Die Druckelektronik, die leitfähige Tinte anstelle von Lithographie verwendet, beginnt sich aus der Forschungsphase zurückzuziehen. Die Chiphersteller prüfen nun, wie sie diese Technologie für eine breite Palette von Sensoranwendungen kommerzialisieren können.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleitern, die winzige Drähte als Schaltungen verwenden, ist die gedruckte Elektronik auf leitfähige Tinten und oft flexible Folien angewiesen. Und das obwohl man sie auf fast alles drucken kann. Dadurch kann man sie mit konformen Folien auf so etwas wie ein Industrieventil kleben. Wo man mehrere Arten von Sensoren verwendet, anstatt zu versuchen, einen einzelnen, diskreten Sensor auf einem harten Substrat anzubringen. Darüber hinaus können diese Sensoren an bestehende Anlagen angebaut werden. Anstatt bestehende Geräte durch neue Teile mit integrierter Elektronik zu ersetzen.

Diese Art von fähigkeitsleitender Tinte mit integrierter RF oder angeschlossener Schaltung hat die Phantasie der Chiphersteller auf mehreren Kontinenten und in verschiedenen Industriesegmenten beflügelt. Die meisten Experten glauben, dass sie auch für Anwendungen nur die Oberfläche verkratzt haben.

Nicht gerade neu

Das Versprechen der gedruckten Elektronik ist kaum neu. Tatsächlich ist es seit Beginn des Jahrtausends Gegenstand einer intensiven Halbleiterforschung. Es wurde über leitfähige Fäden im Inneren der Kleidung gesprochen, oder sogar über Schaltkreise im Inneren von Baumaterialien. Aber all das hat sich als schwieriger zu entwickeln erwiesen, als man zunächst dachte.

„Das steht seit 10 bis 15 Jahren auf unserer Agenda“, sagt Janos Veres, Manager bei PARC. Dessen Schwerpunkt darin besteht, langfristige Forschung, die normalerweise an Universitäten oder Forschungseinrichtungen durchgeführt wird, mit kommerziellen Anwendungen dieser Forschung zu verbinden. „Es gibt drei Dinge, die wir uns vorstellen. Einer davon sind neue Formfaktoren, einschließlich 2D-Geräte. Die zweite ist die Integration von Sensoren, einschließlich optischer und mechanischer Komponenten. Anstatt diese Geräte in winzigen Dimensionen zu bauen, können Sie sie also ausbreiten. Die dritte ist die bedarfsgerechte, lokale, verteilte Fertigung. Anstatt also Vorräte aufzubauen, können Sie garantieren, dass sie in der Lieferkette frisch bleiben.“

Anwendungen

Es ist die Möglichkeit, diese Sensoren in einer Vielzahl von bestehenden und neuen Anwendungen einzusetzen, die diesen Technologieansatz wirklich antreibt.

„Wenn Sie heute an einen dreidimensionalen Sensor denken, haben Sie vielleicht einen Feuchtesensor oder einen Temperatursensor“, sagt Gert Jorgensen, Vice President of Sales and Marketing bei DELTA Microelectronics. „Aber mit gedruckter Elektronik kann man beides und noch viel mehr haben. So können Sie eine Tinte entwickeln, wo sie auf ein Protein oder einen nicht-organischen Film aufgetragen werden kann, und das können Sie nutzen, um Dinge zu erfassen, die heute nicht von einer Diode erkannt werden.“

Die Dänen forschen

Tatsächlich hat die dänische Regierung ein kleines Forschungsprogramm gestartet, um Abwasser und sauberes Wasser mit Hilfe von gedruckten Sensoren zu verfolgen.

Industrielle Anwendungen waren schon immer eine naheliegende Anwendung. Die Verwendung von Silizium oder anderen harten Substraten macht es schwierig, in diese Geräte zu integrieren. Zum einen sind viele dieser Vorgänge einzigartig, so dass die Herstellung eines Teils mit einem eingebauten Sensor einen kundenspezifischen Chip erfordert. Das erhöht die Kosten des Teils erheblich. Darüber hinaus müssen diese Chips in der Lage sein, in rauen Umgebungen zu arbeiten, in denen Chemikalien, Hitze, Vibrationen und extreme Kälte üblich sind. Es ist viel einfacher, Schaltkreise anzubringen, die auf einem Stück Klebeband oder in einer konformen Folie gedruckt sind, die diesen Bedingungen standhält, und es kann deutlich mehr Daten liefern als ein diskreter Sensor.

Dies ist ein wesentlicher Grund, warum dieser Ansatz auch in der Automobilwelt so viel Aufmerksamkeit erregt.

Veres stellte fest, dass Sensoren auch in Lagerhäuser und Produktverpackungen zur Überwachung der Lieferkette integrierbar sind, was die Kosten gegenüber aktuellen Lösungen drastisch senken würde.

Eine weitere Anwendung ist die Integration von gedruckter Elektronik mit dem 3D-Druck, insbesondere in Bereichen wie Antennen. „Der 3D-Druck hat sich nicht so entwickelt, wie wir es uns erhofft hatten“, sagte Stefanie Harvey, F&E-Programmleiterin für flexible Technologien bei SEMI. „Aber wir beginnen zu sehen, dass man hier neue Materialien für Dinge wie Antennen verwendet. Was wir auch feststellen, ist, dass die additive Herstellung nicht unbedingt eine Düse oder ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol, ein thermoplastisches Polymer) sein muss. Sie können Reproduzierbarkeit und Konformität sowie Widerstände bei interessanten Geometrien haben. Es gibt viele Fortschritte.“

Technologie

Bisher wurde der größte Teil der gedruckten Elektronik in der flexiblen Hybrid-Elektronik (FHE) eingesetzt. Typischerweise in großen Abmessungen – etwa in der Größenordnung von 1 Mikron. Das ändert sich jedoch schnell.

Um zu diesem Punkt zu gelangen, bedarf es eines Mixes von Disziplinen. Dieser reicht von der Elektrotechnik über die Materialwissenschaften bis hin zur Chemie und Nanopartikelforschung.

„Es gibt eine Menge Arbeit in der Tintenformulierung, um die Leistung von Kupferverbindungen zu erreichen“, sagte Melissa Grupen-Shemansky, CTO für Flexible Electronics & Advanced Packaging bei SEMI. „Wir untersuchen elektrische Eigenschaften, die modifiziert werden können, und komplexere Sensoren wie MEMS.“

PARC hat ein Projekt mit dem Jet Propulsion Laboratory der NASA gestartet, um ein Sensorblatt zu entwickeln, das aus Hunderttausenden von Sensoren besteht. Einige sind temperaturempfindlich, während andere lichtempfindlich sind. „Diese können in einer Raumstation gedruckt und unabhängig von den Bedingungen beim Start hergestellt werden“, sagt Veres. „Sie können dies auch in Laminaten auf Platten verwenden. Anstatt also ein Brett aufzubauen, können Sie in jeder Ebene mehr hinzufügen. Dies gibt Ihnen neue Designfreiheiten und eignet sich auch für das Early Stage Prototyping. Wir betrachten auch den analogen Druck für Dinge wie Batterien, bei denen immer mehr Skalierung benötigt wird. Dies ermöglicht es uns, die Kosten zu senken und gleichzeitig Batterien herzustellen, die konformer sind als Knopfzellen.“

Zukünftige Herausforderungen

Während die Einsatzmöglichkeiten scheinbar grenzenlos sind, muss die gedruckte Elektronik die gleiche Art von rigoroser Verifikation, Validierung und Prüfung durchlaufen wie andere Chips. Und da beginnt die Realität einzudringen.

ANSYS arbeitet mit Hewlett Packard Enterprise zusammen, um diese Art von Problemen zu lösen, die außerordentlich komplex sein können. „Eine der Hauptanwendungen ist eine Sensorfolie, aber bei anhaltender Vibration kann der Temperaturgradient an verschiedenen Stellen unterschiedlich sein“, sagt Chang. „Mit einem Armband oder einem Körpermonitor benötigen Sie aufgrund der Flexibilität auch eine Co-Simulation. Das kann sich auch ändern. Denn es gibt eine Fülle von verschiedenen Arten von Substraten, und jeder Fall wird einen anderen Ansatz erfordern. Hoffentlich werden wir einige standardisierte Produkte entwickeln, bei denen die Designbasis auf einer gemeinsamen Plattform liegt. Das würde eine Menge Kosten sparen.“

Das gilt insbesondere für Antennen-Arrays, die auf Verpackungen für Anwendungen wie 5G gedruckt werden könnten. Das Problem besteht darin, dass es nicht möglich ist, diese Geräte mit Standard-Testgeräten zu testen, und Lösungen könnten für gedruckte Elektronik gelten.

Unterschiedliche Materialien erfordern auch unterschiedliche Geräte für Simulation und Test. „Wir werden dies mit einem Smartphone sehen, das faltbar ist, IIoT-Anwendungen und Body-Monitore“, sagt ANSYS‘ Chang. „Es wird verschiedene Sensoren für verschiedene Märkte geben, und verschiedene Materialien benötigen unterschiedliche Simulationswerkzeuge. Es gibt heute eine Menge Aktivitäten zwischen Regierung und Industrie.“

Zuverlässigkeit ist ein zentrales Anliegen in diesem Bereich, und Streifen von Sensoren könnten einfach genug zu ersetzen sein, es ist nicht klar, wie lange sie halten oder wie sie sich verschlechtern werden.

Fazit

Gedruckte Elektronik war in der Vergangenheit weitgehend ein wissenschaftliches Projekt. Aber es gibt genügend Dynamik, die auf diesem Ansatz aufbaut. Und genügend Nachfrage der Endverbraucher in verschiedenen Marktsegmenten. So dass die Elektronikindustrie in Zukunft sehr wahrscheinlich viel mehr von dieser Art von Technologie sehen wird.

Wie schnell, für welche Anwendungen und wo Probleme auftreten können, ist noch nicht geklärt. Aber die Fähigkeit, Elektronik in jede Umgebung zu bringen, unabhängig von der Form oder den Umgebungsbedingungen, und mehr Daten als mit herkömmlichen Chips zu erhalten, ist für viele Anwendungen eine sehr attraktive Reihe von Eigenschaften. Dieser Satz von Attributen wird wahrscheinlich nur wachsen. Wenn die Knicke aus der Lieferkette herausgearbeitet werden und die Zuverlässigkeitssimulation und -prüfung sich als ausreichend für die Qualitätssicherung erweisen.

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