Новый рынок: глобальные перспективы гибкой электроники из Троицка |

Основной материал

Основным материалом схемы служит гибкая полимерная пленка, обеспечивающая основу для слоистого материала. При нормальных условиях основной материал для гибкой схемы обеспечивает большую часть ее физических и электрических свойств. Если говорить об адгезионных способностях, то и также обеспечивает основной материал.

Несмотря на то, что возможно использование различной толщины, большинство гибких пленок обеспечивает малый диапазон относительной толщины, измеряемый в пределах от 12 до 125 нм (0,5-5 мил), хотя существуют как более, так и менее тонкие материалы. Более тонкие материалы, разумеется, более гибки, ведь для большей части материалов жесткость растет пропорционально кубу толщины.

Следовательно, это значит, что при увеличении толщины в два раза материал станет в восемь раз жестче и сможет отражать только 1/8 часть энергии при равной нагрузке. Существует множество материалов, использующихся в качестве основы для пленок, среди которых – полиэфиры, полиимиды, полиэтиленнафталаты (ПЭН), полиэфиримид, а также – многие фторопласты и сополимеры.

Plastic logic и монстры

Но что в итоге? С одной стороны, в проекте достаточно неудач и просчетов. Не сбылись ожидания технологических визионеров, консультировавших «Роснано» в конце 2000-х. Большой новый рынок гибкой электроники до сих пор не возник, не возникла и продуктовая линейка устройств на основе гибкой электроники.

С другой стороны, нельзя сказать, что перспектив у проекта нет. Во-первых, сделан технологический трансфер, работающая технология перенесена в Россию. Во-вторых, на успех работают вера и упорство руководства «Роснано». И Анатолий Чубайс, и его заместитель Юрий Удальцов утверждают, что линейка различных серийных продуктов на основе гибкого экрана, хоть и задержалась лет на десять, в итоге все же возникнет, и очень скоро.

Однако это как раз и вызывает тревогу за судьбу российской гибкой электроники. Профессор Андрей Алешин говорит: «Прогресс в области технологий гибкой органической электроники сейчас стремительный. В первых рядах вкладывают в эту область страны Азии — Китай, Корея, Япония.

Только в этом году несколько компаний, включая Samsung, представили образцы гибких смартфонов, готовых к промышленному производству для широкого круга потребителей. Да, сейчас эти смартфоны дороги и часто не совсем совершенны, но они гибкие и цветные».

В подготовке кейса принимал участие Дан Медовников

Title

Акт второй: те же и ipad

Когда заходит речь о высокой себестоимости ридера Plastic Logic, обычно вспоминают выход iPad и сравнивают ридер с пластиковым экраном на жидких чернилах именно с этим хитом Apple. Первый iPad был выпущен компанией Apple в апреле 2022 года, второй — уже в марте 2022-го.

А в 2022 году журнал «Эксперт» отмечал: «Ключевая ошибка всего проекта [Plastic Logic] была маркетинговой: компания — производитель гибких экранов пыталась выйти на высококонкурентный рынок планшетов и собиралась там бороться с мировыми грандами». Однако высокая себестоимость не была, по словам руководителей «Роснано», определяющей, если говорить о таком сегменте рынка, как школьники.

Вот как объясняет ситуацию Анатолий Чубайс: «Есть гораздо более простая вещь: есть дотация на ридер для детей или нет. Да, он дорогой, там золото и другие компоненты. Но я по-прежнему абсолютно убежден, что наша исходная идея ридера именно для школьников была абсолютно правильной.

Он на зрение влияет правильно, в отличие от жидкого кристалла, по весу в три раза меньше, и так далее. Он ударопрочный — значит, можно спокойно драться со всеми, и ничего не произойдет. Но чем это все подтверждено? Подтверждено фактами. Сегодня Китай субсидирует закупку дисплеев Plastic Logic для своих школьников.

В России же попытки внедрения ридеров, заменяющих учебники, не пошли дальше пилотного проекта. В 2022 году Министерство образования и науки сообщало о внедрении электронных учебников в нескольких школах в качестве эксперимента. Под технические требования подходил ряд электронных ридеров, которые и приняли участие в эксперименте. Одним из них был Plastic Logic. Однако затем эксперимент был свернут.

Что же касается обычных пользователей, то, безусловно, iPad с цветным экраном, возможностью просмотра видео и при этом сопоставимой ценой выглядел более выигрышно.Юрий Удальцов добавляет: «iPad убил эту историю не стоимостью. Он убил больше функциональностью, чем ценой.

Гибкие схемы двойного доступа

Гибкие схемы двойного доступа обладают одним проводящим слоем, но он работает так, что появляется возможность получения доступа к определенным элементам проводящей схемы с обеих сторон. Несмотря на то, что этот тип схем обладает определенными преимуществами, специальные требования к вычислениям для доступа к элементам ограничивают их применение.

Гибкие схемы на полимерных толстых пленках

Гибкие схемы на полимерных толстых пленках (ПТП) – печатные схемы с проводниками, пропечатанными на полимерных толстых пленках. Как правило, это – структуры с одним проводящим слоем, однако несколько слоев металла могут быть распечатаны вместе со слоями диэлектрика по последовательной схеме между уже распечатанными слоями кондуктора.

Несмотря на то, что проводимость данных схем — ниже, а значит – их нельзя будет использовать во всех отраслях, гибкие схемы на ПТП успешно применяются в большом количестве отраслей, где нужны малые мощности. Самый распространенный пример их применения – клавиатура. Однако существует большое количество возможных отраслей применения для этого выгодного способа производства гибких схем.

Двухсторонние гибкие схемы

Двухсторонние гибкие схемы получили свое название из-за двух слоев проводника. Они могут производиться с использованием монтажа компонентов в отверстия или без него, хотя более распространенным является первый вариант. Если схема собрана без монтажа в отверстия, а соединители доступны только с одной стороны, то она определяется, как «Тип 5» согласно военной спецификации.

Такая практика имеет место, хоть и не слишком часто. Из-за монтажа в отверстия с обеих сторон платы можно разместить зажимы для электронных компонентов, что позволит поместить сами компоненты на любой из сторон. В зависимости от требований к разработке, двухсторонние гибкие схемы могут выпускаться с защитными покрытиями на одной, обеих или ни на одной из сторон завершенной схемы, но чаще всего их выпускают с покрытием на обеих сторонах.

Одним из главных преимуществ этого типа подкладок является возможность легко создать перекрестные соединения. Многие односторонние гибкие схемы монтируются на двухсторонней подкладке просто потому, что у них есть одно или два перекрестных соединений.

Жестко-гибкие схемы

Жестко-гибкие схемы – гибридный вид схем, состоящих из жестких и гибких подкладок, склеенных в единую структуру. Их не стоит путать с усиленными гибкими схемами, которые представляют собой обычные схемы, усиленные для того, чтобы выдерживать вес электронных компонентов.

Слои жесткой схемы, как правило, соединены при помощи металлизированных монтажных отверстий. С годами жестко-гибкие схемы стали невероятно популярными среди разработчиков военной продукции, однако технология была разработана для использования в коммерческой отрасли.

Хоть часто и говорится, что эти товары производятся в низких объемах из-за сложностей, в 1990-е годы компания «Compaq computer» сделала впечатляющие попытки использовать эту технологию для производства монтажных плат ноутбуков. Хоть главные компьютерные жестко-гибкие схемы не гнутся во время работы, последующие разработки компании использовали жестко-гибкие схемы для шарнирных видеокабелей, достигавших до 1000 единиц гибкости при тестировании. К 2022 году использование жестко-гибких схем в ноутбуках для массового потребления стало распространенным.

Как правило, жестко-гибкие схемы являются многослойными структурами, однако иногда используются компоновки с двумя слоями металла.

Завод остается землеотводом

В том же 2022 году началось проектирование завода в Зеленограде, был получен землеотвод, российское юридическое лицо Plastic Logic стало резидентом особой экономической зоны, была собрана команда.  Для финансирования строительства даже был привлечен банк «Санкт-Петербург», однако, неожиданно выяснилось, что под выделенным участком проходят стратегические коммуникации и возведение предприятия застопорилось.

Встал вопрос и о целесообразности строительства. Гендиректор компании Индро Мукерджи сказал акционерам, что в сложившейся ситуации он не видит необходимости в дополнительных производственных мощностях. Компания не может продать продукцию дрезденского завода, на обычном рынке ее очевидно теснит iPad, российский школьный рынок тоже не выглядит перспективным, поэтому нужно останавливаться и думать, что делать, чтобы не оказаться в ловушке, говорил Мукерджи.

«Роснано» сопротивлялась. Ведь о начале строительства завода уже было широко объявлено, была сделана вся предшествующая старту строительства работа. Однако Мукерджи продолжал убеждать акционеров, и в итоге его аргументы подействовали. Постфактум руководители «Роснано» говорят, что гендиректор, крепкий профессионал, отыграл в этот момент свою функцию главы бизнеса на отлично и фактически спас компанию от самоубийственного шага.

История

Появившиеся в начале XX века изобретения показывают, что первые исследователи предвидели создание плоских проводов, расположенных между слоями диэлектрика, для создания электрических схем, обслуживающих ранние линии телефонии. Одним из первых описаний того, что можно назвать гибкой схемой, было обнаружено доктором Кен Джиллео и опубликовано в 1903 году Альбертом Хансеном в английском патенте, где была описана конструкция, состоящая из плоских металлических проводов, покрытых пропитанной парафином бумагой.

Записи из лаборатории Томаса Эдисона того же периода поазывают, что он подумывал о том, чтобы покрыть образцы карбоксиметилцеллюлозы линованной бумагой, покрытой графитовым порошком, чтобы создать то, что определенно можно было назвать гибкой схемой, хотя нет информации о том, что она была применена на практике.

В 1947 году в публикации под названием «Методы создания печатных плат», написанной Кледо Брунетти и Роджером Кертисом, где изложено краткое изложение обсуждения вопроса создания схем, который могли обладать гибкими диэлектриками (например, бумагой), показывается, что эта идея имела место.

В 1950-х годах Виктор Далгрен и Ройден Сандерс изобретатели из компании «Sanders Associates», расположенной в Нашуа (штат Нью-Гемпшир), сделали серьезные успехи в разработке и патентовании процессов печати и травления плоских проводов на основе гибких материалов, служащих в качестве замены кабельных жгутов.

На сегодняшний день гибкие схемы используется во многих товарах. Серьезное значение они приобрели благодаря усилиям японских компаний-производителей электроники и их инженеров-монтажников, придумавших бесчисленное множество новых способов применения технологии гибких схем.

В последние десять лет рынок гибких схем остается одним из самых быстрорастущих сегментов рынка соединительных товаров. Более прогрессивная вариация технологии под названием «гибкая электроника» часто включает объединение активных и пассивных функций в работе.

Клеящий состав

Адгезивы используются, как средство скрепления при нанесении слоистого материала. За счет своей термоустойчивости адгезив, как правило, используется в качестве ограничителя при нанесении слоистого материала, особенно – при работе с полиимидами, как основным материалом.

Из-за ранних сложностей, связанных с полиимдными адгезивами, многие полиимидные гибкие схемы сейчас используют адгезивы, сделанные из различных полимеров. Однако некоторые, более современные термопластичные полиимидные адгезивы уже дали серьезный толчок для развития.

Как и в случае с базовыми пленками, толщина адгезивов отличается. Как правило, выбор толщины зависит от области применения. К примеру, адгезивы разной толщины часто используются для создания покрытий, нужных для защиты медной фольги различной толщины.

Металлическая фольга чаще всего используется в качестве проводника схемы. Металлической фольгой называют тот материал, из которого можно нормально вытравить пути в схеме. Существует широкий спектр видов фольги переменной толщины, из которых можно выбрать материал для создания гибкой схемы, однако в подавляющем большинстве используется медная фольга.

Лучшим выбором ее делает отличный баланс между ценой меди и ее физическими и электрическими свойствами. На сегодняшний день существует много разных типов медной фольги. Компания «IPC» выделяет восемь типов медной проволоки для печатных схем, разделенных на две более крупных категории (гальванически осажденные и обработанные давлением), в которой имеется четыре подкласса.

Вследствие этого существует множество различных типов медной проволоки, пригодной для производства гибких схем, нужных в различных отраслях промышленности и конечных продуктах. В большинстве случаев работы с медной проволокой при обработке на тонкую поверхность часто наносится одна сторона, чтобы улучшить ее приклеивание к основной пленке.

Медная проволока делится на два типа – гальванически осажденная и обработанная давлением, и свойства каждого из типов – очень отличаются. Обработанная давлением и прокаленная фольга является самым часто используемым видом фольги, хотя более тонкие пленки, получаемые гальваническим осаждением, становятся все популярнее.

При нестандартных условиях производителю схем придется создать специальное слоистое покрытие с применением фольги из другого металла или специального медного сплава. Это происходит путем нанесения фольги на основную пленку с использованием или без использования адгезива в зависимости от происхождения и свойств основной пленки.

Нормативно-техническая документация в производстве гибких схем

Нормативы разработаны для обеспечения общей основы для понимания того, как должна выглядеть и работать производимая продукция. Стандарты производства были разработаны непосредственно такими ассоциациями производителей, как Ассоциации производителей связующей электроники, а также – пользователями гибких схем.

Материалы гибких схем

Каждый элемент компоновки гибких схем должен соответствовать тем требованиям, которые выдвигаются при расчете рабочего цикла изделия. К тому же, материал должен надежно работать вместе с другими элементами схемы для обеспечения легкости в сборке и надежности. Далее кратко описаны основные элементы гибких схем и их функции.

Многослойные гибкие схемы

Гибкие схемы, обладающие тремя и более слоями проводника, известны, как многослойные гибкие схемы. Часто слои взаимосвязаны за счет монтажа компонентов в отверстия, хотя в это нет необходимости, так как возможно обеспечить доступ к более низкоуровневым связям.

Слои этого типа гибких схем могут непрерывно ламинироваться во время конструирования за исключением зон, занятых компонентами, смонтированными в отверстия. Практика дискретного ламинирования распространена в тех случаях, когда необходима максимальная гибкость. Это достигается путем выделения зон, свободных от связей, где необходима гибкость.

Недостатки гпс

• Более высокая стоимость по сравнению с жесткими печатными платами
• Повышенный риск повреждения во время использования
• Более сложный процесс сборки
• Доработка и ремонт – сложны либо невозможны
• Худшее качество использования панелей, выливающееся в повышение стоимости

Новый рынок: глобальные перспективы гибкой электроники из троицка

Один из лучших технопарков россии

Группа компаний «Техноспарк» была создана в 2022 году в рамках партнерства группы частных инвесторов и Фонда инфраструктурных и образовательных программ группы «Роснано». Технологический кампус «Техноспарка» в южной части Троицка включает четыре корпуса общей площадью 12 тысяч квадратных метров.

С 2022 по 2022 год «Техноспарк» занимает первое место в рейтинге Ассоциации кластеров и технопарков России.

Технопарк работает по модели венчурного строительства. Ее суть в серийном наращивании стартапов в сфере высоких технологий. Для проектов используются накопленные компетенции и проверенные на практике бизнес-гипотезы.

«Техноспарк» создает с нуля, развивает и продает компании, которые разрабатывают и производят высокотехнологичную продукцию — логистическую робототехнику, системы хранения электроэнергии, медицинское оборудование, искусственные алмазы, композиты, оптические покрытия, тонкопленочную интегрированную фотовольтаику, гибкую электронику, а также развивают геномику, индустриальную микробиологию, аддитивные технологии.

В компаниях, созданных «Техноспарком», работают более 450 человек.

Кроме того, на базе «Техноспарка» действует центр молодежного инновационного творчества, созданный при поддержке Правительства Москвы. Его специализация — аддитивные технологии, промышленный дизайн и робототехника. В прошлом году центр посетили около 1200 человек.

Односторонние гибкие платы

Односторонние гибкие платы обладают одним проводящим слоем, сделанным либо из металла, либо из проводящего (содержащего металл) полимера на гибкой изолированной пленке. Одно из ограничений заключается в том, что доступ существует только с одной стороны.

В основной оболочке отверстия можно формовать, позволяя компонентам быть связанными, как правило – с помощью паяния. Односторонние гибкие схемы можно производить с использованием защитных оболочек или без них, однако, чаще всего используется защитное покрытие.

Преимущества гпс

• Возможное замещение многочисленных жестких плат и/или соединителей
• Односторонние платы идеально подходят в областях, связанных с динамикой или нуждающихся в высокой гибкости
• Большое количество конфигураций ГПС

Применение

Гибкие схемы часто используют в качестве соединителей в различных отраслях, где гибкость, миниатюризация или ограничения производства уменьшают надежность эксплуатации жестких печатных плат или ручной компоновки схемы. Чаще всего их применяют в компьютерных клавиатурах, где в большинстве случаев они обеспечивают работу переключающей матрицы.

При производстве ЖК-дисплеев стекло используется в качестве подкладки. Если вместо него использовать тонкую гибкую пластиковую или металлическую фольгу, вся система станет гибкой, так как пленка, размещаемая на верху подкладки, как правило, очень тонкая (всего несколько микрометров).

Органические светодиоды (OLED), как правило, используются вместо задней подсветки в гибких дисплеях. В результате появляются гибкие дисплеи с органическими светодиодами.

Большинство гибких схем – всего лишь пассивные связующие элементы, используемые для соединения таких электронных компонентов, как интегральные схемы, резисторы и конденсаторы. Однако, некоторые из них могут применяться только для создания взаимной связи между другими электронными блоками как напрямую, так или через соединители.

В автопромышленности гибкие схемы используют в приборных панелях и системах управления, расположенных под капотом, схемах, скрытых под обшивкой салона, и антиблокировочных системах. В компьютерной периферии гибкие схемы применяются в подвижных печатающих головках принтеров и передачи сигналов к ползунку, перемещающему считывающую или печатающую головку дисковода.

Также гибкие схемы часто используют в промышленных и медицинских приборах, где необходимо большое число компактно расположенных взаимосвязей. Еще один распространенный пример их применения – сотовые телефоны.

Для обеспечения спутников энергии были разработаны гибкие фотоэлементы. Они – легкие, могут быть свернуты для запуска и легко раскладываются, что делает их подходящими в применении. Также их можно пришить к рюкзаку или верхней одежде.

Производство

Гибкие печатные схемы (ГПС) делаются с использованием технологии фотолитографии. Еще одним способом производства гибких схем или шлейфов является нанесение полос с очень тонким (0,07 мм) слоем меди между двумя слоями ПЭТ (полиэтилентерефталата). Эти слои, часто не превышающие 0,05 мм в толщину, покрываются вяжущими веществами, представляющими собой реактопласты, активирующиеся во время ламинирования. ГПС и шлейфы обладают рядом преимуществ во многих областях:

• Плотно смонтированные электронные блоки, где контакты размещены в 3 плоскостях (пример использования – камеры) (статичное применение)
• Электрические контакты в тех условиях, когда сборка требует гибкости при обычном применении, как в мобильных телефонах (использование в движении)
• Электрические контакты между суб-сборками для замены более массивных и громоздких кабельных жгутов (примеры использования – автомобили, ракеты, спутники)
• Электрические контакты в тех приборах, где ведущую роль играет толщина платы или ограниченное пространство

Пять успешных проектов

Некоторые компании, созданные «Техноспарком», уже сами привлекают инвестиции для расширения производства. Среди ключевых и успешных проектов:

— TEN fab — контрактный производитель мехатроники, медицинской техники и робототехники.

Компания создает в единичном экземпляре или сериями до тысячи штук высокотехнологичные детали и сложное оборудование по конструкторской документации заказчика. Это единственная в России компания, которая управляет полным циклом контрактного производства, включая инжиниринг, прототипирование, промышленный дизайн, механообработку металлов, сплавов и пластиков, управление поставками компонентной базы, механическую, электрическую и электронную сборку, в том числе в чистом помещении (ISO-7), упаковку и логистику.

Предприятие специализируется на высокоточной механообработке металлов, сплавов и пластиков, а также на производстве мехатронного оборудования и устройств, сборке и поставке изделий и оборудования. Ключевое направление — создание высокоточных металлических изделий со сложной геометрией из разных металлов: от нержавеющей стали до молибденовой бронзы. Для этого в компании есть станки с точностью в два-три микрона.

TEN fab производит 3D-принтеры, медицинские тренажеры, оптические приборы, офтальмологические лазеры, компоненты для беспилотных автомобилей и многое другое.

В компании работают 145 человек.

Компания создана в 2022 году, с того момента она выполнила более 2100 заказов, в основном для малого и среднего бизнеса;

Рельефные гибкие схемы

Рельефные гибкие схемы – инновационный подкласс обычных гибких схем. Процесс производства включают специальный многоступенчатый метод травления гибких плат, во время которого слой медного проводника на гибкой плате отличаются по толщине в различных местах по всей длине платы (к примеру, толщина проводника может быть ниже в гибких участках и выше – в местах соединения).

Структуры гибких схем

Существует несколько основных компоновок гибких схем, но между ними существует серьезная разница из-за способов компоновки. Далее следуют самые распространенные схемы компоновки гибких плат

Технология гибкой электроники: возможности и перспективы

Технология гибкой электроники значительно расширяет применение микроэлектронных устройств. Это возможно благодаря замене дорогостоящего и хрупкого кремния на легкий, гибкий и недорогой пластик. Новая технология позволяет производить гибкие дисплеи гаджетов, гибкие сенсоры для отпечатков пальцев, пластыри со встроенной электроникой и биосенсорами, изогнутые детекторы рентгеновского излучения, пищевую упаковку с сенсорами и многое другое.

Исследования компании IDTechEx показывают, что уже в этом году объем рынка печатной, гибкой и органической электроники составит 41,2 миллиарда долларов, а через 10 лет этот показатель увеличится почти на 80 процентов — до 74 миллиардов долларов.

Данные компании Display Supply Chain Consultants показывают, что в прошлом году было продано 360 тысяч гибких складывающихся экранов. Ожидается, что этот показатель в ближайшие годы вырастет в десятки и даже сотни раз.

При изготовлении тонкопленочных транзисторных матриц на подложку последовательно наносятся проводящие и изолированные слои с заданным рисунком. С 1970-х годов в качестве подложки использовался кремний — хрупкий, твердый и габаритный материал. Технологии, которые применяются в Российском центре гибкой электроники, позволяют использовать полимерную пленку в качестве подложки, а каждый слой сделать более тонким.

Главные преимущества радиоэлементов, созданных на базе пластиковых TFT-матриц, — гибкость, изогнутость, ударопрочность и малый вес благодаря замене стекла тонким пластиком. Производство гибкой электроники экологичнее, если сравнивать с кремниевой, потому что меньше потребляется энергии из-за более низкой температуры обработки.