luckyea77 (luckyea77) wrote,
luckyea77
luckyea77

Categories:

В России запущено производство гибкой электроники (Часть 2)

Часть 1 Часть 2

Специфика нового направления – высокая доля исследований

Производство гибкой электроники – это сфера, которая занимает место на стыке науки (физика, химия, материаловедение и т.д.), технологий и потребностей рынка. В ней равно активно осуществляются, как лабораторные разработки прототипов, так и перенос технологий из лаборатории в производство, а еще инжиниринг конечных устройств, поддержка промышленного производства и коммерциализация новых продуктов.

Ведущие позиции исследований на мировом рынке гибкой электроники занимает ряд научно-исследовательских центров с собственными экспериментальными технологиями. Некоторые из них, в частности, IMEC (Бельгия), Holst Centre (Нидерланды), FlexEnable (Великобритания), стали партнерами троицкого РЦГЭ.

Компания FlexEnable, развивающая технологию органических пластиковых транзисторов OTFT, имеет непосредственное отношение к РОСНАНО: госкомпания инвестировала в ее развитие.

IMEC – это международный микро- и наноэлектронный научно-исследовательский центр с филиалами в Нидерландах, на Тайване, в Китае, Индии, США и Японии, занимается исследованиями и разработкой перспективных микро- и наноэлектронных приборов, которые будут массово производиться в ближайшей и среднесрочной перспективе. IMEC активно работает в сфере медицины, биоэлектроники, телекоме. «Конек» IMEC –технологии для снятия и обработки электрокардиограмм, электроэнцефалограмм, включающие, как создания различных датчиков, так и микросхем, которые взаимодействуют с данными, поступающими от таких датчиков по аналоговым интерфейсам. Существенно, что IMEC вывел на рынок технологии, которые дают данные «медицинского качества», то есть клинически подтвержденные данные, которым могут доверять профессиональные врачи.

В отношении IMEC важно, что это крупнейший независимый научно-исследовательский центр в области ГЭ. Причем, его сфера деятельности описывается не как классическое сочетание R&D, а как D&A (Development and Applications), что подразумевает фокус на прикладные разработки и практические применения. За 25 лет работы IMEC на рынке вокруг него сформировалась структура из сотен компаний – партнеров и собственных спинофов: от глобальных лидеров в технологиях производства гибкой электроники (Samsung, ASML и т.п.) до поставщиков нишевых решений, например, Henkel (новые материалы и химия), Agfa (фотоматериалы и ID-карты), Smartac (RFID-метки) и т.д.

В 2015 г. российским партнером IMEC стала троицкая компания Artek Electronics, разместившаяся в «ТехноСпарке». Фактически тогда был заложен научно-исследовательский фундамент будущего РЦГЭ. Еще одним партнером Artek Electronics стала компания Holst Centre, которая входит в экосистему IMEC. Она развивает собственные технологии производства комплементарных тонкопленочных схем для таких устройств, как драйверы управления затворами для гибких экранов, АЦП, АЛУ и RFID-метки, а также специализируется на производстве носимых датчиков для систем дистанционного медицинского контроля пациентов и приложений индивидуального медицинского обслуживания.



К 2020 г. в РЦГЭ перенесена и масштабирована технология изготовления гибких органических TFT-матриц (OTFT), разработанная лабораторией FlexEnable. Органические матрицы транзисторов используются при производстве ЖК-дисплеев и экранов на «электронной бумаге», а также биометрических сенсоров. В этом же году будет завершен трансфер технологии выпуска гибких металлооксидных (или IGZO – Indium Galium Zink Oxide) TFT-матриц и интегральных микросхем от IMEC/Holst Centre. Гибкая электроника на базе технологии IGZO TFT применяется там, где требуется большая скорость работы (более высокая подвижность носителей заряда), например, TFT-матрицы для OLED-дисплеев и сенсоров сверхвысокого разрешения (до 1000 точек на дюйм), а также интегральные микросхемы для радиочастотных меток.

Подвижность носителей заряда в IGZO в 20-50 раз выше, чем у традиционно используемого в матрицах дисплеев аморфного кремния, что позволяет снизить размеры транзистора, увеличивая количество пикселей, а также повысить быстродействие дисплея. Кроме того, выполнение дисплеев на основе IGZO позволяет снизить энергопотребление. Эксперты говорят, что интеграция транзисторных матриц на основе IGZO и отображающего слоя на основе другой технологии гибкой электроники — органических светоизлучающих диодов (OLED) — позволит создавать гибкие дисплеи с максимальным разрешением и наиболее натуральной цветопередачей.

Использование органических полупроводниковых материалов в OLED позволяет производить эти элементы на гибких, прозрачных и даже растягиваемых подложках. Эти преимущества открывают огромные возможности производства OLED-дисплеев с различными формами поверхностей, устройств, которые могут сворачиваться и складываться, а также интеграции OLED-дисплеев в одежду, окна, витрины, зеркала, накожные наклейки и многие другие инновационные применения, прототипы которых существуют уже сейчас.



Органические и оксидные полупроводники используются не только в дисплеях. На основе органических и IGZO транзисторов разрабатываются и производятся радиочастотные метки для маркировки объектов. Такие метки позволяет считывать информацию об объекте дистанционно с помощью различных устройств, в том числе смартфонов.

Бизнес-модель

Основная бизнес-модель РЦГЭ в Троицке – контрактное производство TFT-матриц (тонкопленочных транзисторных матриц), которые представляют собой, по образному выражению Бориса Галкина, директора по развитию РЦГЭ, «мозг и сердце» радиоэлектронных компонентов для различной продукции гибкой электроники. В этом смысле РГЦЭ – это не научная лаборатория и не опытное производство для НИИ.

«РЦГЭ – это завод с промышленной технологией производства. Завод, который производит компоненты гибкой электроники промышленного качества, но не очень большими партиями,
поясняет Борис Галкин, директор по развитию Российского центра гибкой электроники»


По оценке Галкина, такое производство уникально не только для России, но и для всего мира. Модель промышленного, а не опытного производства, не характерна для традиционных R&D подразделений классических хайтек-вендоров. В мире имеется лишь несколько центров такого типа (в Европе, США, Южной Корее и на Тайване), но у всех есть специализация на продукции определенного типа. Например, FlexEnable занимается TFT-матрицами для гибких экранов. Для них целевым рынком является, скажем, колонка голосового помощника, которая умеет еще и выводить на встроенный экран текстовую информацию. Британская компания PragmatIC создает недорогие чипы для электронных меток для задач маркировки товаров. Компания сосредоточилась на технологиях встраивания электронных меток в любые предметы, причем самым недорогим способом.

Ключевая задача российского РЦГЭ – создание пластиковой платформы. Именно так описывает суть соглашения с российским центром Пол Херманс, директор департамента Large Area Electronics компании IMEC:

«Можно с уверенностью сказать, что новые виды электроники - гибкая, органическая, печатная - являются очень плодородной почвой для появления инноваций в ближайшем будущем. Но для того чтобы интегрировать ее в разные среды, нужна технологическая платформа, которая будет обеспечивать все параметры и характеристики, необходимые для поддержки разнообразной функциональности»

Индустрия гибкой электроники только зарождается, классических контрактных производств, способных производить сотни, тысячи и десятки тысяч гибких компонентов, в мире не существует. В этой ситуации РЦГЭ заполняет пустующую нишу между привычным контрактным производством и экспериментальным производством научных центров: на базе собственной технологической платформы РЦГЭ будет осуществлять мелкосерийное производство продукции промышленного качества для конкретных заказчиков, как российских, так и зарубежных. Таким образом выполняется задача, поставленная стратегическим инвестором ФИОП РОСНАНО - интеграция в глобальные технологические цепочки уже на этапе создания и тестирования конечного продукта.

«В области гибкой электроники у нас есть шанс не догонять передовой мир, а вместе с самыми продвинутыми его частями развивать эти технологии на глобальном уровне,
подчеркивает Борис Галкин»


В момент запуска РЦГЭ ориентирован на выпуск ключевых компонентов для широкого спектра устройств, в первую очередь, TFT-матриц для дисплеев («электронной бумаги», ЖК-экранов, OLED-дисплеев) и сенсоров (биометрических сенсоров, детекторов рентгена и проч.), а также интегральных микросхем для радиочастотных меток и датчиков. Уже запущено производство плоскопанельных экранов (Flat Panel Display или FPD) под заказ конкретного клиента – идет выпуск электронных ценников, электронных бейджей и смарт-карт.

Масштаб завода определяется размером производственной подложки – основной «ячейки» техпроцесса. Производственная линия работает на оборудовании Gen 2.5 (оборудование Samsung), оптимальном для малых и средних тиражей с экономически оправданной стоимостью.

Несомненно, выпуск моно-продукции – идеальный вариант, который дает максимальную маржинальность производственного бизнеса. Так, по оценкам Бориса Галкина, маржинальность производства Samsung по направлению экранов достигает 27%. В том числе, по этим соображениям Samsung не собирается никому продавать свою технологию гибких экранов. Однако данная схема работает лишь в условиях устоявшегося зрелого рынка и устойчивого производства. Поэтому РЦГЭ начинает работу на рынке с широкой воронки применения.

«Сейчас индустрия гибкой электроники находится на такой стадии, когда узкая специализация невозможна, Мы создали гибридную технологию, которая работает и в органике, и в металло-оксидной технологии, и стараемся охватить те перспективные направления, которые видны в настоящий момент,
рассказывает Денис Ковалевич, генеральный директор группы компаний «ТехноСпарк»»


План дальнейших действий, по словам Ковалевича, следующий:

«Далее – уже в этом году – начнем совместные R&D проекты с будущими клиентами. Всем придется проходить через этап R&D, и наша задача – предложить клиенту не традиционный лабораторный прототип конечной продукции, который, по сути, ничего не говорит о его рыночных характеристиках, а коммерческое решение, предназначенное для промышленного производства в РЦГЭ. Мы берем на себя все риски по созданию промышленного продукта с уровня R&D, включая вопросы окупаемости производства.»

Как говорят в РЦГЭ, на новом российском производстве появится возможность выпускать тиражи до десятков и даже сотен тысяч экземпляров для тестирования новых рынков. Проектная мощность нового завода - 4000 кв. м. TFT-матриц в год, что позволит производить 1,5 - 2 млн TFT-матриц для небольших экранов (электронных ценников или смарт-карт) или 100 тыс. TFT-матриц для экранов планшетного размера, или 100 тыс. TFT-матриц для гибких биометрических сенсоров размером с ладонь, или 100 млн пластиковых чипов для RFID-меток. Оборудование РЦГЭ полностью совместимо с промышленным оборудованием, используемым в массовом производстве, что обеспечит эффективный трансфер технологии в крупносерийное производство азиатских фабрик.

Завод элементов солнечной энергетики

Оборудование для солнечной энергетики – еще одна перспективная область для применений технологий гибкой энергетики. В этой сфере наблюдается высокая конкуренция, и гибкие солнечные элементы (СЭ) рассматриваются в качестве продукции, у которой – большое будущее. Интерес к гибким СЭ понятен. Панели, сформированные на гибком пластике, имеют малую толщину и, соответственно, малый вес, что облегчает их доставку. Они могут быть закреплены на предметах, имеющих сложную, негладкую поверхность. Использование пластиковых подложек вместо стекла существенно снижает энергозатраты при создании солнечных ячеек. Это объясняет устойчивый интерес производителей к новым методам создания солнечных панелей, позволяющих на порядок увеличить производительность технологических линий при существенном сокращении расходов. Одним из наиболее перспективных методов считается метод рулонного покрытия (roll coating) крыш, который в последние годы находится в фокусе внимания исследователей и инжиниринговых компаний.


Рулонное покрытие кровли солнечными элементами на основе гибкой электроники

Гибкие солнечные элементы – это сегодня территория исследований и наукоемкого инжиниринга. Для того чтобы конкурировать с фотовольтаикой больших площадей, сформированной на стеклянных пластинах, метод производства фотовольтаических модулей, основанных на «рулонном покрытии», еще должен пройти свой путь развития, и до выхода на массовый рынок решить ряд практических задач, связанных с уменьшением стоимости подложки, технологической простотой и прочной инкапсуляцией малой стоимости.

Для поддержки данного направления развития на территории «ТехноСпарка» открыт завод по производству гибких СЭ. В русле общей концепции исследовательской активности РЦГЭ лежит поиск новых видов продукции на базе СЭ. В частности, эти элементы могут быть закреплены не только на крупных предметах сложной формы, например, архитектурных деталях зданий, но, например, на одежде. На выставках электроники прошлых лет уже можно было увидеть причудливые прототипы, например, «солнечную» сумку, предназначенную для оперативной зарядки «на лету» разнообразных бытовых гаджетов, или проволочный СЭ, который может быть вплетен в ткань.

По оценкам компании IDTechEx, объем продаж тонкопленочных элементов фотовольтаики (без учета тонкопленочных кремниевых элементов), который в 2010 г. составил около 3 млрд долл., к 2050 г. возрастет до 100 млрд долл.

Что российского в Российском центре гибкой электроники

Благодаря участию в проекте РЦГЭ мировых лидеров - IMEC и FlexEnable - российские предприниматели получили доступ к новейшим технологическим решениям и могут развивать любые направления их применения. Что с ними делать дальше?

Денис Ковалевич рассказывает, что в Троицком наноцентре была разработана и запущена специальная схема работы компаний-стартапов под условным названием «конвейер инноваций». Она подразумевает, что в технопарке будут выращивать новых игроков для коммерческого рынка, которые, однако, не будут классическими коммерческими организациями, чья главная задача - генерировать максимальную прибыль для акционеров. Задача наноцентра - находить перспективные направления разработок, совмещая достижения фундаментальной, прикладной науки и практических применений, и превращать их в стартапы, которые занимаются инжинирингом, промышленным дизайном, прототипированием и запуском производства.

«Сама технология производства разрабатывается у нас в центре под каждый вид конкретной продукции, и она полностью российская. Да, промышленное оборудование приобретено у компании Samsung, даже базовые компоненты сырья сегодня приходится приобретать за рубежом. Но главный вопрос во всем этом: кто владеет технологией производства? Ответ: наш центр. Сегодня в РЦГЭ работает над этими задачами около 20 разработчиков,
подчеркивает Денис Ковалевич»


«Приземлить лабораторную технологию на промышленное производство – крайне непростая задача. Во всем мире наберется всего несколько таких игроков, и мы в их числе. Каждая компания из этого числа использует свой собственный техпроцесс, и мы сейчас создаем свой,
продолжает мысль коллеги Борис Галкин»


Производственные технологии

Производство гибкой электроники осуществляется в условиях «чистой комнаты», где поддерживается постоянная температура 200C ( +/- 0,50 C) и высокая чистота воздуха: в одном куб. м объема – не более 100 частиц пыли. Для сравнения в обычной жизни в одном куб. м воздуха присутствует 30 тыс. частиц пыли.


Производство гибкой электроники происходит в особо чистых условиях

Технологическая структура TFT-матрицы формируется на стекле как слоеный пирог - до 120 слоев, которые умещаются в несколько микрон. Для сравнения толщина человеческого волоса составляет примерно 170 микрон. На стекло вначале наносится клей (он нужен, чтобы в конце процесса при высокой температуре отделить лист с матрицами от стекла, и отправить стекло после мытья на повторное использование). Затем слоями на стекло наносится структура, которая в итоге формирует тонкопленочные транзисторные матрицы: металлические слои, фоторезистор, полупроводники и т.д. (фоторезист — это полимерный светочувствительный материал, который наносится на обрабатываемый материал в процессе фотолитографии с целью получить соответствующее фотошаблону расположение окон для доступа травящих или иных веществ к поверхности обрабатываемого материала). Материалы наносятся на поверхность «пирога» методом щелевой экструзии, что позволяет размазать материал по поверхности, во-первых, очень тонким слоем, и, во-вторых, с очень высокой степенью однородности.



Процесс фотолиторафии, рассказывает Грег Домешек, директор по трансферу технологий РЦГЭ, начинается с ламинирования чистого стекла. Далее методом магнитронного напыления наносится металлический слой, затем - фоточувствительная эмульсия. После этого начинается, собственно, процесс литографии.

«Это похоже на аналоговую фотографию. На гранитную плиту кладется стекло, вставляется маска, которая задает технологический рисунок. Далее стекло засвечивается сквозь заранее заданный фотошаблон. Таким образом, из машины экспонирования выходит стекло с активированным фоторезистом. Технологического рисунка мы еще не видим, но часть из него засвечена, часть - нет,
поясняет Грег Домешек»


Домешек поясняет, что процессы происходят в ультрафиолетовом свете определенной длины волны (он воспринимается как желтый), чтобы процесс засвечивания стекла происходил под полным контролем.

Для того чтобы увидеть технологический рисунок, его нужно проявить. Проявление происходит в ванне, в которую выливается жидкость с соединениями аммиака. Для того чтобы проработать проявителем всю толщину фоторезистора требуется немного времени - минуты.


Установка фотолитографии

После этого стекло с «пирогом» промывается в воде и поступает на травление. Это процедура, в ходе которой металлические структуры останутся только там, где они нужны, а в остальных местах «пирог» будет протравлен по всей структуре. Травление происходит в несколько этапов: на каждом стекло поливается различными смесями кислот, которые необходимы для травления разных слоев.


«Кислотный душ» для травления фоторезистора

После того, как со стекла под «кислотным душем» смывается фоторезистор, который защищал металл, на него методом щелевой экструзии наносится органический полупроводник. Это самые тонкие слои - толщиной несколько нанометров.

Далее процесс повторяется: засвечивание в ультрафиолетовом излучении – литография. Очень похоже на нанесение литографического рисунка фоторезистора: экспонирование - проявление, с той лишь разницей, что технологический рисунок на неметаллических слоях создается плазмо-химическим травлением.

В установке плазмо-химического травления создается плазма из газов, и под разницей напряжения, которое возникает в камере, ионы плазмы бомбардируют поверхность стекла и «выедают» органические соединения, которые не защищены фоторезистором. На этом этапе послойно создается трехмерная структура – подобно 3D-печати. Весь процесс проходит в глубоком вакууме.






Процесс производства в РЦГЭ – полуавтоматический: загрузка стекол производится вручную

Таким образом, рассказывает Грег Домешек, начинается цикл: слой литография – травление, слой литография – травление, который повторяется нужное количество раз. По оценке Бориса Галкина, в ходе формирования матрицы производится до 150 операций со стеклом. Для получения электронной бумаги требуется меньше операций, для интегральных микросхем – больше.

Результат - готовая продукция: транзисторная матрица на гибкой подложке, которая отделяется от стекла при высокой температуре: термический клей остается на стекле, а матрица разрезается на отдельные элементы в специальной машине сверхточным механическим ножом.

«Как вы видите, это обычные платы, только гибкие. И принципы производства очень похожи. Только кремниевое производство – твердое,
комментирует Домешек»



Матрица отделена от стеклянной подложки

Контроль готовой продукции осуществляется в специальной док-станции, которая с помощью тестовой программы проверяет работоспособность всей созданной структуры. Разрезанные матрицы раскладываются по коробкам и отправляются на сборку.

Долгосрочные планы

Руководители РЦГЭ подчеркивают, что бизнес центра будет развиваться на базе трех основных бизнес-стратегий:

*Расширение контрактного производства в интересах коммерческих заказчиков. При необходимости расширения производства возможна передача части производственных процессов на аутсорсинг, чтобы освободить площадь под новое оборудование.
*Запуск производства новой продукции ГЭ в результате совместных R&D проектов с заказчиками конечной продукции.
*Продажа проработанных производственных технологий.


Жесткая электроника на гибкой основе

Представители РЦГЭ уверены: мы находимся на стадии перехода от кремниевой электроники к гибкой.

«Оборудование для кремниевого производства на передовых уровнях в единицы нанометров стоит сотни миллионов долларов. А TFT-матрицы для самых современных смартфонов могут быть произведены на нашем заводе гораздо дешевле,
поясняет Борис Галкин»


Это принципиально другая электроника, хотя внешне похожа на кремниевого «собрата». Например, в кремниевой электронике для сборки RFID-метки требуется реализовать четыре разных процесса: произвести чип, антенну, контактные площадки, обеспечить их интеграцию. А в гибкой электронике требуется один процесс, результат которого можно сразу интегрировать в упаковку, если речь идет об электронных метках.

«Сегодня для производства дешевой массовой продукции нельзя использовать кремниевые производства, так как оно будет слишком дорогим. Массового чипирования продукции нет, потому что оно слишком дорогое. Но появилась другая электроника, и она изменит всю ситуацию,
подчеркивает Денис Ковалевич»


Источник

Часть 1 Часть 2

Tags: Россия, производство, электроника
Subscribe

Posts from This Journal “производство” Tag

promo luckyea77 june 19, 23:05 11
Buy for 10 tokens
Часть 1 Часть 2 Часть 3 Часть 4 Часть 5 Март 2018 года Индустриализация стала основным инструментом достижения экономического богатства стран, начиная с появления прядильных машин в конце XVIII века; при смене технологических укладов менялись местами мировые промышленные лидеры. Какой…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 1 comment