Выставка Электроника России. 22 ноября 2022 г.

Дмитрий Воруничев, зам. директора Института радиоэлектроники и информатики РТУ МИРЭА.

Тема доклада: «Аддитивные технологии в радиоэлектронике».

Аддитивные технологии в радиоэлектронике, Воруничев Дмитрий, РТУ МИРЭА

Коллеги, Добрый день. Воруничев Дмитрий, я представляю сегодня вуз  МИРЭА российский технологический университет и РТУ МИРЭА. Сегодня это 28000 студентов. Только в этом году мы набрали на 1 курс 9512 абитуриентов это студенты 1 курса. Но помимо образовательного процесса мы также занимаемся вопросами тестирования отечественного инженерного по.
И аддитивными технологиями у нас есть 3 линии, которые позволяют прототипировать электронику аддитивным методом, основные результаты сегодня постараюсь доложить вам в докладе.6 апреля этого года мы в рамках института радиоэлектроники информатики открыли совместный центр между РТУ МИРЭА и Асконой Эремекс и в общем, то объединили усилия в области проектирования и прототипирования радиоэлектронных изделий. Чуть меньше года прошло, протестировали продукты компании Аскон компании Эремекс дельта дизайн, много итерации провели с точки зрения прототипирования печатных плат прям непосредственно в дизайне центре.

  И если в общем-то мы говорим об аддитивных технологиях в области радиоэлектроники, я подчеркнул да, то здесь можно выделить 2 ветки.
Такие, значит одна ветка я о ней рассказывать не буду. Это в общем, то такое косвенное отношение к радиоэлектронике, аддитивное изготовление 3 d печать пластиками, металлами. Оно в общем, то применяется косвенно да, прототипирование изделий какая- то оснастка может быть изготовлена, вопросы моделирования я об этом не останавливаюсь.

   В докладе постараюсь осветить именно другую часть- печать, 3 d печать, система 3 d мид и гибкая электроника. Да это вот 3 направления аддитивных технологий, которые позволяют изготавливать конструктивы именно электронной части в связке с программным обеспечением. Ну вот слайд, который демонстрирует, где может применяться 3 d печать стандартная, освоенная отраслью, где большая практика уже есть. Эта печать на 3 d принтерах, металлами, пластиками.

  Да там детали, ремонт, запасные части антенны, но это в общем, то косвенное такое отношение, но тем не менее к радиоэлектронным изделиям относятся. А сегодня мы с вами поговорим о 3 d печати именно электронных деталей по производственным файлам, выпущенным в отечественном инженерном по.  это 3 технологии. У нас полностью 3 линии в институте радиоэлектроники и информатики есть, которые позволяют по всем трём технологиям прототипировать электронику.

   Это печать сложных многослойных печатных плат нан чернилами на 3 d принтере, так называемые объемные многослойные электронные платы омэ, аддетив manufectorim electronics.Первая технология вторая технология более известная в мире. Она уже серийная это  3 d  мид изделие, объемные электронные схемы на пластиках, на пластиках, объемных основаниях и в общем, то треть технология гибкой электроники, которая также бурно развивается в мире.
  А первая эта технология 3 d печати сложных многослойных печатных плат. Какое преимущество да вот данная технология даёт по сравнению с классическим контрактным производством радиоэлектроники? Фактически это одно устройство 3 d принтер, который может обслуживать один оператор и в вопросах прототипирования заменяет да заводскую технологию. Значит, здесь можно отметить такое большое преимущество, как вопросы быстрого прототипирования.

  Значит плата, спроектированная в дизайне центре прям тут же не отходя может быть распечатана за несколько часов, где могут быть также проведены различного рода измерения, контроль, посмотреть, как она работает, тут же сделать новые ревью доработки, если что-то работает не так, как в общем то должно выпустить следующую редакцию, опять отпечатать И в общем то серии уже передавать на контрактное производство такой уже отлаженную модель внутри своего дизайн центра. Значит, быстрое такое прототипирование осуществляется за счет сокращения производственного цикла. Здесь вот на слайде, если мы посмотрим, есть классическое производство, которое очень большое количество этапов содержит, их не убрать, не выкинуть, не изменить. Это вот как бы классика производства плат.
  Оно состоит из достаточно большого этапа, здесь нужен в общем то завод, заводские технологии, в  случае с 3 d печатью значит 3 d принтер в него заводится кадовская документация, это гербер файлы odb плюс плюс, либо совмещенная модель, скажем так, спроектированная в механическом сапре и электрическом, например, компас 3 d и дельта дизайн. Дальше делается технологическая подготовка производства, прописываются свои параметры и отправляется задания на печать. В течение нескольких часов плата печатается 2 системами подачи нано чернил, проводящими на основе 50 процентного серебра и диэлектрическими на основе акрилатной системы.
  После того, как плата отпечатана естественно, необходимо ее проконтролировать да, выполнить электрический тест, структурный тест. Это могут быть структуры, значит устройства внутрисхемного контроля, либо периферийного сканирования системы джетаг. Но в общем то дальше поставка потребителю, технологическая линейка здесь очень короткая.

 Что позволяет выполнить быстрое прототипирование? Почему это нужно? Если проанализировать международные рейтинги, аналитику , публикации то по прогнозам таких авторитетных аналитических изданий из года в год наблюдается рост печатной электроники значительными темпами и рост значительных сегментов прототипирования.

  Для того чтобы работать с данными технологиями в институте радиоэлектроники и информатики МИРЭА создан кластер лаборатории , фактически это дизайн центр с опытным производством, который позволяет проектировать, изготавливать, собирать, настраивать , испытывать и т.д. Где находят применение изделия печатной электроники? Это же система аэрокосмического и специального назначения, медицинская техника,где нужна компактность и в общем то определенные требования выставляются ну и промышленное назначение, без этого как бы никуда.

  Если говорить о второй технологии системы 3 d mid то тоже класс задач достаточно большой, в мире как я сказал технология стала серийным , но некоторые примеры это изготовление различных датчиков, сенсоров,антенн на пластике, встраиваемых каких-то систем. Какое преимущество? Печатные платы традиционно это плоская компоновка , фактически конструктор загнан в плоские рамки при этом очень растут требования к микромитилазации и иногда этого не хватает.

  Тенденция мировая это уход в 3 d, в объемные конструкции, которые открывают дополнительные возможности. Гибкая электроника тоже отдельный класс задач, такая электроника может изготавливаться как по субтрактивным технологиям в общем то и по аддитивным. Где применяется? Ну самое первое применение это радиочастотная идентификация (RFID) , батареи питания, аккумуляторы , различные электронные схемы на гибких носителях , одежда, кожа, спортивная одежда да , которая в общем то сегодня может обладать различными датчиками, телемитрией и в общем это встроенные системы уже на гибких основаниях,т.е не совсем традиционные печатные платы.

  На данном слайде приведены нормы , технологические нормы печатной электроники , которые сегодня можно реализовать , в общем то количество слоев здесь не так важно , условно можно сказать неограниченно да т.е они ограничиваются физическими да размерами печатной платы, желательно чтобы общий стек был не более 3мм. Больше можно, но там начинаются очень интересные эффекты. Минимальный проводящий слой 17 микрон для одного слоя,наперед забегу что в институте нами были проведены исследования  мы вот смогли получить топологию значительно меньше 3 микрона, печатали датчик, он оказался полностью работоспособный, проводящий слой был 3 микрона, значительно меньше чем  в общем то дает производитель.

  Ну поскольку мы говорим о аддитивной электронике то здесь в общем то и свои правила,свои законы,свои правила пректирования. Если позволить какую то вольность,специально провели эксперимент вот на картинке представлен свч сумматор, при его проектировании использовалась некая такая вольность конструктором и отклонения от правил проектирования аддитивных ,но результат не очень хороший. Вот внизу представлен датчик, это потери , с параметр 2.1, который просто упал, значительно хуже fr4, хотя сам материал значительно лучше fr4и позволяет в общем то прототипировать в том числе и свч элементы.

 Ну вот сбоку характеристики представлены, эпсилант тангенс угла  среднем 2.7, частотные характеристики. Значит не дельта дизайн на наш взгляд чем удобен, очень хорошо реализован инструмент правил проектирования, поскольку направление новое аддитивная электроника да ,в общем то не классическая со своими нюансами, для нас было удивлением то что в общем то те правила, которые существуют под аддитивную электронику они очень хорошо встроились в систему дельта дизайн. Здесь вот представлен инструмент дельта дизайн правило проектирования, их достаточно много,вот использовать этот функционал можно заранее настроить и проверку , задать правило проектирования и вести разработку  по аддитивным технологиям.

  В качестве примера представлена 13слойная многослойная печатная плата,13 сигнальных слоев, она полностью спроектирована в дельта дизайн,вот даже шелкографией пометили, и была опечатана на 3 d принтере , результа представлен в правой части слайда. В конце деловой программы , если кому будет интересно и желание посмотреть напечатанную печатную плату , вот представленную, я ее захватил   с собой, можно будет на стенде Эремекса посмотреть. Технологическая подготовка производства я вот озвучивал вам момент, она может занимать как мало времени, так и много,значит технологическая подготовка производства вот такой платы после выпущенных гербер файлов заняла ну порядка 5 минут, это не так много. Как удалось этого достичь?

  На мой взгляд тоже очень удобный инструмент, который сразу наглядно визуализирует все нужные параметры уже инженеру-технологу. Конфигуратор слоев и отверстий , так вот этот инструмент есть в дельта дизайн ,достаточно в него войти и сделать пару скриншотов ,где четко расписан стек, значит какие толщины ,какой слой за каким должен идти, ну тоже самое по отверстиям,по переходным отверстиям, с какого слоя на какой и прямо по скриншотам сделать технологическую подготовку. Задание на печать, вот в правой части представлено уже представлен данный процесс.

  Ну и после печати да значит формируется задание на печать,несколько часов занимает печать платы,после того как плата напечатана конечно же этап контроля. Неотъемлемая часть , необходимо плату проконтролировать,значит долго мы подбирали систему контроля ,дело в том что материалы , которые сегодня доступны под печатную электронику они имеют такой минус, как хрупкость, поэтому нужна была подходящая система контроля ,которая бы позволяла бы обеспечивать деликатное тестирование вот структурного теста. Мы остановились на системе шприа 4050, где есть режим мягкого касания и возможность тестировать вот такие вот хрупкие изделия.

  Более того в дельта дизайн попробовали провести некий эксперимент,когда у нас есть плата готовая собранная и мы хотим ее протестировать на шприа и есть некорректная конструкторская документация ,выполненная в каком то там другом САПР, системе автоматизированного проектирования,заведомо некорректная. Сделали промежуточный импорт в пикат,тем самым добавив ошибок,и из формата пикат в дельта дизайн. При помощи инструментов дельта дизайн корректировка была произведена схемы ,выпущены насколько возможно производственные файлы при помощи программы обеспечения леонардо,которая в составе шпиа 4050 входит.

  Была получена оставшаяся часть информации , недостающейся так называемой реверс инжениринг, результат- мы смогли полностью плату протестировать,но процесс демонстрирующий изучение платы в системе леонардо. Примеры образцов- нестандартные конструкции, которые можно опечатать, элементы на торцах системы  в корпусе,часть можно делать печатными,моточные изделия,да индуктивности элемент трансформаторы просто отпечатать в виде проводящего рисунка во внутренних слоях,утонение например для батареек ит.д, свч элементы, датчики, антенны и особо тонкие структуры.