лямин, В.Слепцов
4D-технологии производства интегральных трех-мерных электронных устройств
4D-технологии производства интегральных трех-мерных электронных устройств
Просмотры: 3632
В третьей части публикации представлен анализ состояния и перспектив развития 3D-MID-технологий.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.67.5.58.72
DOI:10.22184/1993-8578.2016.67.5.58.72
Теги: 3d mid technologies 3d-mid-технологии 3d-photoimaging 3d фотолитография jet sputtering laser direct structuring лазерное структурирование струйное распыление
Увеличивающийся в последние годы интерес к технологии 3D-MID привел к развитию соответствующих технологий и оборудования. С применением 3D-MID уже выпускаются или готовятся к серийному производству изделия с современной элементной базой: светодиодами, бескорпусными кристаллами, интегральными схемами со столбиковыми выводами и т.д.
4. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ 3D-MID-ТЕХНОЛОГИЙ
Изделия на базе технологии 3D-MID в настоящее время применяются: (рис.1):
в качестве антенны для мобильных и телекоммуникационных устройств, например, для телефонов, смартфонов, КПК и др. Так, по технологии 3D-MID на одном компактном основании может быть изготовлена антенна, работающая в сотовых сетях связи (GSM, LTE) и радиосетях передачи данных (Bluetooth и Wi-Fi), а также обеспечивающая эффективный прием сигналов спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС);
в автомобильной электронике – интерес к 3D-MID-технологиям в этой сфере связан с постоянным ростом количества электронных блоков в автотранспорте, к которым предъявляются все более жесткие требования – от уменьшения числа деталей (кабелей, соединителей и др.) до снижения стоимости сборки, повышения надежности, ускорения и упрощения монтажа;
в медицинской технике, например, в производстве слуховых аппаратов, приборов для раннего распознавания кариеса, кардиостимуляторов, аппаратов "искусственная почка" и др. Замена традиционных печатных плат в медицинском оборудовании позволяет существенно уменьшить его размеры, упростить конструкцию, отказаться от использования кабелей и расширить функциональные возможности;
как средства радиочастотной идентификации (RFID /NFC-метка), содержащие антенну и чип, в котором хранятся данные. Технология RFID (Radio Frequency IDentification) – это система однонаправленной связи, в которой данные метки передаются к бесконтактному считывателю (ридеру). В технологии NFC (Near Field Communication), "коммуникации ближнего радиуса действия", к функции чтения, дублирующей технологию RFID, добавлены еще два равноправных режима, которые осуществляют динамическую двухстороннюю связь между меткой чтения / записи. Первый режим – это "эмуляция карты NFC" (как запись информации на смарт-карту или другое совместимое устройство, так и ее считывание с этих устройств). Второй режим – это "равноправные узлы", P2P (peer-to- peer), когда смартфоны и другие NFC-совместимые устройства вступают в радиосвязь и при этом каждый узел (peer) является как клиентом, так и выполняет функции сервера. Радиус действия NFC не превышает 10 см, что намного меньше чем у RFID-технологии. Прогнозируется, что объем продаж только RFID/NFC-меток вырастет к 2020 году более чем в два раза (табл.1).
В России уделяется пристальное внимание разработке и внедрению новых типов 3D-MID-технологий. Так, в 2015 году была разработана базовая технология многокристальной сборки СБИС на основе методов 3D-интеграции под названием "Крутизна" [2]. Данная технология предназначена для создания миниатюрных бортовых модулей вычислительных и управляющих устройств аэрокосмического комплекса. По оценкам специалистов, только за счет сокращения длины электрических связей внедрение данной технологии позволяет в 3–4 раза уменьшить размер устройства и его массогабаритные характеристики.
Активное внедрение технологий 3D-MID в производство радиоэлектронных изделий связано со следующими их достоинствами по сравнению с традиционными технологиями:
миниатюризацией изделий (сокращением массы и линейных размеров) вследствие оптимального использования трехмерного пространства – как внутренних или внешних несущих конструкционных поверхностей, так и объемов конечных изделий;
увеличением степени интеграции печатных плат за счет уменьшения площадей, занимаемых под дорожки, контактные площадки и т.д.;
высокой гибкостью проектирования благодаря использованию подложек различных форм и размеров;
повышенной надежностью конечных изделий за счет исключения навесных элементов (кабелей, соединителей и др.);
уменьшением материалоемкости производства;
увеличением объемов выпуска готовых изделий благодаря параллельному выполнению технологических операций сборки и монтажа;
широким спектром используемых материалов оснований (подложек) и функциональных слоев.
Сравнительный анализ возможностей различных 3D-MID-технологий изготовления трехмерных электронных устройств (рис.2) выявил, что с точки зрения разрешения формируемых изображений (минимального размера элемента структуры) предпочтительно использование струйной, струйно-аэрозольной технологий, лазерного структурирования и 3D-фотолитографии (рис.2а).
C точки зрения возможной толщины формируемых за один рабочий цикл функциональных слоев (рис.2b) 3D-MID-технологии можно подразделить на три группы:
термоактивные технологии с толщинами слоев более 100–200 мкм (литье со вставкой и двухшаговое литье);
толстопленочные технологии с толщинами слоев от 10 до 200 мкм (лазерное структурирование и 3D-фотолитография);
тонкопленочные технологии с толщинами слоев менее 10 мкм.
По скорости формирования функциональных слоев за один рабочий цикл (рис.2c) технологии можно подразделить на две группы:
объемно-формные технологии со скоростью формирования структур от 0,5 до 60 мм / мин (литье со вставкой и двухшаговое литье);
пленочные технологии со скоростью формирования структур менее от 0,5 мм / мин.
С точки зрения номенклатуры используемых материалов (табл.2) все известные в настоящее время технологии можно подразделить на следующие группы:
"универсальные" технологии, позволяющие наносить практически любой материал на почти любые типы подложек без ограничений по видам материалов и структур. К данной группе относятся плазменные технологии атмосферного давления (газоплазменная технология и электродуговой плазматрон);
"специализированные" технологии, которые можно подразделить на технологии "свободной подложки", позволяющие использовать практически любые типы подложек без ограничений по видам материалов и структур (струйное и струйно-аэрозольное напыление) и технологии "свободных функционалов", позволяющие использовать практически любые типы функциональных материалов или даже устройств с определенными типами подложек (разновидности литья со вставкой);
"узкоспециализированные" технологии, использующие только определенные типы функциональных материалов, неразрывно связанные с определенным типом оснований (двухшаговое литье, лазерное структурирование и 3D-фотолитография).
Таким образом, выбор той или иной 3D-MID-технологии определяется параметрами изделий, материалами, серийностью и объемом производства.
Конечно, технологии 3D-MID не лишены целого ряда недостатков, так как не решают несколько базовых проблем, связанных с формированием 4D-элементов ТЭУ, таких как:
необходимость использования материалов ТЭУ, способных выдерживать достаточно высокие температуры при пайке (до 260 °С), поэтому широкое внедрение 3D-MID-технологий ограничивается высокой стоимостью функциональных и вспомогательных материалов;
необходимость использования минимум двух различных технологических процессов и маршрутных карт, то есть невозможность создания ТЭУ в едином технологическом цикле;
трудности с монтажом электронных компонентов к основаниям, для чего необходимы прецизионные трехмерные системы электронной сборки по нескольким осям со сложными оптическими системами;
невозможность изготовления полноценных 4D-деталей ТЭУ с использованием в качестве функциональных элементов всех свободных граней, ребер и объема (или всей толщины стенок).
Основываясь на проведенном сравнительном анализе различных методов создания квази-4D-изделий с использованием технологий 3D-MID, можно сделать вывод, что для дальнейшего их развития и внедрения в серийное производство необходимы следующие решения:
системы высокопроизводительных многофункциональных установок, позволяющих в одном производственном здании (помещении) получать готовое изделие, применяя совершенно разные технологии (от лазерного структурирования до гальванического осаждения металла), объединенные единым технологическим процессом;
системы высокопроизводительных гибридных установок, позволяющих совмещать несколько различных методов обработки или нанесение различных типов материалов одним методом. Например, для увеличения производительности и расширения номенклатуры материалов, наносимых струйно-аэрозольным способом, необходимо создавать установки с матрицей головок (сопел) с независимой системой подачи (впрыскивания) материалов. Такая матрица должна позволять осуществлять как высокоскоростное нанесение одного материала, так и нанесение различных типов материалов, например, с разной температурой плавления;
сети непрерывного технологического контроля параметров изделия, которые с помощью, например, системы видеокамер, датчиков или 3D-сканеров для неразрушающего контроля позволяли бы осуществлять выбраковку изделий на всех стадиях производства, включая самые ранние;
проводное и беспроводное подключение сети из датчиков и блоков к системе автоматизированного управления;
новые принципы формирования функциональных структур и материалов, особенно для создания изделий микронного и субмикронного диапазонов.
5. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ 3D-ТЕХНОЛОГИЙ ТЭУ
Конечной целью развития современных 3D-технологий является разработка промышленных решений, позволяющих создавать 4D-объекты ТЭУ (табл.2). Но данная цель слишком сложна для реализации за одно поколение технологий, поэтому, с нашей точки зрения, целесообразно выделить основные задачи текущего этапа развития:
создание "полых" 4D-объектов ТЭУ на базе корпусов РЭС;
создание "монолитных" трехмерных ИС с их последующим монтажом в "полые" 3D-корпуса ТЭУ (изготовленные, например, с применением технологии 3D-MID);
создание "монолитных" трехмерных интегральных устройств.
Поскольку возможно параллельное решение данных задач, в классификацию объектов ТЭУ необходимо ввести понятие "поколений" (рис.3).
4D-объекты первого поколения формируются послойно с использованием только толщины стенок конструкционных элементов изделия в качестве функциональных элементов. Например, весь объем корпуса электронного устройства может использоваться для формирования как слоев проводников, так и электрических цепей, состоящих из дискретных сопротивлений, конденсаторов и т.д.
В бескорпусных 4D-объектах второго поколения реализуется послойное формирование монолитных трехмерных интегральных схем (ТИС), состоящих из взаимосвязанных слоев проводников и электрических цепей, которые включают интегральные сопротивления, конденсаторы и т.д. Последующей операцией технологического процесса изготовления ТЭУ является корпусирование монолитных ТИС с их последующей разводкой.
Для монолитных 4D-объектов второго поколения характерно послойное формирование трехмерных устройств, состоящих из "встроенного" внешнего защитного корпуса с соответствующими внешними выводами и монолитных ТИС на базе как интегральных, так и дискретных сопротивлений, конденсаторов и т.д.;
4D-объекты третьего поколения – корпусные или бескорпусные пластичные (гибкие) устройства, состоящие из нескольких взаимосвязанных пластичных объектов. Например, противоударный мобильный телефон включает следующие компоненты:
гибкую многослойную печатную материнскую плату, выполненную по технологии бескорпусных 4D-объектов второго поколения;
многослойный ультратонкий (порядка 1 мм) пластично-гибкий полимерный дисплей, полученный по технологии OLED или PLED [3, 4], который характеризуется низким энергопотреблением, высоким разрешением (UHD 4К или 8К), высокой динамической контрастностью и широкой цветовой гаммой;
экологически чистый сверхъемкий гибкий полимерный источник тока (аккумулятор) [5];
пластично-гибкий полимерный корпус [6].
В качестве примера 4D-объекта второго поколения сравним автономные радиопередатчики УКВ-диапазона, выполненные по современной технологии печатных плат с компонентами, монтируемыми на поверхность ("поверхностный монтаж"), и перспективной технологии, основанной на 3D-трассировке.
Устройство (рис.4) состоит из трех VT-биполярных транзисторов, 11 конденсаторов, пяти резисторов, двух катушек индуктивности, микрофона, антенны и элемента питания. Генератор ВЧ-сигнала собран на базе транзисторов VT2 по известной трехточечной схеме. Контур настроен на частоту 96 ± 5 МГц. В настоящее время данная электрическая схема, смонтированная на печатной плате на SMD-компонентах, имеет габаритные размеры 15 × 25 × 15 мм (рис.5).
Проектирование данного устройства в редакторе SolidWorks с использованием 3D-трассировки объекта при замене части элементной базы (рис.6) свидетельствует о возможности изготовления данного устройства с габаритами 6 × 6 × 5 мм, то есть уменьшения его размеров в 30 раз.
Сравнительный анализ современных (середина 2016 г.) технологий создания 4D-объектов ТЭУ (табл.3) позволяет сделать три основных вывода.
Во-первых, в настоящее время разработаны только отдельные 3D-технологии изготовления ТЭУ, принципиально позволяющие получать интегральные структуры микронного диапазона. Так, например, литьем со вставкой возможно изготовление 3D или квази-4D функциональной ячейки изделия, а далее, применяя лазерное структурирование и гальваническое наращивание, можно создать пассивную часть изделия.
Во-вторых, ни одна из существующих технологий не позволяет создавать в едином цикле интегральные одноуровневые и многоуровневые квази-4D-объекты ТЭУ, поэтому ближайшая перспектива развития связана с интеграцией различных типов технологий в единую производственную линейку. Для этого необходимо разработать оборудование, отвечающее следующим требованиям:
ТЭУ должно изготавливаться на основе трехмерной компьютерной модели, созданной средствами САПР;
элементы электронной схемы должны формироваться разными блоками функциональных головок на всех свободных гранях и ребрах (по возможности одновременно), а также в объеме (или по всей толщине стенок) изделия;
создание ТЭУ должно происходить в непрерывном технологическом цикле в единой роботизированной 3D-системе;
изготовление или установка и монтаж как пассивных, так и активных элементов, а также линий межсоединений;
установка должна быть совместима с выпускаемыми функциональными материалами (красками, чернилами), применяемыми в печатной электронике для создания проводников, а также и активных и пассивных элементов.
В качестве примера одного из первых шагов на пути создания технологий изготовления интегральных одноуровневых и многоуровневых квази-4D-объектов ТЭУ можно привести существующую гибридную технологию, которая позволяет сочетать установку дискретных электронных компонентов и создание проводящих слоев [7, 8]. При помощи данной технологии было изготовлено крыло для БПЛА с интегрированной печатной электронной схемой, состоящей из дискретного датчика (или микросхемы) и проводящих металлических дорожек, которые выполняют функции антенны и системы энергоподачи. Для создания несущего конструкционного элемента была использована экструзия полимера (FDM) – технология 3D-печати. Гибридная технология объединила метод экструзии расплавленным металлом для формирования элементов схемы и проводников [7] и 3D-MID-метод струйно-аэрозольного напыления (Aerosol-Jet) [8].
Третий вывод заключается в том, что долгосрочная перспектива создания 4D-объектов ТЭУ должна быть связана с разработкой принципиально новых технологий.
Основными лимитирующими факторами изготовления новых объектов ТЭУ является необходимость разработки технологий и оборудования, обеспечивающих уменьшение размеров и увеличение степени интеграции элементов ТЭУ. То есть, разработка новой технологии должна быть связана, в первую очередь, с увеличением разрешающей способности базового метода, основанного на определенном физическом принципе. При этом, при переходе в субмикронный диапазон анализ существующих методов микроминиатюризации (создания полупроводниковых ТЭУ соответствующих размеров) показал значительное сокращение числа возможных физических принципов ТЭУ (рис.7). Одним из решений данной проблемы является широкое внедрение групповых методов функциональной электроники, обеспечивающих принципиальную замену части базовых методов конструирования ТЭУ и создание новой элементной базы. Так, вместо токопроводящих металлических линий межсоединений (дорожек) предполагается использование оптических волноводов, а в качестве генераторов сигналов – лазеров различных типов.
Настоящая статья завершает цикл публикаций
(см.: "Наноиндустрия", 2016, №3 (65), с. 90–96 и "Наноиндустрия", 2016, №4 (66), с.60–77), выполненных в рамках Федеральной целевой программы "Развитие электронной компонентной базы радиоэлектроники" по теме N 14.429.11.0004.
ЛИТЕРАТУРА
Sutija D. Smarter everyday powered by printed electronics // Material International Exhibition and Conference for the Printed Electronics Industry (LOPEC 2013).
"Крутизна" поможет ОПК создать миниатюрные системы для космоса и авиации / Анонс технологии "Крутизна" / Материалы официального сайта объединенной приборостроительной корпорация "Ростех" (http://rostec.ru/news/4517313).
Кондрашин А.А., Слепцов В.В., Лямин А.Н. Многофункциональность технологий органических светодиодов (Oled /Pled) // Успехи современной радиоэлектроники. 2011. № 6. С. 59–64.
Кондрашин А.А., Лямин А.Н., Слепцов В.В. Применение органических светодиодных структур в дисплейных матрицах // Светотехника. 2011. № 3. С. 44–46.
Слепцов В.В. Необратимость и нелинейность как базовые физико-химические основы, обеспечивающие создание новых материалов и систем методами наноинженирии поверхности // Наноинженерия. 2013. № 8 (26). С. 7–15.
Изогнутый смартфон LG G Flex 3 / Обзор материалов выставки потребительской электроники CES (Consumer Electronics Show) 2015. Лас-Вегас, США. Январь 2016. https://www.cesweb.org/.
The Voxel8 Developer›s Kit 3D Printer // Материалы официального сайта компании Voxel8 Inc. (http://www.voxel8.co/printer/).
Малюха В. Stratasys и Optomec объединяют силы, чтобы обеспечить 3D печать электронных устройств. http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=15224.
4. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ 3D-MID-ТЕХНОЛОГИЙ
Изделия на базе технологии 3D-MID в настоящее время применяются: (рис.1):
в качестве антенны для мобильных и телекоммуникационных устройств, например, для телефонов, смартфонов, КПК и др. Так, по технологии 3D-MID на одном компактном основании может быть изготовлена антенна, работающая в сотовых сетях связи (GSM, LTE) и радиосетях передачи данных (Bluetooth и Wi-Fi), а также обеспечивающая эффективный прием сигналов спутниковых навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС);
в автомобильной электронике – интерес к 3D-MID-технологиям в этой сфере связан с постоянным ростом количества электронных блоков в автотранспорте, к которым предъявляются все более жесткие требования – от уменьшения числа деталей (кабелей, соединителей и др.) до снижения стоимости сборки, повышения надежности, ускорения и упрощения монтажа;
в медицинской технике, например, в производстве слуховых аппаратов, приборов для раннего распознавания кариеса, кардиостимуляторов, аппаратов "искусственная почка" и др. Замена традиционных печатных плат в медицинском оборудовании позволяет существенно уменьшить его размеры, упростить конструкцию, отказаться от использования кабелей и расширить функциональные возможности;
как средства радиочастотной идентификации (RFID /NFC-метка), содержащие антенну и чип, в котором хранятся данные. Технология RFID (Radio Frequency IDentification) – это система однонаправленной связи, в которой данные метки передаются к бесконтактному считывателю (ридеру). В технологии NFC (Near Field Communication), "коммуникации ближнего радиуса действия", к функции чтения, дублирующей технологию RFID, добавлены еще два равноправных режима, которые осуществляют динамическую двухстороннюю связь между меткой чтения / записи. Первый режим – это "эмуляция карты NFC" (как запись информации на смарт-карту или другое совместимое устройство, так и ее считывание с этих устройств). Второй режим – это "равноправные узлы", P2P (peer-to- peer), когда смартфоны и другие NFC-совместимые устройства вступают в радиосвязь и при этом каждый узел (peer) является как клиентом, так и выполняет функции сервера. Радиус действия NFC не превышает 10 см, что намного меньше чем у RFID-технологии. Прогнозируется, что объем продаж только RFID/NFC-меток вырастет к 2020 году более чем в два раза (табл.1).
В России уделяется пристальное внимание разработке и внедрению новых типов 3D-MID-технологий. Так, в 2015 году была разработана базовая технология многокристальной сборки СБИС на основе методов 3D-интеграции под названием "Крутизна" [2]. Данная технология предназначена для создания миниатюрных бортовых модулей вычислительных и управляющих устройств аэрокосмического комплекса. По оценкам специалистов, только за счет сокращения длины электрических связей внедрение данной технологии позволяет в 3–4 раза уменьшить размер устройства и его массогабаритные характеристики.
Активное внедрение технологий 3D-MID в производство радиоэлектронных изделий связано со следующими их достоинствами по сравнению с традиционными технологиями:
миниатюризацией изделий (сокращением массы и линейных размеров) вследствие оптимального использования трехмерного пространства – как внутренних или внешних несущих конструкционных поверхностей, так и объемов конечных изделий;
увеличением степени интеграции печатных плат за счет уменьшения площадей, занимаемых под дорожки, контактные площадки и т.д.;
высокой гибкостью проектирования благодаря использованию подложек различных форм и размеров;
повышенной надежностью конечных изделий за счет исключения навесных элементов (кабелей, соединителей и др.);
уменьшением материалоемкости производства;
увеличением объемов выпуска готовых изделий благодаря параллельному выполнению технологических операций сборки и монтажа;
широким спектром используемых материалов оснований (подложек) и функциональных слоев.
Сравнительный анализ возможностей различных 3D-MID-технологий изготовления трехмерных электронных устройств (рис.2) выявил, что с точки зрения разрешения формируемых изображений (минимального размера элемента структуры) предпочтительно использование струйной, струйно-аэрозольной технологий, лазерного структурирования и 3D-фотолитографии (рис.2а).
C точки зрения возможной толщины формируемых за один рабочий цикл функциональных слоев (рис.2b) 3D-MID-технологии можно подразделить на три группы:
термоактивные технологии с толщинами слоев более 100–200 мкм (литье со вставкой и двухшаговое литье);
толстопленочные технологии с толщинами слоев от 10 до 200 мкм (лазерное структурирование и 3D-фотолитография);
тонкопленочные технологии с толщинами слоев менее 10 мкм.
По скорости формирования функциональных слоев за один рабочий цикл (рис.2c) технологии можно подразделить на две группы:
объемно-формные технологии со скоростью формирования структур от 0,5 до 60 мм / мин (литье со вставкой и двухшаговое литье);
пленочные технологии со скоростью формирования структур менее от 0,5 мм / мин.
С точки зрения номенклатуры используемых материалов (табл.2) все известные в настоящее время технологии можно подразделить на следующие группы:
"универсальные" технологии, позволяющие наносить практически любой материал на почти любые типы подложек без ограничений по видам материалов и структур. К данной группе относятся плазменные технологии атмосферного давления (газоплазменная технология и электродуговой плазматрон);
"специализированные" технологии, которые можно подразделить на технологии "свободной подложки", позволяющие использовать практически любые типы подложек без ограничений по видам материалов и структур (струйное и струйно-аэрозольное напыление) и технологии "свободных функционалов", позволяющие использовать практически любые типы функциональных материалов или даже устройств с определенными типами подложек (разновидности литья со вставкой);
"узкоспециализированные" технологии, использующие только определенные типы функциональных материалов, неразрывно связанные с определенным типом оснований (двухшаговое литье, лазерное структурирование и 3D-фотолитография).
Таким образом, выбор той или иной 3D-MID-технологии определяется параметрами изделий, материалами, серийностью и объемом производства.
Конечно, технологии 3D-MID не лишены целого ряда недостатков, так как не решают несколько базовых проблем, связанных с формированием 4D-элементов ТЭУ, таких как:
необходимость использования материалов ТЭУ, способных выдерживать достаточно высокие температуры при пайке (до 260 °С), поэтому широкое внедрение 3D-MID-технологий ограничивается высокой стоимостью функциональных и вспомогательных материалов;
необходимость использования минимум двух различных технологических процессов и маршрутных карт, то есть невозможность создания ТЭУ в едином технологическом цикле;
трудности с монтажом электронных компонентов к основаниям, для чего необходимы прецизионные трехмерные системы электронной сборки по нескольким осям со сложными оптическими системами;
невозможность изготовления полноценных 4D-деталей ТЭУ с использованием в качестве функциональных элементов всех свободных граней, ребер и объема (или всей толщины стенок).
Основываясь на проведенном сравнительном анализе различных методов создания квази-4D-изделий с использованием технологий 3D-MID, можно сделать вывод, что для дальнейшего их развития и внедрения в серийное производство необходимы следующие решения:
системы высокопроизводительных многофункциональных установок, позволяющих в одном производственном здании (помещении) получать готовое изделие, применяя совершенно разные технологии (от лазерного структурирования до гальванического осаждения металла), объединенные единым технологическим процессом;
системы высокопроизводительных гибридных установок, позволяющих совмещать несколько различных методов обработки или нанесение различных типов материалов одним методом. Например, для увеличения производительности и расширения номенклатуры материалов, наносимых струйно-аэрозольным способом, необходимо создавать установки с матрицей головок (сопел) с независимой системой подачи (впрыскивания) материалов. Такая матрица должна позволять осуществлять как высокоскоростное нанесение одного материала, так и нанесение различных типов материалов, например, с разной температурой плавления;
сети непрерывного технологического контроля параметров изделия, которые с помощью, например, системы видеокамер, датчиков или 3D-сканеров для неразрушающего контроля позволяли бы осуществлять выбраковку изделий на всех стадиях производства, включая самые ранние;
проводное и беспроводное подключение сети из датчиков и блоков к системе автоматизированного управления;
новые принципы формирования функциональных структур и материалов, особенно для создания изделий микронного и субмикронного диапазонов.
5. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ 3D-ТЕХНОЛОГИЙ ТЭУ
Конечной целью развития современных 3D-технологий является разработка промышленных решений, позволяющих создавать 4D-объекты ТЭУ (табл.2). Но данная цель слишком сложна для реализации за одно поколение технологий, поэтому, с нашей точки зрения, целесообразно выделить основные задачи текущего этапа развития:
создание "полых" 4D-объектов ТЭУ на базе корпусов РЭС;
создание "монолитных" трехмерных ИС с их последующим монтажом в "полые" 3D-корпуса ТЭУ (изготовленные, например, с применением технологии 3D-MID);
создание "монолитных" трехмерных интегральных устройств.
Поскольку возможно параллельное решение данных задач, в классификацию объектов ТЭУ необходимо ввести понятие "поколений" (рис.3).
4D-объекты первого поколения формируются послойно с использованием только толщины стенок конструкционных элементов изделия в качестве функциональных элементов. Например, весь объем корпуса электронного устройства может использоваться для формирования как слоев проводников, так и электрических цепей, состоящих из дискретных сопротивлений, конденсаторов и т.д.
В бескорпусных 4D-объектах второго поколения реализуется послойное формирование монолитных трехмерных интегральных схем (ТИС), состоящих из взаимосвязанных слоев проводников и электрических цепей, которые включают интегральные сопротивления, конденсаторы и т.д. Последующей операцией технологического процесса изготовления ТЭУ является корпусирование монолитных ТИС с их последующей разводкой.
Для монолитных 4D-объектов второго поколения характерно послойное формирование трехмерных устройств, состоящих из "встроенного" внешнего защитного корпуса с соответствующими внешними выводами и монолитных ТИС на базе как интегральных, так и дискретных сопротивлений, конденсаторов и т.д.;
4D-объекты третьего поколения – корпусные или бескорпусные пластичные (гибкие) устройства, состоящие из нескольких взаимосвязанных пластичных объектов. Например, противоударный мобильный телефон включает следующие компоненты:
гибкую многослойную печатную материнскую плату, выполненную по технологии бескорпусных 4D-объектов второго поколения;
многослойный ультратонкий (порядка 1 мм) пластично-гибкий полимерный дисплей, полученный по технологии OLED или PLED [3, 4], который характеризуется низким энергопотреблением, высоким разрешением (UHD 4К или 8К), высокой динамической контрастностью и широкой цветовой гаммой;
экологически чистый сверхъемкий гибкий полимерный источник тока (аккумулятор) [5];
пластично-гибкий полимерный корпус [6].
В качестве примера 4D-объекта второго поколения сравним автономные радиопередатчики УКВ-диапазона, выполненные по современной технологии печатных плат с компонентами, монтируемыми на поверхность ("поверхностный монтаж"), и перспективной технологии, основанной на 3D-трассировке.
Устройство (рис.4) состоит из трех VT-биполярных транзисторов, 11 конденсаторов, пяти резисторов, двух катушек индуктивности, микрофона, антенны и элемента питания. Генератор ВЧ-сигнала собран на базе транзисторов VT2 по известной трехточечной схеме. Контур настроен на частоту 96 ± 5 МГц. В настоящее время данная электрическая схема, смонтированная на печатной плате на SMD-компонентах, имеет габаритные размеры 15 × 25 × 15 мм (рис.5).
Проектирование данного устройства в редакторе SolidWorks с использованием 3D-трассировки объекта при замене части элементной базы (рис.6) свидетельствует о возможности изготовления данного устройства с габаритами 6 × 6 × 5 мм, то есть уменьшения его размеров в 30 раз.
Сравнительный анализ современных (середина 2016 г.) технологий создания 4D-объектов ТЭУ (табл.3) позволяет сделать три основных вывода.
Во-первых, в настоящее время разработаны только отдельные 3D-технологии изготовления ТЭУ, принципиально позволяющие получать интегральные структуры микронного диапазона. Так, например, литьем со вставкой возможно изготовление 3D или квази-4D функциональной ячейки изделия, а далее, применяя лазерное структурирование и гальваническое наращивание, можно создать пассивную часть изделия.
Во-вторых, ни одна из существующих технологий не позволяет создавать в едином цикле интегральные одноуровневые и многоуровневые квази-4D-объекты ТЭУ, поэтому ближайшая перспектива развития связана с интеграцией различных типов технологий в единую производственную линейку. Для этого необходимо разработать оборудование, отвечающее следующим требованиям:
ТЭУ должно изготавливаться на основе трехмерной компьютерной модели, созданной средствами САПР;
элементы электронной схемы должны формироваться разными блоками функциональных головок на всех свободных гранях и ребрах (по возможности одновременно), а также в объеме (или по всей толщине стенок) изделия;
создание ТЭУ должно происходить в непрерывном технологическом цикле в единой роботизированной 3D-системе;
изготовление или установка и монтаж как пассивных, так и активных элементов, а также линий межсоединений;
установка должна быть совместима с выпускаемыми функциональными материалами (красками, чернилами), применяемыми в печатной электронике для создания проводников, а также и активных и пассивных элементов.
В качестве примера одного из первых шагов на пути создания технологий изготовления интегральных одноуровневых и многоуровневых квази-4D-объектов ТЭУ можно привести существующую гибридную технологию, которая позволяет сочетать установку дискретных электронных компонентов и создание проводящих слоев [7, 8]. При помощи данной технологии было изготовлено крыло для БПЛА с интегрированной печатной электронной схемой, состоящей из дискретного датчика (или микросхемы) и проводящих металлических дорожек, которые выполняют функции антенны и системы энергоподачи. Для создания несущего конструкционного элемента была использована экструзия полимера (FDM) – технология 3D-печати. Гибридная технология объединила метод экструзии расплавленным металлом для формирования элементов схемы и проводников [7] и 3D-MID-метод струйно-аэрозольного напыления (Aerosol-Jet) [8].
Третий вывод заключается в том, что долгосрочная перспектива создания 4D-объектов ТЭУ должна быть связана с разработкой принципиально новых технологий.
Основными лимитирующими факторами изготовления новых объектов ТЭУ является необходимость разработки технологий и оборудования, обеспечивающих уменьшение размеров и увеличение степени интеграции элементов ТЭУ. То есть, разработка новой технологии должна быть связана, в первую очередь, с увеличением разрешающей способности базового метода, основанного на определенном физическом принципе. При этом, при переходе в субмикронный диапазон анализ существующих методов микроминиатюризации (создания полупроводниковых ТЭУ соответствующих размеров) показал значительное сокращение числа возможных физических принципов ТЭУ (рис.7). Одним из решений данной проблемы является широкое внедрение групповых методов функциональной электроники, обеспечивающих принципиальную замену части базовых методов конструирования ТЭУ и создание новой элементной базы. Так, вместо токопроводящих металлических линий межсоединений (дорожек) предполагается использование оптических волноводов, а в качестве генераторов сигналов – лазеров различных типов.
Настоящая статья завершает цикл публикаций
(см.: "Наноиндустрия", 2016, №3 (65), с. 90–96 и "Наноиндустрия", 2016, №4 (66), с.60–77), выполненных в рамках Федеральной целевой программы "Развитие электронной компонентной базы радиоэлектроники" по теме N 14.429.11.0004.
ЛИТЕРАТУРА
Sutija D. Smarter everyday powered by printed electronics // Material International Exhibition and Conference for the Printed Electronics Industry (LOPEC 2013).
"Крутизна" поможет ОПК создать миниатюрные системы для космоса и авиации / Анонс технологии "Крутизна" / Материалы официального сайта объединенной приборостроительной корпорация "Ростех" (http://rostec.ru/news/4517313).
Кондрашин А.А., Слепцов В.В., Лямин А.Н. Многофункциональность технологий органических светодиодов (Oled /Pled) // Успехи современной радиоэлектроники. 2011. № 6. С. 59–64.
Кондрашин А.А., Лямин А.Н., Слепцов В.В. Применение органических светодиодных структур в дисплейных матрицах // Светотехника. 2011. № 3. С. 44–46.
Слепцов В.В. Необратимость и нелинейность как базовые физико-химические основы, обеспечивающие создание новых материалов и систем методами наноинженирии поверхности // Наноинженерия. 2013. № 8 (26). С. 7–15.
Изогнутый смартфон LG G Flex 3 / Обзор материалов выставки потребительской электроники CES (Consumer Electronics Show) 2015. Лас-Вегас, США. Январь 2016. https://www.cesweb.org/.
The Voxel8 Developer›s Kit 3D Printer // Материалы официального сайта компании Voxel8 Inc. (http://www.voxel8.co/printer/).
Малюха В. Stratasys и Optomec объединяют силы, чтобы обеспечить 3D печать электронных устройств. http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=15224.
Отзывы читателей
