Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

Гибкая электроника — это общий класс электронных устройств, у которых есть одна характерная черта: их можно гнуть, сгибать, сворачивать и так далее.

Как правило, сделать это без специальной подготовки нельзя: стекло треснет, микросхемы перестанут работать, полупроводники потеряют связи.

Однако в свете развития науки и техники, а также Интернета вещей и носимой электроники, интерес к гибкой электронике растет, и компании разрабатывают, например, гибкие дисплеи и гибкие микросхемы. В области нанотехнологий такая электроника будет необходимой.

Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

На Международную выставку электроники Consumer Electronics Show, проходящую в Лас-Вегасе, компания Royole привезла FlexPai – первый полностью функциональный гибкий смартфон. Вы все верно прочитали.

Малоизвестная компания обошла Samsung и демонстрирует на CES полностью рабочий гаджет с гибким, складывающимся пополам экраном. И более того, это устройство уже продается.

Журналисты портала Engadget смогли покрутить его в руках и поделились своим мнением.

Читать далее Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

Очень часто в фантастических фильмах мы можем видеть, как ученые при помощи высоких технологий могут создавать вещи, которые дают людям суперспособности.

И это может прозвучать как что-то невероятное, но группа исследователей из Германии действительно смогла сделать нечто подобное.

Правда до способностей Тони Старка экспертам пока далеко, зато вот наделить вас возможностью без труда ориентироваться на местности в отсутствии смартфонов и вообще любых других навигационных устройств можно уже сегодня. И все это благодаря особой электронной коже.

Читать далее Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

Ученые со всего мира уже не первый год работают над созданием «синтетической» или электронной кожи, применение которой может быть найдено не только в робототехнике, но и при создании протезов, сверхчувствительных сенсоров и гибкой электроники.

Совсем недавно мы писали вам о том, что подобные датчики в виде спрея были созданы экспертами из Южной Кореи, но сейчас стало известно, что их коллеги из Китайской академии наук разработали самую настоящую электронную кожу.

Настолько чувствительную, что она способна распознавать даже капли воды и дуновение ветра.

Читать далее Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

Современные технологии уже позволяют воссоздать конечности, управляемые силой мысли, и даже частично вернуть зрение и слух людям, которые по тем или иным причинам их лишены. Однако кое-что до сегодняшнего дня оставалось недоступным современной науке: разработка искусственной кожи.

Причем речь идет не о выращенных живых тканях (с этим успешно справляются трансплантологи), а именно о создании электронного аналога кожи, который обладал бы всеми ее свойствами.

И группе экспертов из Стенфордского университета впервые в истории удалось сконструировать самую настоящую «электронную» кожу.

Читать далее Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

Под самое закрытие выставки CES-2018, традиционно проходящей в Лас-Вегасе, южнокорейская компания Samsung решила провести среди очень узкого количества приглашенных участников закрытую от вспышек фотокамер демонстрацию прототипа своего секретного смартфона Galaxy X, слухи о котором уже долгое время циркулировали в Сети. Как и ожидалось, смартфон имеет складывающийся экран.

Читать далее Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

Гибкая электроника на данный момент пока еще не может получить массового распространения, но тем не менее ученым и инженерам удалось достичь значительных успехов в этой области.

Поэтому нет сомнений в том, что в ближайшем будущем гибкая электроника все же начнет выходить на потребительский рынок.

К примеру, недавно исследователи из университета Северной Каролины представили весьма амбициозную технологию 3D-печати при помощи расплавленного металла.

Читать далее Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

Центром технических исследований Финляндии VTT впервые были произведены все производственные стадии формованной пленки со встроенными светодиодами. Цель данного проекта состояла в том, чтобы показать готовность данной технологии к использованию в создании реальных продуктов — к примеру, гибких светодиодных дисплеев с печатной электроникой — с приемлемым для индустрии уровнем затрат.

Читать далее Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

Технологии могут быть неудобными. Наши карманы отягощают гигантские смартфоны, которые невозможно быстро вытащить, если куда-то бежишь. Попытки сделать наши устройства более доступными с помощью умных часов пока сложно назвать успешными. Но что, если бы часть вашего тела стала компьютером, с экраном у вас на руке и, может быть, даже прямой связью с вашим мозгом?

Читать далее Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

Гибкие дисплеи становятся все более популярным трендом. Например, ими очень заинтересованы такие компании, как Samsung и LG. Правда, следует отметить, что по-настоящему гибких продуктов на базе гибких дисплеев мы пока еще не видели. Но все может измениться уже в этом году. Китайский стартап Moxi Group объявил о том, что планирует выпустить на рынок в этом году по-настоящему гибкий смартфон.

Читать далее Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

Все вокруг только и говорят, что о гибких экранах и о будущем, где смартфоны можно будет оборачивать вокруг запястья, сворачивать в трубочки и, вообще, проделывать с ними уму непостижимые вещи.

Но как в действительности может измениться взаимодействие человека и его смартфона, будь у него гибкий экран? Разработчики из Университета Куинс в Канаде продемонстрировали нам свои мысли на этот счёт в небольшом, но очень показательном видео.

Читать далее

Жидкий металл и силикон превратили в нетоксичную гибкую электронику

Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

L. Tang et al./ iScience, 2018

Китайские химики разработали технологию получения гибких и сильно растяжимых электронных устройств на основе жидкого галлия, заключенного в силиконовую матрицу. Эти устройства не содержат токсичных компонентов, могут растягиваться более чем в 6 раз и не теряют своих свойств после нескольких тысяч циклов деформаций, пишут ученые в iScience.

Одна из проблем упругих и гибких электронных устройств — наличие в них токсичных материалов.

Поскольку значительная часть приложений для гибкой электроники так или иначе подразумевает контакт с телом человека (это могут быть, например, носимые устройства или нательные датчики), то присутствие компонентов, которые могут плохо отразиться на здоровье, в них крайне нежелательно.

Кроме того, у этих устройств есть и ряд других недостатков: большинство технологий их получения довольно дороги, а кроме того, часто эти устройства, хоть и способны гнуться и растягиваться, после нескольких циклов деформации работать перестают.

Китайские исследователи под руководством Синъюя Цзяна (Xingyu Jiang) из Национального центра нанонаук и технологий разработали подход, который часть этих проблем способен решить. Для этого при создании гибкого электронного устройства ученые использовали следующую технологию.

Сначала на твердую подложку наносились двумерные структуры в форме будущей электронной схемы из частиц жидкого галлия, покрытых твердой оксидной оболочкой. После этого эти частицы сверху заливались жидким полидиметилсилоксаном, который при термической обработке превращался в упругий прозрачный силикон.

После этого такую структуру отрывали от подложки, в процессе чего оксидная оболочка частиц разрушалась и галлий формировал сплошную проводящую фазу из жидкого металла.

Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

Схема образования проводящей цепи из жидкого галлия в результате разрушения оксидной оболочки частиц

L. Tang et al./ iScience, 2018

Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

Принципиальная схема получения электронной схемы из жидкого галлия внутри матрицы из полидиметилсилоксана

L. Tang et al./ iScience, 2018

В результате такого подхода образуется плоское прозрачное устройство с электрической схемой внутри него.

Проводимость участков из жидкого металла в этом устройстве достигает 2316 сименсов на сантиметр, при этом его можно подключать к источнику питания, а внутрь — встраивать различные датчики или светодиодные элементы.

Минимальная толщина элементов устройства составляет около 15 микрометров. По всем этим параметрам полученные структуры не уступают современным прототипам других электронных устройств, при этом они полностью состоят из нетоксичных элементов.

Что касается механических свойств этих пленок, то такие устройства можно растягивать более чем в 6 раз без потери проводящих свойств. Кроме того, проводящие детали не теряют своих свойств при циклически деформациях (после 10 тысяч циклов растяжения и сжатия сопротивление цепи меняется не более чем на 3 процента).

Чтобы показать, что такой подход действительно можно использовать для получения реальных устройств, ученые создали с помощью него несколько устройств.

Сначала авторы работы получили растягивающееся и гибкое устройство, которое питает систему небольших фотодиодов.

Полученную пленку можно было прямо во включенном состоянии спокойно растягивать в несколько раз и практически любым образом изгибать. Никакие контакты при этом не повреждались и светодиоды продолжали гореть.

Кроме того, ученые предложили аналогичным образом создавать устройства, которые используются в качестве датчиков движений или могут превращать перчатку в «носимую клавиатуру».

На каждом пальце перчатки в таком устройстве закрепляется датчик изгиба, и анализ сигналов, полученных с каждого из этих датчиков можно использовать для набора текста. Например, авторы работы смогли с помощью таких перчаток написать фразу «HELLO WORLD».

Кроме того, были проведены и тестовые испытания таких устройств в медицинских исследованиях: для электроимпульсного открытия клеточных пор.

Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

Регистрация сигнала датчика изгиба на резиновой перчатке, полученного с помощью предложенного метода

L. Tang et al./ iScience, 2018

Исследователи придумали как сделать действительно гибкую электронику

Схема работы «клавиатуры на перчатке», предложенной авторами работы. Сигнал, полученный на датчики изгиба, расположенные на каждом из 10 пальцев, преобразуются в набранные буквы

L. Tang et al./ iScience, 2018

Авторы работы отмечают, что предложенный ими метод можно использовать не только с эластомерами (такими как полидиметилсилоксан), но и другими типами полимеров, которые могут расширить область применения устройств.

Такой подход позволяет значительно снизить стоимость технологий, использующих жидкометаллические проводящие элементы в гибких электронных устройствах, а отсутствие в них токсичных деталей делает эти устройства применимыми для очень широкого диапазона различных целей, связанных с биомедицинским анализом.

Использование частиц, состоящих их жидкого металла, покрытых твердой оксидной пленкой используются учеными для создания проводящих материалов далеко не в первый раз.

Например, недавно американские инженеры применили аналогичный подход для создания материала, который при изгибе в несколько раз увеличивает свою жесткость.

Однако в этом случае использовался не просто жидкий металл, а переохлажденный сплав, поэтому при разрушении оксидной оболочки происходила кристаллизация и формировалась не жидкая проводящая фаза, а твердая.

Александр Дубов

Гибкая электроника и гнущиеся чипы — как это возможно? Разбор

Читайте также:  Как продать или купить технику через интернет, не боясь мошенников

Есть такая фраза на счет кремниевых процессоров — что все они просто куски камня, которые мы обманом заставили думать.

Мы уже очень привыкли к носимой электронике. Мы обвешаны умными часами, браслетами, нашниками, есть даже специальные датчики в ботинках, отслеживающие правильность походки.

Cудя по всему, скоро мы будем ходить в умных очках, которые будут показывать нам полезную информацию и дополнять нашу реальность. Но какой следующий этап? Что дальше?

Тут мы безусловно можем вспомнить Илона Маска с его Neurolink и чипированием. Но это все-таки что-то из ряда вон выходящее, так сказать радикальный подход к носимой электронике следующего поколения!

А что если подумать о нашей одежде? Можно ли встроить процессор прямо нам в носки, например? Да так, чтобы носки при этом остались носками, со своим полным функционалом. Или, например, сделать линзы с маленькими дисплеями, как в фильмах о шпионах?

Что ж — сегодня мы расскажем вам о по-настоящему носимой электронике! Попытаемся разобраться, что за этим стоит и выясним — можно ли напечатать процессор на куске пластика, ткани или даже на теле человека?

Введение

Все устройстава, начиная от смартфонов и заканчивая чипами в мозг, это абсолютно разные устройства, построенные по разной архитектуре и для разных задач! Но при этом у них есть схожее свойство — все они построены на базе кремниевых подложек.

https://www.youtube.com/watch?v=EKwqGKlVxtY\u0026t=410s

Кремний — это жесткий материал и это накладывает определенные ограничения. Одно из них — это гибкость чипа. То есть получаемые на основе кремния подложки нельзя сгибать, а это приводит к тому что мы ограничены в самих физических размерах чипа.

Только посмотрите как Apple вынуждены извращаться, чтобы запихнуть всю необходимую электронику в AirPods.

А ведь уже есть специальные чипы, которые крепятся на тело для отслеживания состояния здоровья.Они клеятся прямо на кожу, но при этом все равно сам по себе чип остается как маленький камень, который прикрепили к вам пластырем!

А как было бы круто, если бы чип и был тем пластырем, так же гнулся и растягивался бы как и кожа на теле!

И вот ученые подумали, а можно ли сделать процессоры на чем-то гибком.

Идея совсем не новая на самом деле. Печатать и впаивать чипы в пластик люди пытались еще в середине двадцатого века, но технологии того времени были сильно ограничены, а потом, с приходом полевых тразисторов идею вообще частично отправили в долгий ящик. На пластике размещали контакты, но не сами транзисторы и чипы.

Конечно, тут мы сразу вспоминаем о гибких экранах, которыми нас уже не удивить! Кстати, а вы знали что первый концепт гибкого OLED-экрана был представлен учеными еще в 1992 году?

Гибкие экраны

Но вы спросите, а почему же тогда мы уже 20 лет не пользуемся гибкими экранами? Проблема в отсутствии массовой технологии. В 1992 году показали только физическую возможность, но для создания гибкого экрана этого маловато.

Необходим был целый комплекс различных технологических решений, начиная от разработки специальных пластиков, и заканчивая новыми поколениями тонкопленочных транзисторов, подходящих для массового производства! Такими например стали LTPS транзисторы и тонкие пленки прозрачного термостойкого и проводящего пластика.

А вместе с тем, одновременно активно развивалось направление печатной электроники.

Представьте, в вашем цветном принтере разными красками можно наносить разноцветный рисунок в разных местах, так и в печатной электронике можно печатать в 2D различные контакты, транзисторы и изоляторы, фактически создавая необходимую электрическую цепочку на разных поверхностях.

И вот собрав все эти технологические решения гибкие экраны стали возможны!

Гибкие чипы

А когда сначала ученые, а потом уже производители наконец-то разобрались, отработали технологии, они начали думать и в других направлениях.

Ведь если можно напечатать транзисторы на гибкой пленке, то можно практически любую поверхность сделать маленьким вычислительным устройством, то есть процессором.

Основная идея гибкой электроники удивительно проста: надо начать с гибкой подложки, к примеру, специального пластика или бумаги и нанести на него тонкий слой гибкого полупроводника. Но выбор материалов сильно ограничен вследствие того, что он должен соответствовать многим условиям.

Но на данном этапе пока точно нет необходимости носить на запястье тонкую пленку с 11 миллиардами транзисторов как в Apple A14 Bionic. Требования к производительности у таких чипов минимальны. Поэтому количество транзисторов не должно быть огромным.

И тут мы приходим к недавней разработке ребят из ARM совместно с компанией PragmatIC, которые опубликовали свою работу в журнале Nature. Они показывают, что гибкие и главное — полноценные процессоры не только возможны, но скоро уже могут начать появляться на рынке.

Гибкий процессор ARM

Итак, чтобы вы поняли о чем мы тут говорим. Это пока слабый, но абсолютно гнущийся процессор под названием PlasticArm. Его площадь составляет 59,2 квадратных миллиметров и он содержит 56 340 транзисторов и резисторов или 18 334 NAND2-эквивалентных затворов!

Это по крайней мере в 12 раз больше, чем прошлый рекордсмен от той же компании PragmatIC, где было всего 4 000 транзисторов.

Микропроцессор работает с частотой до 29 кГц. Напоминаю, что процессоры Intel 11-го поколения в режиме TurboBoost выдают 5,3 ГГц. То есть разница частот — примерно 180 тысяч раз.

Однако, чтобы быть предельно ясным, даже при двенадцатикратном увеличении количества транзисторов по сравнению со своим ближайшим собратом, новый PlasticARM ни в коем случае не является мощным процессором.

Система использует 28 выводов, которые включают в себя тактовый генератор, сброс, питание и другие отладочные выводы. Проще говоря, это полнофункциональный 32-битный ARM-чипсет.

Не только процессор, но и память, ввод/вывод, и все остальное. Подключите к нему несколько подходящих и даже гибких датчиков, и перед вами откроются огромные возможности.

Он использует собственную архитектуру Cortex-M, основанную на ARM-Cortex-M0+ начального уровня, что делает его совместимым с процессорами этого же класса и их кодом.

Это позволяет ему быть действительно универсальным, то есть его можно использовать для кучи разных задач.

Сам же его разработчик говорил, что “безусловно процессор слабый, но я бы использовал его в упаковке салата, чтобы отслеживать то, насколько он свежий!”

Вы поняли о чем речь? На упаковках салата будет наклеен процессор, который отслеживает его свежесть, то есть это одноразовый процессор, который потом окажется в мусорке!

Ну и конечно он сильно больше, чем обычный процессор с теми же параметрами. Ширина затвора там около 0.8 микрометра, что в несколько десятков раз больше чем у обычных процессоров.

Кроме того данный процессор потребляет сильно больше электроэнергии — 20 милливатт.

Это может показаться очень незначительным энергопотреблением, но M0 + архитектура, реализованная на стандартном кремнии, требует чуть более 10 микроватт. Разница огромная.

Но учитывайте, что это только тестовый образец. При этом он производится по схожим технологиям — то есть фотолитография и осаждение из газовой фазы.

Основной полупроводник там — это известный нам по LTPO экранам IGZO, то есть оксид индия, цинка и галия, а сам процессор состоит всего из 30 слоев из которых всего 4 являются металлами. При этом суммарная толщина всего 30 микрометров, что тоньше человеческого волоса!

Да и стоимость производства может быть очень низкой из-за простого процесса и отсутствия необходимости использовать дорогой монокристаллический кремний! При правильном масштабировании производства тут идет разговор об одном центе за чип или даже меньше!

Будущее и выводы

Но куда же создание такого абсолютно гнущегося, но полноценного процессора нас ведет?

На самом деле, пока что не очень очевидно, но вполне возможно, что мы очень скоро получим возможность печати чипов и микроконтроллеров прямо с нужными датчиками, например, на одежде, бумаге или на пластиковых упаковках.

Штаны которые говорят, что они грязные! Или местоположение всегда потерянного второго носка! Можно делать умные тату с подсветкой и не только…

Конечно есть и более полезное использование — медицина. В целом, если напечатать чип на органически-совместимом материале, то можно будет крепить его на органы, чтобы они считывали показатели сердечного ритма, например, или вводили лекарство точно по расписанию.

Человечество явно придумает куда можно прикрутить эти чипы так, чтобы это стало нам с вами удобно! Ну и до маленького экрана в линзе для глаз, который создает вам дополнительную реальность тоже недалеко осталось! Будем следить, интересно к чему приведет эта технология!

Гибкая электроника — переворот в цифровой и IT-индустрии

Гибкая электроника – технология сборки электронных схем путем установки ее элементов на гибкую пластиковую подкладку, сделанную из полиимидов, полиэфирэфиркетона (ПЭЭК) или прозрачной проводящей полиэфирной пленки. Также гибкие схемы могут быть напечатаны на трафаретах из серебра или полиэфиров.

Сборка гибких микросхем может происходить с использованием тех же компонентов, что и для их жестких аналогов, позволяя придать плате желаемую форму или гибкость при работе.

В качестве альтернативного способа производства предлагаются различные методы травления на обычной кремниевой подкладке толщиной в несколько десятков микрометров для достижения необходимой гибкости.

Производство

Гибкие печатные схемы (ГПС) делаются с использованием технологии фотолитографии.

Читайте также:  Экологичный телефон Sony Ericsson Elm появился в России

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

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

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

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.

При производстве потребительской электроники гибкие схемы применяются в камерах, развлекательных системах, калькуляторах или датчиках движения.

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.

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.

Начиная с 1950-х годов, нью-йоркская компания «Photocircuits Corporation» поместила рекламу гибких микросхем, показав свою заинтересованность в этой области.

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.

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

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.

Разработка поверхностного монтажа путем распыления проводящего материала позволила начать производство прозрачных светодиодных пленок, используемых в специальных стеклах и гибких светящихся композитных материалах.

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.

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).

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. Пример использования этих схем – соединение тачпэда и материнской платы в ноутбуке. Все соединения этой схемы расположены только на одной стороне подкладки, кроме самых малых из них, которые используют вторую сторону подкладки.

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.

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.

Усиленные гибкие схемы могут обладать одним и более проводящими слоями. Несмотря на то, что два термина звучат похоже, они представляют абсолютно разные изделия.

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 2013 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.

Читайте также:  MOSeco ES905 - универсальный зарядник с солнечной батареей, динамо-генератором и фонариком

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.

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.

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. Полиимидные пленки распространены больше всего за счет сочетания превосходных электрических, механических, химических и термических свойств.

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.

Как улучшить элементы памяти для гибкой электроники

Исследователи из России и Польши модифицировали фторированный графен, облучив его ксеноном. Они удалили фтор и создали проводящие квантовые точки в матрице изолирующего материала. На основе таких структур сделаны мемристоры элементы памяти, которые применяются для создания гибких датчиков в носимой электронике, медицинских и производственных сенсорах.

В работе приняли участие сотрудников Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) — научной группы под руководством доктора наук Ирины Антоновой, Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), Новосибирского государственного технического университета.

Новое исследование — продолжение работы специалистов ИФП СО РАН по созданию элементов памяти для гибкой электроники на основе соединений графена.

Ранее эта же научная группа сделала мемристоры, модифицируя графен химическим путем, с целью получить систему квантовых точек в матрице фторированного графена.

Преимущество облучения в том, что оно позволяет добиться создания такой системы (нужной для работы мемристоров), более контролируемо и воспроизводимо. Исследование поддержано Российским научным фондом (проект №19-72-10046, руководитель Н. А. Небогатикова).

Мемристор микроэлектронный компонент, по своим свойствам похожий на синапс — место контакта двух нейронов. В отличие от транзистора, мемристор способен не только передавать информацию в режиме «0» или «1», а еще присвоить ей уровень значимости.

Мемристоры способны «запоминать» количество протекшего через них заряда и менять свое сопротивление в зависимости от этого.

Если подать высокое напряжение, мемристорная система станет открытой будет проводить электрический ток, а при смене полярности напряжения закроется.

«Наши мемристорные системы на основе облученного фторированного графена открываются и закрываются благодаря формированию и разрушению путей протекания электрического тока по графеновым квантовым точкам.

Разница токов в открытом и закрытом состоянии — 2–4 порядка: такого диапазона достаточно, чтобы сделать ячейки памяти. Мемристорная память энергонезависима и совмещает в себе достоинства оперативной и флеш-памяти.

Переключение мемристора (из закрытого в открытое состояние), то есть перезапись информации, происходит за 30–40 наносекунд. Это примерно в 1000 раз быстрее, чем у современной флеш-памяти.

Наносекунда — миллиардная доля секунды»,— поясняет автор исследования, научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Артем Ильич Иванов.

Технология изготовления образцов довольно проста: на тонкие полимерные пленки (из поливинилового спирта) методом 2D-печати наносился фторированный графен, также разработанный и созданный в ИФП СО РАН.

Затем готовые структуры облучались в ОИЯИ высокоэнергетичными ионами, после чего во всех структурах наблюдались резистивные переключения, то есть такие, когда сопротивление материала обратимо меняется в ответ на изменение электрического поля.

Нужно отметить, что облучение ионами можно использовать для промышленного технологического процесса. Так, одна из наиболее известных разработок ОИЯИ — изготовление трековых мембран (именно при помощи облучения) для фильтрации растворов для технологий нано- и микроэлектроники и бытовых нужд, когда мембраны создаются рулонами.

«Наши дальнейшие планы работы с новым материалом — показать, как взаимодействуют ячейки памяти в массиве, для этого мы сделаем небольшие логические электронные схемы: “и”, “не”, “или”. Существует множество параметров, на которые может влиять соединение ячеек, и нам нужно проверить, как будут мемристоры чувствовать себя в системе из нескольких элементов»,— добавляет Артем Иванов.

Исследования по созданию энергонезависимой памяти для гибкой электроники ведутся во всем мире.

«В основном такую память пытаются сделать на основе оксида графена и полимерных материалов, дихалькогенидов металлов.

У них есть свои плюсы и минусы: например, оксид графена способен восстанавливаться под действием напряжения, температуры — он менее стабилен, чем фторированный графен, который используем мы.

Важно понимать, что в случае создания гибких носителей, мы не соревнуемся с привычной твердотельной электроникой на кремнии — там иные свойства, многие параметры лучше, но твердотельная электроника не способна функционировать в условиях деформации»,— подчеркивает исследователь.

«Опубликованная работа — первый шаг в направлении использования облучения как метода формирования массива квантовых точек в матрице фторированного графена. Любая технология требует отладки.

На экспериментальных, небольших объемах, с которыми мы работаем сейчас, наши образцы выглядят перспективно.

Важно, что продемонстрирован метод, как надежно и сравнительно быстро получать мемристоры на основе фторированного графена со сформированными облучением квантовыми точками»,— заключает Артем Иванов.

Использованы материалы статьи

Пресс-служба ИФП СО РАН

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector