Organická elektronika, vláknové lasery

Pokrok v oblasti polovodičových struktur a výrobních technologií umožňuje zvyšovat hustotu integrace na úrovni milionů prvků v jednom pouzdře integrovaného obvodu. Se složitostí prvků se zvyšují ale i nároky na výrobní technologie a montážní procesy. Mezinárodní veletrh technologií elektronické výroby Productronica, který se letos konal v Mnichově od 13. do 16. listopadu, se stal v tomto směru nejen přehlídkou dosaženého stavu, ale i ukázkou některých nových výrobních i montážních technologií. Veletrhu se zúčastnilo 1484 vystavovatelů z 35 zemí, 7 bylo i z České republiky. Návštěvníků přišlo něco přes 40 000, což je u tohoto veletrhu, který letos dosáhl už 17. ročníku, standardní počet za poslední leta. Se zajímavým údajem, tentokrát o rozsahu elektronické výroby, přišel i oborový svaz SIA (Semiconductor Industry Association) ze San José, podle kterého celosvětový obrat při výrobě polovodičů dosáhl za třetí kvartál roku 2007 přes 67 mld. USD (47 mld. eur) a oproti stejnému období v předchozím roce narostl o 5, 9 %. Na veletrhu mají už tradičně svá místa veškeré technologie výroby elektroniky, počínaje výrobou polovodičů, přes desky s plošnými spoji, zpracování materiálu a technologie osazování, až po měřicí a kontrolní techniku, konečnou úpravu produktů či procesy logistiky. Letos na sebe soustředila pozornost opět mikro- a nanoelektronika, zčásti i proto, že nanotechnologie a nanoelektronika se staly jednou z priorit 7. rámcového programu EU. Rozvojem prochází i „organická elektronika“ s využitím polymerů, slibujících možnou náhradu za křemík. Její tempa růstu společně s tištěnou elektronikou odhaduje americký institut pro výzkum trhu IDTechEx od současného obratu 1,18 mld. USD na 40násobek 48,18 mld. dolarů v roce 2017 a na 300 mld. dolarů na konci dalšího desetiletého období v roce 2027. K této skupině elektroniky řadí studie hlavně polovodiče na bázi polymerů, včetně organických pamětí, RFID systémy, organické displeje, LED a OLED systémy, solární fotovoltaiku s články na bázi polymerů a různé typy senzorů. V současné době „organická elektronika“ prochází spíše svým raným vývojovým stádiem, na kterém se ale podílejí všechny špičkové firmy s výrobou elektronických prvků. Merck Chemicals ze Southamptonu ohlásil tak např. výrobu polymeru typu Polythiophene, který svými elektrickými vlastnostmi by měl křemík už velmi dobře nahradit. Obdobných úspěchů dosahují na Technické univerzitě v Ilmenau, kde se podařilo u polymerových solárních článků dosáhnout účinnosti již kolem 5 %. (Pro porovnání - komerčně dostupné solární články dosahují účinnosti kolem 15 %.) Stejně jako „organická elektronika“ patří v elektronice k prioritám způsoby a technologie, umožňující dosáhnout požadované hustoty a miniaturizace. Po generace se v průmyslu vystačilo s rozměry veličin, pro které bylo charakteristické slovní spojení ještě tak s předponami mili 10-3 a mikro 10-6. Dynamika technického rozvoje posledních let zavádí do technické praxe stále více jednotky nižšího řádu, začínající libozvučným nano 10-9 (z řeckého nannos - trpaslík), piko 10-12 (od italského piccolo - malý, nepatrný), femto 10-15 (od řeckého fempten - patnáct). Při jemném obrábění v takové podobě, která by odpovídala tvarovým dimenzím současné mikroelektroniky a posléze i nanoelektroniky, vystupují do popředí prakticky už jen laserové technologie, technologie s vývojem směrem k užší fokusaci laserového paprsku cestou kratší vlnové délky v ultrafialové části spektra, případně pulzní laserové technologie s dosahováním stále kratších délek pulzů při jejich dostatečné energii, ke kterým se v poslední době připojují technologie, využívající tzv. vláknových laserů. Princip těchto vláknových laserů je znám sice už déle, ale ještě donedávna byly vláknové lasery pro nízké dosahované výkony omezené jen na oblast telekomunikací a měřicí techniky. Nové poznatky ve vláknové optice a vyšší výkon budicích laserových diod dávají dnes vláknovým laserům šanci ve všech průmyslových oborech, kde se stávají vážnými konkurenty všech ostatních typů laserů. Tady je třeba si připomenout, že na rozdíl od jiných pevnolátkových laserů (vláknové lasery patří svým principem mezi pevnolátkové lasery) a navíc laserů diodových, kde se optické vlákno používá pro přenos už jen realizovaného výkonu laseru od místa jeho vzniku na místo prováděné operace, pak pro vláknové lasery představuje vlákno místo, kde se teprve laserový paprsek po buzení laserovou diodou generuje. Vlákno tady vykonává stejnou funkci jako u jiných typů laserů krystal ve formě válečku nebo kotouče. Ke generování záření dochází přitom v jádru optického vlákna, dopovaného prvky ze skupiny lanthanoidů (někdy se označují i jako prvky vzácných zemin). Nejčastěji se užívá erbia nebo ytterbia, případně obou těchto látek společně, častý je i praseodym. U těchto laserů se zatím dosahuje asi nejúčinnějšího chlazení, a to po celé délce vlákna. Kompaktní provedení vláknového laseru vyžaduje nízký příkon - jen 1 % oproti požadovanému příkonu u výbojkami čerpaných pevnolátkových laserů. Vynikající je jakost paprsku, při 100 W je možné dosáhnout fokusace paprsku pod 5 ?m, což představuje intenzitu záření přes 109 W/cm2. Vláknový laser dosahuje oproti ostatním typům laserů vyšší účinnosti a zároveň nižší energetické náročnosti. Je zajímavé, a veletrh Productronica to plně potvrdil, jak rychle se přizpůsobí vzájemná konkurence novým technologiím. Vláknové lasery, do nedávna prakticky neznámé, nabízela v provedení vhodném pro elektroniku hned celá řada firem, jako IPG Photonics, Trumpf , Rofin-Sinar či PolarOnyx. Požadavek jakostního řezu i u vysoce citlivých materiálů přivedl na myšlenku využít pro vedení paprsku laseru i vodního sloupce, který by zároveň chladil místo operace. I tady samotná myšlenka není nijak nová, princip vedení optického paprsku vodním sloupcem objevil prof. Colladon ze Ženevské univerzity již před více než 100 lety, ale k praktickému řešení v souvislosti s laserem se dochází až v poslední době, kdy už samotný laser požadavkům elektroniky ne vždy plně stačí. Zásluha na objevení a propracování této hybridní metody patří především švýcarské firmě Synova, které se podařilo za spolupráce Institutu užité optiky Technické vysoké školy v Lausanne uvést novou metodu do průmyslové praxe. Při tomto způsobu se paprsek laseru fokusuje na úroveň trysky vodního sloupce a samotným vodním sloupcem je pak ve fokusovaném stavu veden k místu vlastního řezu. Vodní sloupec s reflekcí na rozhraní voda - vzduch vede laserový paprsek obdobně jako je tomu při jeho klasickém vedení optickým vláknem. Navíc celá tato metoda má oproti jen laserovému řezání hned celou řadu výhod, jako je současné chlazení obrobku, dosažení vyšších řezných rychlostí, vyšší jakost beztrhlinkového čistého řezu a jeho naprosto paralelní tvar při trvale fokusovaném paprsku. Význam využití této metody pro elektroniku potvrzuje i nedávno uzavřená dohoda mezi předním podnikem z oboru vývoje a výroby fotovoltaických komponentů a systémů, německé firmy Manz Automation AG a švýcarské Synova SA. Manz využívá tuto technologii, nazývanou Microjet, především pro řezání monokrystalických a multikrystalických solárních článků. Řešit hustotu integrace v 3-D prostoru pomáhá i způsob označovaný 3-D-MID (Molded Interconnect Devices) se systémy vytváření třírozměrného elektrického propojení s návazností na prvky mechatroniky, o kterém jsme už částečně v Technickém týdeníku informovali. Postupů, kterými je možné prostorového uspořádání ve smyslu technologie 3-D-MID dosáhnout, je hned několik. U všech závisí především na výběru vhodného plastického substrátu, který tvoří základní nosný prvek celého produktu a na jeho schopnostech k pokovování. Nejnovější a také nejefektivnější technologií je zde způsob využívající u modifikovaných polymerů ozáření drah budoucích elektrických propojení laserovým paprskem. Přitom u těchto polymerů dochází na ozářených místech ke změně vlastností substrátu, ozářené stopy získávají schopnost pro pokovování. Stalo se už tradicí, že právě při veletrhu Productronica dochází u způsobů 3-D-MID k udělení cen za nejvhodnější řešení. Z různých návrhů, které se na veletrhu představily, udělilo letos sdružení Forschungsvereinigung Räumliche Elektronische Baugruppen cenu MID Industriepreis firmě LPKF Laser & Electronics za systém propojení elektroniky u plněautomatické spojky pro modelové železniční dráhy a firmě Kromberg & Schubert GmbH & Co.KG za řešení elektrického schématu 3-D skříně převodovky. Atraktivním námětem veletrhu v této skupině exponátů byl ale bezesporu v chodu předváděný miniaturní robot od Heinz Nixdorf Institutu, kde technologií 3-DMID bylo řešené vnější tělo robotu s odpovídajícími dráhami propojení. Vnější rozměry základní části miniaturního robotu, včetně IR senzorů s rozsahem 360o, jsou 86 x 93 x 68 mm (tak byl i předváděn), při provozu jako sběrač míčků stolního tenisu je doplněn ještě potřebným chapadlem. Přes své malé rozměry je robot vybaven veškerou procesorovou technikou pro vyhodnocování situace v reálném čase. K pohonu slouží dva miniaturní motorky s výkonem po 2,8 W. A na závěr menší povzbuzení pro naše podniky. Svou hodnotou nesrovnatelné sice s dotací, kterou např. pro rozvoj nanotechnologií v oblasti nanomagnetismu poskytuje výzkumníkům na hamburské univerzitě ve výši 10 mil. eur na dobu čtyř let Deutsche Forschungsgemeinschaft. Přesto ani podpora, kterou lze získat při udílení cen v každoroční soutěži o nejlepší řešení způsobem 3-D-MID a kam se mohou přihlásit i české firmy není zanedbatelná. A protože příští rok se veletrh Productronica při své dvouleté periodicitě nekoná, dojde k vyhlášení výsledků soutěže pro rok 2008 v rámci 8. mezinárodního kongresu MID 2008 v září příštího roku v městě Fürth nedaleko Norimberku. /jš/