Проблемы печатных и одноразовых чипов. Часть 1.
Сергей Шихов, технический директор А‑КОНТРАКТ
В последнее время наблюдается бурное развитие всевозможных аддитивных технологий. Печатная электроника не исключение. Хорошо известны методы печати, используемые в типографиях, применение их в производстве электроники очень заманчиво. Пока данное направление делает первые шаги, но ведь и 3D-принтеры когда-то были не более чем игрушкой для техно-гиков. А сейчас 3D-принтеры широко используются для производства, в том числе и изделий ответственного применения (детали ракетного двигателя носителя Falcon тому пример).
Печать недорогих чипов по технологии, разработанной для газет и журналов, обретает все большую популярность в самых различных приложениях — от фотоэлектрических элементов до датчиков на гибкой подложке. Впрочем, и добавляет множество новых проблем, уникальных для этого метода.
Мир гибкой гибридной электроники (FHE) — печать интегральных микросхем, или прикрепление тонких микросхем на гибкую подложку,— весьма далек от обсуждений разработок толщиной 3 нм и производственных методов, и даже от чипов со смешанным сигналом водном корпусе. Вероятно, печатные чипы никогда не заменят сложные SoC или не смогут справиться с задачами вычисления, которые легко решают старые кремниевые технологии. Но все же это не просто научный эксперимент. Печатные чипы уже не только используются повсюду — от мониторинга температуры и вибрации в производственных операциях до гибких датчиков, которые крепятся к коже, но и тестировались для таких устройств, где не подходят жесткие чипы или их сложно заменить.
То, насколько далеко продвинулось развитие технологии печатных чипов, во многом зависит от сегмента рынка и типа применяемой технологии печати. Следующая задача состоит в том, чтобы добавить процессы, позволяющие использовать полупроводники в приложениях, для которых критически важными являются миссия и безопасность.
«Существует идея, что вскоре каждый объект будет иметь свой датчик,— говорит Мэтью Дайсон, специалист по технологиям в IDTechEX.— У вас будут датчики на фабриках для отслеживания температуры или для чего угодно, что вы пожелаете, и это будет относительно дешево. Например, у вас есть коробка с таблетками, ивы хотите отслеживать их температуру или потребление. Вы ставите на упаковку маленький датчик, и он записывает температуру и то, приняли ли вы таблетку. Теперь вопрос в том, сколько возможностей обработки вы вкладываете в продукт и сколько во что-то еще. То есть возникает компромисс, поскольку если вы отдаете большую часть обработки датчику, его исполнение становится дороже, и тогда вам нужно передавать меньше данных. А если вы только собираете данные и ничего с ними не делаете, тогда вам надо отправить всю информацию куда-то еще. А каждый бит пересылаемой информации требует энергии, и откуда тогда вы получите всю эту энергию?».
Сегодня печатные чипы становятся все более важным элементом, и потребность в них только возрастает. В настоящее время по всему миру ведется работа, цель которой — найти оптимальный компромисс между обработкой на месте и обработкой в облаке.
Инновационные технологии
Многие из этих подходов полагаются на существующие печатные технологии. Струйная печать превалирует в небольших объемах устройств, где она доказала свою экономичность, но это относительно медленный вариант. Известны такие технологии, как офсетная и глубокая печать, которые обрели популярность благодаря возможности печатать точные слои в больших объемах. Технология глубокой печати, использующая изображения, выгравированные на пластинах, восходит к 1800м годам, когда с ее помощью создавались высококачественные художественные репродукции. Офсетная печать долгое время была распространена в газетном деле. Кроме того, существующее оборудование применялось для литографии чипов при создании более сложных структур на гибкой подложке.
Но настоящая инновация касается не столько печатных процессов, сколько химического состава и стабильности чернил и их соединения с подложкой. Как и во всех полупроводниках, основной упор делается на повторяемость, согласованность и экономию на масштабе, и такие усилия выходят далеко за рамки простой печати чернилами. Это касается и того, как чипы нарезаны, как соединяются с подложкой и насколько точно и надежно они откалиброваны.
«Глубокая и офсетная печать быстры и имеют отличное качество кромки, а аэрозольные чернила хороши для прототипирования,— говорит Натан Преториус, инженер по прототипированию и автоматизации в NextFlex.— Но мы выяснили, что калибровка должна выполняться после установки кристаллов. Если вы печатаете что-то, сама печать может создавать нагрузку для устройства и удерживать его в этом состоянии, а потому вам необходимо откалибровать чип. Для ВЧ кристалла нужно реорганизовать линию передачи, и сделать это на гибкой подложке».
Окисление создает еще одну проблему. «Вам необходим материал, который не будет создавать окисную пленку,— говорит Преториус.— То есть у вас не должно быть отверстий под кристаллом».
Все это оказывает влияние на производство данных устройств и их дальнейшее использование. Например, исследовательская лаборатория ВВС совместно с UESInc. разрабатывает датчики для мониторинга газов на постоянной основе, а не просто для измерения кумулятивного воздействия, как большинство современных подобных устройств.
«Требования были таковы, что это должен был быть металлооксидный датчик, обязательно гибкий и с конформной полосой,—отметил Майкл Бродерс, технический программный менеджер в UES.— Если вы посмотрите на многие сегодняшние датчики, то увидите, что они большие и требуют много энергии. Существует острая необходимость в гибких носимых датчиках, восновном одноразовых, крупную партию которых можно создать за несколько часов в одноразовых формфакторах. Они должны работать примерно на 100 мВ и обнаруживать органические растворители, а диэлектрики должны быть устойчивыми».
В UES есть много направлений деятельности в этой сфере. Другим примером того, какими маленькими могут быть подобные устройства, является пластиковый датчик для подмышечной впадины Arm, который разрабатывался последние пару лет. Компания Arm создала органический полевой транзистор, реагирующий на органические соединения, такие как запах тела. «Если вы установите несколько подобных устройств и добавите машинное обучение, оно может классифицировать запах как одну из характеристик»,— заметил Джон Биггс, соучредитель компании Arm и консультант по исследованиям и разработкам.
То, насколько данная технология может быть маленькой и тонкой, лишь один из множества вопросов, стоящих перед гибкой технологией. Другая проблема в том, насколько плотно можно напечатать линии и зазоры. Чем больше можно установить на гибкую подложку, тем полезнее будут эти устройства для множества различных приложений, от сложных датчиков со встроенной обработкой до одноразовых применений.
«Если вы смотрите на 32битный микропроцессор, то это все еще сложно для печатной электроники, — говорит Биггс. — Использование тонких пленок на подложке все еще отстает от кремния на три-четыре десятилетия. Поэтому думайте о чипах в 1 мкм и 3–4 В. Даже если пластиковая электроника следует закону Мура, она не будет работать совершенно таким же образом».
Для некоторых приложений это не имеет значения. «Прямо сейчас вы можете установить трекер для занятий спортом или нанести «умную» маркировку на продукты питания или вино, чтобы продать до определенной даты,— говорит Биггс.— Но некоторые продукты питания портятся быстрее в зависимости от того, хранятся ли они в тени или на солнце».
Скачать полный текст статьи «Проблемы печатных и одноразовых чипов» в формате pdf
