Ключевые параметры приложений
Полный набор параметров должен быть оценен для каждого применения. Ниже перечисляется только небольшая выборка из ключевых прикладных параметров, которые были идентифицированы и относятся к нескольким применениям:
Сложность устройства. Сложность схем (например, число транзисторов), а также число различных устройств (например, цепи, электропитание, выключатель, датчик, дисплей), которые объединены, имеют решающее влияние на надежность и выход производства.
Частота срабатывания схем. С увеличивающейся сложностью применения (например, увеличение объема памяти) необходима высокая скорость переключения.
Срок службы / стабильность / однородность. Срок службы (хранение и работа), экологическая стабильность, стойкость при воздействии других материалов и растворителей и однородность материалов являются проблемой из-за внутренних свойств материалов.
Операционное напряжение. Для мобильных устройств, приводимых в действие от батарей, фотогальванических элементов (PV) или радиочастотными устройствами, существенно иметь низкие рабочие напряжения (<10V).
Эффективность. Эффективность – основной параметр для фотогальванических ячеек и фотодиодов.
Стоимость. Хотя большинство продуктов предназначается для новых применений и рынков, а не замен, затраты должны быть низкими.
Детальные параметры для различных видов применений и поколений продукта устанавливают путь для требований, которые должны быть выполнены с технологической стороны.
Ключевые технологические параметры
• Подвижность / Электрические характеристики (пороговое напряжение, ток вкл\выкл). Характеристики (частота срабатывания, токовая проводящая способность) цепей зависят от подвижности носителей тока полупроводника, электропроводимости проводника и диэлектрической характеристики диэлектрических материалов.
• Разрешение / приводка. Характеристики (частота срабатывания, токопроводящая способность) цепей зависят от поперечного расстояния между электродами (разрешение) в пределах устройства (например, транзистора) и точности совмещения слоев (приводка).
• Барьерные свойства. Срок службы зависит от барьерных свойств слоев или оснований относительно кислорода и влажности. Необходимые барьерные свойства изменяют для различных применений на величины, отличающиеся на несколько порядков.
• Гибкость / радиус сгиба. Предельно тонкие сборки и гибкость устройств – главные преимуществы органической электроники. Для достижения надежной гибкости и плоские материалы сворачиваемых устройств, конструкции и процессы должны быть выбраны тщательно.
• Подбор параметров процесса (скорость, температура, растворители, окружающие условия, вакуум, инертная газовая атмосфера). Чтобы иметь удовлетворительную рабочую систему, важно привести в соответствие параметры различных материалов и устройств, используемых для построения органической электроники.
• Объем выпуска. Дешевая электроника в больших объемах возможна только тогда, когда процессы позволяют организовать производство с высоким объемом выпуска. Это производство включает безопасные процессы, приспособленные материалы и расчет схем, так же как и оперативный контроль качества.
Общая черта всех будущих поколений различных продуктов – это то, что сложность и полный размер логических схем увеличиваются. В определенных случаях применения включают миллионы транзисторов, другие объединяют многие различные электронные устройства такие, как цепи, электропитание, датчики, дисплеи и выключатели. Большая площадь до 1 м2 изменяет результаты в дополнительных прорывах.
Поэтому главные крупные научно-технические достижения абсолютно необходимы в следующих областях:
• разрешение, приводка и стабильность процессов копирования;
• подвижность носителей заряда и электрическая проводимость полупроводниковых и проводниковых материалов;
• проектирование схем, включающих CMOS-транзисторы (транзисторы на комплементарных металло-оксидных полупроводниках).
Эти прорывы не могут быть рассмотрены по отдельности, так как они зависят друг от друга. Разрешение и точность приводки отличаются для различных методов многократного воспроизведения, и даже в пределах одной техники в значительной степени зависят от скорости печати или производительности. Стабильность процесса зависит также от допустимых отклонений, проекта схемы и материалов, которые используются.
Для возможности массового производства сложных устройств необходимо разрешение 10 мкм и меньше с соответствующей точностью приводки. Сейчас это не может быть достигнуто при существующей технологии с высокой пропускной способностью и методами больших площадей. В то же самое время новые стратегии контроля качества, позволяющие обеспечить высокую скорость измерений в технологической линии, и электронное тестирование должны быть разработаны. Эти пути будут ключевыми для достижения дешевого производства при больших тиражах и объеме выпуска.
Подвижность носителя заряда необходима более чем 1 см2/Вс для полупроводников машинной обработки. Эти величины должны быть достигнуты в заключительном устройстве, используя процессы на больших площадях. Подвижность носителя заряда порядка 5-10 см2/Вс в значительной степени выдвинула бы тему, позволяющую создать более сложные устройства. В результате должны быть оптимизированы существующие материалы или должны быть разработаны новые материалы. В дополнение к полимерам они включают низкомолекулярные и неорганические полупроводниковые материалы, а также наноматериалы и новые гибридные системы, которые могут быть получены из растворов.
Другой принципиальный прорыв – проекты сложных схем, которые базируются на широком диапазоне новых материалов и массовых печатных процессах. В частности, необходимо разработать схемы на комплементарных металло-оксидных полупроводниках (CMOS). Это позволит создавать проекты сложные схем и значительно увеличит функциональные возможности устройств, как это прежде случилось в кремниевой технологии. Проекты на основе CMOS также приносит существенные преимущества в увеличении выпуска продукции и снижении расхода энергии. Кроме того, очень важны проекты устройств с более низким напряжением источника питания и более высокой частотой срабатывания.
Для выполнения описанных достижений необходимы долгосрочные стратегии, финансирование и новые партнерские отношения вдоль всей цепи ценностей.
Перспективы. Органическая электроника – новая и пленительная технологическая платформа, которая позволяет создавать новые электронные применения во многих областях, таких как диалоговые игрушки, RFID-метки, прокручиваемые дисплеи или гибкие солнечные ээлементы, которые только начинают поступать на рынок. С выпуском второй версии дорожной карты OE-A обновила и расширила информацию в области прогноза развития органической электроники. В дорожную карту включены новые виды применений и новые аспекты, как ключевые применения и технологические параметры, а также новые прорывы.
OE-A считает, что технология органической электроники достаточно зрела, чтобы выйти на рынок с первыми, относительно простыми продуктами, обращаясь к интересным сегментам рынка. Но OE-A также считает, что рынки товаров широкого потребления с органической электроникой могут быть достигнуты в ближайшем будущем, когда ожидаемые события в областях материалов, оборудования, процессов и проектов устройств будут успешны.
Как пример, развитие органической CMOS-подобной технологии может привести к прорыву органической электроники, точно так же, как это было с кремниевой электроникой. Улучшенные процессы многократного воспроизведения и материалы с лучшими электрическими характеристиками и технологичностью являются ключевыми для будущих поколений продуктов. Ожидается, что новые органические и неорганические материалы будут играть при этом важную роль.
Также важны появление новых событий в оперативном контроле качества электрических параметров, и особенно в печатных процессах. Это позволит при достаточно высокой выработке достигать низкой цены на продукты, выпускаемые большим тиражом. Стандартизация в материалах, процессах и проектах устройств получает все большую важность, поскольку органическая электроника входит в производственную стадию.
OE-A не могла решить вопрос закона Мура для органической электроники, вследствие того, что имеется все еще слишком много различных параметров, и не ясно, у какого из параметров могла бы быть самая важная роль, а также, какое из многих привлекательных применений будет разработано.
Органическая электроника выходит на рынок, у нее есть большой потенциал. Органическая Электроника – прорывная технология, которая создаст множество новых продуктов, о которых мы не можем даже думать сегодня.
Эта технология использует обычное печатное оборудование, например трафаретную печать, печатание с рельефных эластичных форм, гравюры и офсет. Чтобы напечатать активные устройства, например тонкие плёночные транзисторы, вместо печатной краски используется семейство электрических функциональных электронных чернил. Ожидается, что напечатанная электроника получит широкое распространение в сферах, обычно не связанных с кремневой электроникой, как например гибкие дисплеи, умные ярлыки, анимированные афиши и активная одежда.
Пластмасса, испускающая свет, была изобретена в Европе, в Кембриджском Университете в Великобритании, а напечатанная солнечная батарея – в Швейцарии и сейчас печатается в Англии. Фирма Nanosolar заявила, что скоро они начнут печатать альтернативные, медно-галлиево-индиево-диселенидные батареи в Берлине. На рынки, недоступные для кремниевой электроники, выйдут отпечатанные транзисторы, выпущенные фирмой PolyIC из Германии, и более умные, чем кремниевые, напечатанные устройства для преобразования солнечной энергии в электроэнергию, например, прозрачные, сворачиваемые и работающие также и от высокой температуры.
Другая форма невидимости заменит неэстетичный штриховой код на внешней стороне коробок, на ярлык RFID (Radio Frequency Identification - радиочастотная идентификация), напечатанный с внутренней стороны.
RFID устройства индентификации называют метками, и они могут использоваться как отдельно (например, бесконтактные смарт-карты и автомобильные ключи) для контроля на расстоянии, так и приделанные к чему-либо. Некоторые RFID-теги будут напечатаны непосредственно на внутренней части пакета – даже на клейкой полосе.
Фирма Man Roland, которая выпускает одну из самых больших и быстрых в мире машин для печати, подчеркивает важность устранения видимых штриховых, отмечая успешную интеграцию RFID в продаваемой упаковке.
Работа над созданием RFID-тегов, скрытых в упаковке изделий, предлагаемых в магазинах и аптеках, продолжается. Эта печатная электроника послужит целям борьба с подделками. Потенциально ежегодно будут заменяться десятки триллионов штриховых кодов, которые уродуют товары народного потребления, и улучшаться обслуживание клиента с помощью одного триллиона почтовых пакетов ежегодно. Потенциал для новой электроники огромен.
Однако, напечатанная электроника в упаковке это больше чем скрытая микросхема. Она будет использоваться в рекламе и развлечениях. При касании к пакету может быть показан свет и изображение, и даже видеоролик.
Во Франкфурте в октябре 2005 года состоялась первая конференция Plastic Electronics Conference, посвященная проблемам создания и применения электронных компонентов на базе полимерных материалов. Благодаря созданию новых полимерных материалов, сегодня появилась возможность изготовления из пластмасс большого числа различных электронных компонентов, таких как транзисторы, сенсоры, элементы солнечных батарей, светодиоды. Созданная технология открывает совсем новые области применения электроники и широкие перспективы ее распространения на рынке. В органической электронике создаются различные технологии использования новых материалов. Тот факт, что электропроводящие функциональные полимеры могут использоваться как жидкости, позволяет реализовать совсем новые способы производства элементов электроники. Они могут быть просто напечатаны на подложке из нужного материала.
<>Существующие высокотехнологичные способы печати делают возможным увеличение производства электронных элементов от 10 тысяч до 100 тысяч раз по сравнению с традиционными технологиями изготовления компонентов на базе кремния с применением травления или напыления в сочетании с фотолитографией.
Для изготовления печатных полимерных электронных элементов применяются материалы с соответствующими свойствами. Их можно разделить на три основные группы: проводники, полупроводники и изоляторы. Проблема нанесения материалов на подложку одинакова для всех трех групп. Она делится на две части. Первая – создание полимерного материала с заданными электрическими функциями. Разработки таких материалов ведутся в химических исследовательских учреждениях. Промышленный выпуск материалов осуществляется химическими фирмами. Вторая часть – нанесение на подложку созданных и промышленно выпускаемых полимерных материалов как обычных печатных красок.
Перспективы рынка для такой электроники огромны. Особенно в тех областях, где не могут быть реализованы компоненты на базе кремния: гибкие полимерные экраны, «умные» этикетки для товаров и многое другое.
Печатная техника дает сегодня возможность очень точно воспроизвести на запечатываемой поверхности мелкую структуру изображения с высоким качеством и высокой производительностью. В электронной отрасли под термином «печать» понимают структурированный перенос жидкого материала (печатная краска, чернила, паста) на какую-либо основу (бумага, пленка, жесть).
<>Первым в мире предприятием, которое изготовило электронные схемы полностью с применением промышленного способа печати, является немецкая фирма Printed Systems GmbH. На конференции Plastic Electronics она показала различные электронные компоненты, созданные методом прямой печати и возможности применения напечатанной электроники. <>На конференции Plastic Electronics были показаны мягкие гибкие клавиатуры (Access-Print-Pads). Это отпечатанные на бумаге клавиатуры, которые могут свободно конфигурироваться по желанию заказчика или производителя. Они оснащаются любыми индивидуальными клавишами. Разъемы типа USB позволяют осуществить прямое «соединение» таких напечатанных клавиатур со специальными Интернет сайтами. Access-Print-клавиатуры могут применяться и в области компьютерных игр, в качестве укороченной или специальной клавиатуры. Они позволяют реализовать целевое управление определенными функциями компьютера. Нажатие на определенное место на бумаге вызывает, например, определенную страницу Интернета. Или при нажатии на одну клавишу можно будет симулировать комбинацию из нескольких клавиш на обычной клавиатуре, например Ctrl-Alt-Delete.<>
Особенности этих клавиатур в том, что они могут изготавливаться большими тиражами очень дешево и отличаются высокой степенью индивидуальности. Фирма видит преимущества такой технологии в малой стоимости и оперативности изготовления. Это открывает новые рынки сбыта. Это, например, выпуск входных билетов, защищенных от подделок, или карточки, применяемые в магазинах.<>
Фирма Printed Systems работает с традиционными способами печати: офсетной, глубокой и флексографской печатью. В принципе могут быть опечатаны любые схемы. В качестве основы для печати на них функциональных полимеров могут быть бумага, картон до 250 г/м², полиэтиленовая пленка, а также все подходящие для офсетного способа печати материалы. Печатные слои имеют толщину около 0,001 мм.<>
При соответствующих сочетаниях различных способов печати и дальнейших операциях по отделке продукции можно создавать такие электронные компоненты, как проводники любой длины, сенсорные клавиатуры, цифровые блоки памяти емкостью от 16 до 96 бит. Планируется разработать технологии печати транзисторов, диодов, графических табло индикации, конденсаторов. Печать всех электронных компонентов может сочетаться с печатью традиционными полиграфическими красками.<>
Для изготовления сложных функционирующих схем будут применяться разъемы, источники тока и логические схемы управления, которые будут разработаны специально для таких электронных схем.<>
О возможности «распечатки» электронных устройств сообщили специалисты Университета Аризоны (University of Arizona), в течение нескольких лет работавшие над созданием специальных органических полимеров, которые можно наносить на различные поверхности с помощью струйного принтера. Суть процесса заключается в следующем: в обычный картридж вместо нескольких видов чернил заливаются соответствующие реактивы. В дальнейшем при активации процесса печати компьютерная программа управляет процессом смешивания этих реактивов с тем, чтобы на печатной поверхности были сформированы области с дырочной или электронной проводимостью (или без проводимости вообще). Таким образом, на бумаге могут быть образованы миниатюрные резисторы и конденсаторы, соединение которых в электрическую цепь и позволит создать электронное устройство. В качестве примера разработчики продемонстрировали небольшой жидкокристаллический дисплей, на обратной стороне которого был «распечатан» его контроллер. Кроме того, специалистам удалось нанести на бумагу и солнечную батарею, мощность которой, правда, была не слишком велика. Коммерческое использование новой технологии запланировано на ближайшие годы, а пока что исследователям предстоит разработать соответствующие программы управления и решить ряд проблем, связанных с нанесением реактивов на бумагу.
Два состоящих из четырех букв сокращения WEEE и RoHS становятся в последнее время общеупотребительными для каждого участника цепочки поставок в области электрического/электронного оборудования. Это акронимы, означающие названия двух экологических Директив Европейского Союза (EU), которые оказывают непосредственное воздействие на электронное и электрическое оборудование и еще большее воздействие как на разработку пластмассовых материалов, которые используются для производства электронных и электрических устройств, так и на то, как эти устройства производятся.
Директива Европейского Союза относительно отходов электрического и электронного оборудования (WEEE) вступила в силу 13 августа 2005 г. Она направлена: на минимизацию воздействия электрических и электронных устройств на окружающую среду; и на продолжении срока их эксплуатации и тогда, когда они превратятся в отходы. Первоочередной задачей WEEE является уменьшение количества электрического и электронного оборудования, которое идет на захоронение после окончания срока использования, с помощью стимулирования повторного использования, переработки и раздельного сбора отходов. В сферу действия директивы WEEE входят все большие и малые бытовые приборы, устройства из области информационных технологий, телекоммуникаций, устройства для развлечения, электрические инструменты и другое подобное оборудование.
Поскольку Директива WEEE не может добиться отказа от захоронения всех электрических и электронных устройств, задачей Директивы Европейского Союза по Ограничению Определенных Вредных Веществ (RoHS) является уменьшение объема вредных веществ самого источника. Обеспечение того, чтобы вредные материалы, которые являются отравляющими, могут вызывать рак или аллергии, не могли выщелачиваться в окружающую среду из электронных приборов, которые не удастся переработать для повторного использования. Директива RoHS запрещает использование свинца, ртути, кадмия, хрома (VI), PBB (полибромбифенила) и PDE (пентабромодифениловый эфир). В соответствии с Директивой RoHS запрет и ограничение на использование веществ относится к продукции, которая поступает на рынок с 1 июля 2006 г. Поскольку Директива WEEE требует от компаний, чтобы они «извлекали» (включая сжигание) от 70% до 80% от массы продукта и повторно «использовали/перерабатывали» (исключая сжигание) от 50% до 75% продукта, существует стремление сделать проектирование для утилизации способным помочь выполнить эти задачи. Тем не менее, наибольшее влияние эти две Директивы оказали на разработку новых конструкционных пластмасс и добавок для решения проблем, связанных с производством электрических и электронных устройств при следовании WEEE и RoHS. Новые тугоплавкие конструкционные пластмассы были разработаны так, чтобы быть устойчивыми к воздействию тепла, связанному с неэтилированной/инфракрасной пайкой оплавлением, также были созданы новые пакеты добавок для безгалогенных огнеупорных компаундов. Кроме того, производители снижают объем пластмассовых материалов, используемых при производстве электронных устройств, для повышения пригодности к рециклингу, другие обращаются к использованию биологически разлагаемых пластмассовых материалов. Поскольку маловероятно, чтобы поставщики электронных устройств станут разрабатывать различные продукты для различных регионов мира, общая тенденция будет сводиться к тому, чтобы производить электрические и электронные продукты, реализуемые за пределами Европы, также соответствующими требованиям RoHS/WEEE. Можно также ожидать распространения законодательства в духе RoHS за пределами Европейского Союза, поскольку Аргентина, Бразилия, Китай, Япония, Мексика, Тайвань, а также штаты Калифорния и Нью-Джерси рассматривают вопрос о введении похожего законодательства.
Ожидается, что рынок органической и печатной электроники станет отраслью с объемом в 35 миллиардов долларов к 2015 г. и достигнет более 300 миллиардов в 2025 г., то есть почти в два раза превысит объемы теперешней силиконовой индустрии. Сборочные предприятия электронной отрасли будущего будут представлять собой печатные машины, которые будут печатать весь диапазон электрических и электронных компонентов от транзисторных схем до дисплеев, датчиков, силовых и прочих компонентов, даже акустических систем. Благодаря этой способности производить низкозатратные, одноразовые, гибкие электронные устройства, будут созданы огромные рынки, на которых традиционные кремниевые чипы будут непрактичны, потому что дороги, слишком велики и слишком хрупки. Таким образом, рынок печатной электроники станет больше рынка кремниевых кристаллов, поскольку, хотя печатная электроника обладает логикой, памятью и устройством для преобразования световой энергии в электроэнергию, у нее также имеются более крупные компоненты, такие как дисплеи, освещение, ламинарные топливные ячейки и батареи, или такие вещи, которых не могут делать кремниевые чипы.
Хотя многие представители обрабатывающей промышленности рассматривают печатную электронику как, в лучшем случае, периферийную технологию, было бы ошибкой не использовать именно эту технологию, особенно тем, кто занимается микроформованием или изменением пленки. Часто называемая пластмассовой электроникой из-за того, что светоизлучающие полимеры печатаются на пластмассовые пленки (или металлические, или бумажные), печатная электроника имеет хорошие предпосылки к тому, чтобы совершить огромный технологический прорыв, которые окажет влияние на обработку пластмасс, которое сейчас еще трудно осознать.
Некоторые крупные компании, занимающиеся обработкой пленки с обратным встраиванием в смолы, включая DuPont TeijinFilms и Mitsubishi PolyesterFilm, в настоящее время уже занимаются разработкой печатной электроники. Компания Leonhard Kurz GmbH, один из ведущих поставщиков пленки для IMD (декорирования в процессе формования) в пластмассовой отрасли, и признанный лидер в области печатных технологий, также занимается серьезными исследованиями в этой области. Печатная электроника также представляет значительный интерес для широкого диапазона производителей комплектного оборудования, включая такие компании, как: DaimlerChrysler, Motorola, Nokia, Panasonic и Siemens, и это только некоторые из них. Многие рассматривают печатную электронику как потенциальную «разрушающую технологию», т. е. технологию, которая изменит весь ход функционирования отрасли, совсем так, как Интернет произвел революцию в издательской и музыкальной отрасли, и повлияет на многих производителей пластмасс, на самых крупных рынках конечных применений, включая рынок электрических и электронных устройств и автомобильный рынок. Одним из рынков, заинтересованных в печатной электронике, является отрасль, производящая сотовые телефоны, в которой в обращении находится более миллиарда дисплеев. К числу других конечных применений относятся: интеллектуальная электронная упаковка, датчики на пищевых продуктах или лекарственных препаратах, модернизации брендов, таблички, устройства для преобразования световой энергии в электроэнергию, RFID-теги, медицинские применения, новые виды развлечений.
По мере того, как конвергенция компьютерной отрасли, отрасли потребительской электроники и телекоммуникаций стирает грани между информацией, развлечением и коммуникацией, у электронных устройств становится все больше и больше функций. Именно это, в сочетании с возрастающим спросом со стороны потребителей на более легкие и все более маленькие компактные устройства, подстегивает продвижение электронных устройств на пути миниатюризации. Печатная электроника будет играть все большую роль в развитии этой тенденции миниатюризации. На новый уровень миниатюризацию электронных устройств выведет молекулярная электроника (молетроника), формирующаяся в настоящее время нанотехнология, которая использует отдельные молекулы в качестве самостоятельных, функциональных электронных компонентов. За последние несколько лет были продемонстрированы молекулярные: проволока, диод, переключатель, транзистор и запоминающее устройство – все созданные на основе такой молекулярной электронной концепции. Одной из исследовательских лабораторий, занимающихся обширными исследованиями в этой области, является Молекулярная Наноэлектронная Лаборатория (Корея). Данная концепция нанотехнологии рассматривается как способ перехода к миниатюрным электронным устройствам нового поколения, низкозатратным и высокопроизводительным.
Рис. 9.18. Развитие миниатюризации
В мире существует около двухсот организаций, которые проводят серьезные исследования, способные привести к открытиям в области печатных транзисторов и устройств памяти. Потенциально это самый большой сектор для печатной электроники подобно тому, как кремниевые транзисторы и устройства памяти являются крупнейшим сектором для традиционной электроники.
Рис. 9.19. Размещение 150 организаций, разрабатывающих технологии печатных и тонкопленочных транзисторов, а также запоминающих устройств
Контрольные вопросы
Особенности технологии офсетной печати этикеток.
Особенности технологии офсетной печати этикеток.
Особенности технологии флексографской печати этикеток.
Особенности технологии глубокой печати этикеток.
Особенности технологии трафаретной печати этикеток.
Особенности технологии цифровой печати этикеток.
Выбор способа печати этикеток.
Особенности печати электронных схем для умной упаковки и этикеток.