eng
Выпуск #6/2019
В.В.Лучинин, О.С.Бохов, П.В.Афанасьев, И.В.Мандрик, В.А.Старцев, А.В.Смирнов, В.А.Никонова
Гибкая печатная конформная электроника. Отечественные компетенции и электронные компоненты
Гибкая печатная конформная электроника. Отечественные компетенции и электронные компоненты
Просмотры: 2641
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.6.342.350
Показан результат разработки и изготовления электронных компонентов, созданных с использованием технологии гибкой печатной электроники, сверхтонкого утонения чипов кристаллов активных элементов и 2D микросборочных операций на тонком гибком носителе для унифицированной сенсорно-информационной платформы Интернета вещей.
Показан результат разработки и изготовления электронных компонентов, созданных с использованием технологии гибкой печатной электроники, сверхтонкого утонения чипов кристаллов активных элементов и 2D микросборочных операций на тонком гибком носителе для унифицированной сенсорно-информационной платформы Интернета вещей.
Теги: conformal systems digital manufacturing flexible electronics internet of things гибкая электроника интернет вещей конформные системы цифровые производства
ГИБКАЯ ПЕЧАТНАЯ КОНФОРМНАЯ
ЭЛЕКТРОНИКА. ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ КОМПЕТЕНЦИИ
И ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
FLEXIBLE PRINTED CONFORMED
ELECTRONICS. DOMESTIC COMPETENCIES
AND ELECTRONIC COMPONENTS
В.В.Лучинин1, директор департамента науки СПбГЭТУ "ЛЭТИ", д.т.н., проф., (ORCID: 0000-0002-9117-9549), О.С.Бохов2, старший научный сотрудник, к.т.н., (ORCID: 0000-0003-0217-0567), П.В.Афанасьев2, старший научный сотрудник, к.т.н., (ORCID: 0000-0002-5329-1388), И.В.Мандрик2, инженер, (ORCID: 0000-0002-7825-3927),
В.А.Старцев2, инженер, (ORCID: 0000-0002-4251-6019), А.В.Смирнов2, инженер, (ORCID: 0000-0002-1809-9470), В.А.Никонова2, инженер, (ORCID: 0000-0003-2706-1922) / tech@contractmanufacturing.ru
V.V.Luchinin1, Head of the Department of Science, Doct. of Sc. (Technical), Prof., (ORCID: 0000-0002-9117-9549), О.S.Bokhov2, Cand. of Sc. (Technical), Senior Researcher, (ORCID: 0000-0003-0217-0567), P.V.Afanasiev2, Senior Researcher, Cand. of Sc. (Technical), (ORCID: 0000-0002-5329-1388), I.V.Mandrik2, Engineer, (ORCID: 0000-0002-7825-3927),
V.A.Startsev2, Engineer, (ORCID: 0000-0002-4251-6019), A.V.Smirnov2, Engineer, (ORCID: 0000-0002-1809-9470), V.А.Nikonova2, Engineer, (ORCID: 0000-0003-2706-1922)
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.6.342.350
Получено: 03.10.2019 г.
Предоставлен результат разработки и изготовления электронных компонентов, созданных с использованием технологии гибкой печатной электроники, сверхтонкого утонения чипов кристаллов активных элементов и 2D микросборочных операций на тонком гибком носителе для унифицированной сенсорно-информационной платформы Интернета вещей.
The paper presents the result of the development and manufacture of electronic components created with the use of the flexible printed electronics technology, ultrafine thinning of chip crystals of active elements and 2D microassembly operations on a thin flexible medium for a unified touch-information platform of the Internet of things.
Современные научно-технические революции, характеризующиеся понятиями: "Индустрия 4.0" – объединение современных информационно-коммуникационных технологий с производственным оборудованием и средствами автоматизации, и, безусловно, "Общество 5.0" ("умное общество") – цифровая трансформация, направленная на формирование новой социально-технологической среды на основе систем искусственного интеллекта, основаны на интеграции физического и киберпространства.
Гибкая печатная электроника и фотоника являются приоритетными направлениями инвестиций в новую наукоемкую инновационную экосистему, гармонично сочетающую профессиональное и социальное обеспечение персонифицированной среды жизнедеятельности человека. Функцию интегратора в рамках решения вышеуказанных задач выполняет глобальная инфокоммуникационная система "Интернет" в различных ее профессиональных приложениях (Интернет вещей, Интернет людей, Индустриальный интернет), включая задачу интеграции реального и виртуального миров. Компоненты гибкой печатной электроники конформно пространственно-геометрически и функционально интегрируются в распределенные сенсорно-управляющие и информационно-коммуникационные среды, обеспечивая высокую конструктивную адаптивность и экономическую эффективность технических решений.
Целью данной статьи является характеристика современного отечественного состояния данного динамично развивающегося направления применительно к созданию функциональных электронных компонентов на основе аддитивных печатных 2D-технологий: капельно-струйных, печатно-матричных трафаретных, аэрозольных и так называемых 3D-MID-технологий, основанных на лазерной модификации – конверсии приповерхностного слоя. Основными особенностями данного вида технологий являются:
Наряду с технологиями печати индустрия гибкой печатной электроники и фотоники включает процессы прецизионной 2D- и 3D-сборки и использование утоненных бескорпусных элементов для сохранения гибкости и конформности конструкции.
Цифровая фабрика – кластер гибкой печатной электроники и фотоники (рис.1), разработанный на базе функциональных модулей (рис.2), интегрированных в автоматизированную технологическую линию, был ранее представлен в наших работах [1, 2] и объединяет в своем составе модуль технохимической обработки, модули каплеструйной печати с системами интегральной термической и локальной лазерной обработки, модуль 3D-коммутации лазерным модифицированием (3D-MID), модули сверхпрецизионной 2D- и 3D-сборки с точностью позиционирования до 0,5 мкм, модуль автоматической механической сборки (дельта-робот) разнородных микрокомпонентов, транспортные линии и загрузочные роботы, автоматизированную систему управления модулями и процессами перемещения по транспортной магистрали. Кластер имеет собственную систему локального обеспыливания и удаления продуктов. Работа модулей основана на использовании стандартного программного обеспечения, редактируемого для выполнения различных технологических задач исходя из параметров процесса и собственных программных средств системного управления кластером. Проектирование изделий реализуется в рамках модифицированных программных средств.
Особенности новой производственно-технологической ниши следующие:
Совокупность ранее указанных конструктивно-технологических решений определяет эффективные направления отраслевой предметной ориентации рынка – это создание продукции нового поколения для социально ориентированных производств и технологий, включая медицинскую, пищевую, фармацевтическую промышленность, сельское хозяйство и биотехнологии [3].
Примеры изделий микротехники на основе гибкой печатной электроники и фотоники, востребованные для социально значимых отраслей экономики:
Сборка модулей по технологии гибридной печатной электроники, а также достижение такого значимого параметра, как гибкость устройства, требует наличия технологии создания сверхтонких интегральных микросхем. СПбГЭТУ "ЛЭТИ" разработал технологию утонения бескорпусных интегральных микросхем. Результат утонения представлен на фотографии (рис.3). Утонение проводилось до 30–40 мкм, при этом работоспособность кристалла сохранена. Потенциально технология позволяет утонять кристаллы ИМС до 10–15 мкм.
Применение гибридной технологии (технологии сверхтонкого кристалла и технологии InkJet – каплеструйное многослойное нанесение коммутирующих слоев) обеспечило изготовление необходимых базовых блоков платформы [4–6]:
Сверхплоские гибкие резисторы (рис.4) изготовлены по технологии InkJet и обладают следующими параметрами:
Сверхплоские гибкие катушки индуктивности и микроантенны (рис.5), возможно их использование в том числе как сенсорных элементов физических величин, они изготовлены по технологии InkJet и обладают следующими параметрами:
Блок беспроводного цифрового интерфейса (рис.6) изготовлен по гибридной технологии, с применением технологии InkJet и обладает следующими параметрами:
Платформа микроконтроллера (рис.7) изготовлена по гибридной технологии, с применением технологии InkJet и обладает следующими параметрами:
Блок памяти (рис.8) изготовлен по гибридной технологии, с применением технологии InkJet и обладает следующими параметрами:
Разработанная технология обеспечивает возможность изготовления блоков на гибкой керамике или гибком стекле, что делает прибор устойчивым к агрессивным средам, с сохранением их гибкости и минимальной толщины.
Разработанные и изготовленные функциональные блоки (рис.4–8) обеспечили технологический задел для изготовления гибкой интеллектуальной сенсорной платформы (рис.9).
Состав платформы: процессорный модуль; модуль памяти; цифровой NFC-интерфейс; сенсоры температуры, давления, влажности, газового состава.
В качестве примера реализации платформы изготовлен прототип интеллектуальной упаковки (рис.10). Прототип обладает следующими параметрами: NFC-интерфейс; измеряемое ускорение ±2/4/8 g; измеряемая температура от –40 до +85 °C; батарея питания 15 мА ∙ ч.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для реализации процессов гибкой печатной электроники и фотоники и создания технологических кластеров нового поколения в СПбГЭТУ "ЛЭТИ" в 2016 году создан инжиниринговый центр, открывающий новый в России сегмент инжиниринговых услуг и обладающий следующими преимуществами:
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Афанасьев П.В., Бохов О.С., Лучинин В.В. Научно-технологический комплекс экспресс-прототипирования изделий гибкой электроники и фотоники // НАНОИНДУСТРИЯ. 2013. № 6. С. 94–104.
Афанасьев П.В., Бохов О.С., Лучинин В.В. Создание технологического кластера гибкой печатной электроники // НАНОИНДУСТРИЯ. 2014. № 3. С. 52–56.
Афанасьев П.В., Бохов О.С., Лучинин В.В. Кластер гибкой печатной электроники // Биотехносфера. 2014. № 6. С. 67–70.
Бороденков Н.И., Бохов О.С., Смирнов А.В., Шилков В.М. Разработка программных средств для проектирования и создания устройств гибкой печатной электроники // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 8. С. 459–464.
Афанасьев П.В., Бохов О.С., Мандрик И.В., Старцев В.А. Каплеструйная технология гибкой печатной электроники для изготовления пассивных элементов // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 8. С. 465–470.
Топталов С.И., Устинов Е.М., Афанасьев П.В., Бохов О.С., Мандрик И.В., Старцев В.А. Создание антенных печатных модулей каплеструйной технологией // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 8. С. 470–475.
ЭЛЕКТРОНИКА. ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ КОМПЕТЕНЦИИ
И ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
FLEXIBLE PRINTED CONFORMED
ELECTRONICS. DOMESTIC COMPETENCIES
AND ELECTRONIC COMPONENTS
В.В.Лучинин1, директор департамента науки СПбГЭТУ "ЛЭТИ", д.т.н., проф., (ORCID: 0000-0002-9117-9549), О.С.Бохов2, старший научный сотрудник, к.т.н., (ORCID: 0000-0003-0217-0567), П.В.Афанасьев2, старший научный сотрудник, к.т.н., (ORCID: 0000-0002-5329-1388), И.В.Мандрик2, инженер, (ORCID: 0000-0002-7825-3927),
В.А.Старцев2, инженер, (ORCID: 0000-0002-4251-6019), А.В.Смирнов2, инженер, (ORCID: 0000-0002-1809-9470), В.А.Никонова2, инженер, (ORCID: 0000-0003-2706-1922) / tech@contractmanufacturing.ru
V.V.Luchinin1, Head of the Department of Science, Doct. of Sc. (Technical), Prof., (ORCID: 0000-0002-9117-9549), О.S.Bokhov2, Cand. of Sc. (Technical), Senior Researcher, (ORCID: 0000-0003-0217-0567), P.V.Afanasiev2, Senior Researcher, Cand. of Sc. (Technical), (ORCID: 0000-0002-5329-1388), I.V.Mandrik2, Engineer, (ORCID: 0000-0002-7825-3927),
V.A.Startsev2, Engineer, (ORCID: 0000-0002-4251-6019), A.V.Smirnov2, Engineer, (ORCID: 0000-0002-1809-9470), V.А.Nikonova2, Engineer, (ORCID: 0000-0003-2706-1922)
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.6.342.350
Получено: 03.10.2019 г.
Предоставлен результат разработки и изготовления электронных компонентов, созданных с использованием технологии гибкой печатной электроники, сверхтонкого утонения чипов кристаллов активных элементов и 2D микросборочных операций на тонком гибком носителе для унифицированной сенсорно-информационной платформы Интернета вещей.
The paper presents the result of the development and manufacture of electronic components created with the use of the flexible printed electronics technology, ultrafine thinning of chip crystals of active elements and 2D microassembly operations on a thin flexible medium for a unified touch-information platform of the Internet of things.
Современные научно-технические революции, характеризующиеся понятиями: "Индустрия 4.0" – объединение современных информационно-коммуникационных технологий с производственным оборудованием и средствами автоматизации, и, безусловно, "Общество 5.0" ("умное общество") – цифровая трансформация, направленная на формирование новой социально-технологической среды на основе систем искусственного интеллекта, основаны на интеграции физического и киберпространства.
Гибкая печатная электроника и фотоника являются приоритетными направлениями инвестиций в новую наукоемкую инновационную экосистему, гармонично сочетающую профессиональное и социальное обеспечение персонифицированной среды жизнедеятельности человека. Функцию интегратора в рамках решения вышеуказанных задач выполняет глобальная инфокоммуникационная система "Интернет" в различных ее профессиональных приложениях (Интернет вещей, Интернет людей, Индустриальный интернет), включая задачу интеграции реального и виртуального миров. Компоненты гибкой печатной электроники конформно пространственно-геометрически и функционально интегрируются в распределенные сенсорно-управляющие и информационно-коммуникационные среды, обеспечивая высокую конструктивную адаптивность и экономическую эффективность технических решений.
Целью данной статьи является характеристика современного отечественного состояния данного динамично развивающегося направления применительно к созданию функциональных электронных компонентов на основе аддитивных печатных 2D-технологий: капельно-струйных, печатно-матричных трафаретных, аэрозольных и так называемых 3D-MID-технологий, основанных на лазерной модификации – конверсии приповерхностного слоя. Основными особенностями данного вида технологий являются:
- высокая производительность по площади и скорости печати на различных субстратах (обои, одежда, бумага, полимеры и пр.);
- гибкость и трехмерность субстратов;
- широкая номенклатура базовых расходных материалов (металлические, диэлектрические, магнитные, оптические и люминесцентные композиции);
- низкотемпературность технологии;
- достижение достаточно высокого пространственного разрешения при струйной печати (до 1 мкм) с возможностью отказа от литографических процессов.
Наряду с технологиями печати индустрия гибкой печатной электроники и фотоники включает процессы прецизионной 2D- и 3D-сборки и использование утоненных бескорпусных элементов для сохранения гибкости и конформности конструкции.
Цифровая фабрика – кластер гибкой печатной электроники и фотоники (рис.1), разработанный на базе функциональных модулей (рис.2), интегрированных в автоматизированную технологическую линию, был ранее представлен в наших работах [1, 2] и объединяет в своем составе модуль технохимической обработки, модули каплеструйной печати с системами интегральной термической и локальной лазерной обработки, модуль 3D-коммутации лазерным модифицированием (3D-MID), модули сверхпрецизионной 2D- и 3D-сборки с точностью позиционирования до 0,5 мкм, модуль автоматической механической сборки (дельта-робот) разнородных микрокомпонентов, транспортные линии и загрузочные роботы, автоматизированную систему управления модулями и процессами перемещения по транспортной магистрали. Кластер имеет собственную систему локального обеспыливания и удаления продуктов. Работа модулей основана на использовании стандартного программного обеспечения, редактируемого для выполнения различных технологических задач исходя из параметров процесса и собственных программных средств системного управления кластером. Проектирование изделий реализуется в рамках модифицированных программных средств.
Особенности новой производственно-технологической ниши следующие:
- широкое использование при изготовлении изделий прецизионных аддитивных капельно-струйных, корпускулярных и инпринт-технологий;
- реализация процессов в условиях 2D- и 3D-субстратов различной физико-химической природы;
- развитие конвергентных технологий на основе органонеорганической и бионеорганической гибридизации.
Совокупность ранее указанных конструктивно-технологических решений определяет эффективные направления отраслевой предметной ориентации рынка – это создание продукции нового поколения для социально ориентированных производств и технологий, включая медицинскую, пищевую, фармацевтическую промышленность, сельское хозяйство и биотехнологии [3].
Примеры изделий микротехники на основе гибкой печатной электроники и фотоники, востребованные для социально значимых отраслей экономики:
- микроаналитические системы типа лабораторий-на-чипе для высокочувствительного биомедицинского экспресс-контроля, определения безопасности пищевых продуктов и мониторинга биотехносферы;
- сверхминиатюрные информационно-коммуникационные модули, легко интегрируемые в упаковку продовольственных товаров для сбора и передачи информации об условиях хранения, транспортировки, продажи;
- мультифункциональные сенсорно-исполнительные элементы, интегрируемые в одежду и размещаемые на теле человека для биомониторинга и коррекции состояния организма;
малобюджетные распределенные сенсорные поля для контроля агропараметров в индивидуальных и промышленных секторах сельского хозяйства;
- сенсорно-исполнительные сверхминиатюрные модули для бионических роботехнических комплексов и систем замещения функциональных элементов в организме человека.
В СПбГЭТУ "ЛЭТИ" реализованы прототипы модулей, которые являются базовыми для формирования Интернета вещей, а именно – гибкая сверхтонкая интеллектуальная сенсорная платформа.
Сборка модулей по технологии гибридной печатной электроники, а также достижение такого значимого параметра, как гибкость устройства, требует наличия технологии создания сверхтонких интегральных микросхем. СПбГЭТУ "ЛЭТИ" разработал технологию утонения бескорпусных интегральных микросхем. Результат утонения представлен на фотографии (рис.3). Утонение проводилось до 30–40 мкм, при этом работоспособность кристалла сохранена. Потенциально технология позволяет утонять кристаллы ИМС до 10–15 мкм.
Применение гибридной технологии (технологии сверхтонкого кристалла и технологии InkJet – каплеструйное многослойное нанесение коммутирующих слоев) обеспечило изготовление необходимых базовых блоков платформы [4–6]:
Сверхплоские гибкие резисторы (рис.4) изготовлены по технологии InkJet и обладают следующими параметрами:
- толщина: до 30 мкм;
- радиус изгиба: от 0,1 мм;
- номинал: от 1 Ом до 1 МОм.
Сверхплоские гибкие катушки индуктивности и микроантенны (рис.5), возможно их использование в том числе как сенсорных элементов физических величин, они изготовлены по технологии InkJet и обладают следующими параметрами:
- радиус изгиба: от 1 см;
- номинал: от 10 нГ до 1 мГ;
- толщина: до 30 мкм.
Блок беспроводного цифрового интерфейса (рис.6) изготовлен по гибридной технологии, с применением технологии InkJet и обладает следующими параметрами:
- протокол: NFC;
- датчик температуры: –20 до +60 °С;
- толщина: не более 180 мкм;
- радиус изгиба: от 0,1 мм;
- напряжение питания: 1,8…3,6 В;
- тактовая частота: 0,25…8 МГц;
- рабочая частота РЧ-блока: 13,56 МГц;
- ток потребления в спящем режиме: не более 10 мкА;
- температурный диапазон: –20…+60 °С.
Платформа микроконтроллера (рис.7) изготовлена по гибридной технологии, с применением технологии InkJet и обладает следующими параметрами:
- толщина всего блока: не более 180 мкм;
- утонение чипа: с 325 до 35 мкм;
- радиус изгиба: от 0,1 мм;
- микроконтроллер: CYPRESS CY8C20;
- напряжение питания: 1,71…5,5 В;
- память: SRAM 16 kB; Flash NM – 256 K (32 kB);
- I2C, USB, АЦП 10 бит.
Блок памяти (рис.8) изготовлен по гибридной технологии, с применением технологии InkJet и обладает следующими параметрами:
- толщина всего блока: не более 210 мкм;
- радиус изгиба: от 0,1 мм;
- напряжение питания: от 1,65 до 2,0 В;
- ток потребления в режиме простоя: не более 180 мкА;
- ток потребления в режиме записи: не более 40 мА;
- объем памяти: 512 Мбит;
- температурный диапазон: –40…+85 °С.
Разработанная технология обеспечивает возможность изготовления блоков на гибкой керамике или гибком стекле, что делает прибор устойчивым к агрессивным средам, с сохранением их гибкости и минимальной толщины.
Разработанные и изготовленные функциональные блоки (рис.4–8) обеспечили технологический задел для изготовления гибкой интеллектуальной сенсорной платформы (рис.9).
Состав платформы: процессорный модуль; модуль памяти; цифровой NFC-интерфейс; сенсоры температуры, давления, влажности, газового состава.
В качестве примера реализации платформы изготовлен прототип интеллектуальной упаковки (рис.10). Прототип обладает следующими параметрами: NFC-интерфейс; измеряемое ускорение ±2/4/8 g; измеряемая температура от –40 до +85 °C; батарея питания 15 мА ∙ ч.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для реализации процессов гибкой печатной электроники и фотоники и создания технологических кластеров нового поколения в СПбГЭТУ "ЛЭТИ" в 2016 году создан инжиниринговый центр, открывающий новый в России сегмент инжиниринговых услуг и обладающий следующими преимуществами:
- отсутствие на рынке российских конкурентов с необходимым уровнем компетенций;
ограниченность отечественного доступа к этому сегменту международного рынка при его динамичном развитии;
- наличие у сотрудников университета реальных компетенций по созданию микросистем на заказ;
- уникальность кадровых, интеллектуальных и материально-технических ресурсов для организации инжинирингового центра и предоставления инжиниринговых услуг.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Афанасьев П.В., Бохов О.С., Лучинин В.В. Научно-технологический комплекс экспресс-прототипирования изделий гибкой электроники и фотоники // НАНОИНДУСТРИЯ. 2013. № 6. С. 94–104.
Афанасьев П.В., Бохов О.С., Лучинин В.В. Создание технологического кластера гибкой печатной электроники // НАНОИНДУСТРИЯ. 2014. № 3. С. 52–56.
Афанасьев П.В., Бохов О.С., Лучинин В.В. Кластер гибкой печатной электроники // Биотехносфера. 2014. № 6. С. 67–70.
Бороденков Н.И., Бохов О.С., Смирнов А.В., Шилков В.М. Разработка программных средств для проектирования и создания устройств гибкой печатной электроники // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 8. С. 459–464.
Афанасьев П.В., Бохов О.С., Мандрик И.В., Старцев В.А. Каплеструйная технология гибкой печатной электроники для изготовления пассивных элементов // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 8. С. 465–470.
Топталов С.И., Устинов Е.М., Афанасьев П.В., Бохов О.С., Мандрик И.В., Старцев В.А. Создание антенных печатных модулей каплеструйной технологией // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. № 8. С. 470–475.
Отзывы читателей
