Потребность в легких и гибких электронных компонентах продолжает расти, и сегодня особенно востребованы микросхемы на тонкопленочной пластиковой подложке. В статье рассмотрим преимущества подобной микроэлектроники и пример такого изделия — гибкий RFID-чип производства Российского центра гибкой электроники, основанного стартап-студией «ТехноСпарк».
Алексей Гостомельский, Павел Новосёлов
Микроэлектронные изделия на тонкопленочной пластиковой подложке все чаще появляются и в источниках массовой информации, и в повседневной жизни (рис. 1).
Прежде всего это касается гибких дисплеев и сенсоров. Гибкие дисплеи отлично смотрятся как на экранах мобильных телефонов, так и на панелях автомобилей. Гибкие сенсоры используются в новейших рентгеновских аппаратах для диагностики заболеваний и неразрушающего контроля качества на линиях сборки сложной аппаратуры. Сейчас начинают проектировать гибкие микропроцессоры для использования их в будущих поколениях устройств «Интернета вещей».
Все это демонcтрирует быстро растущий интерес к пластиковой электронике, который связан с тремя основными моментами:
• гибкостью;
• весом;
• себестоимостью.
• гибкостью;
• весом;
• себестоимостью.
Гибкость и вес — очевидные качества, которые необходимы для множества электронных устройств (рис. 2, 3). Низкая себе стоимость — важный бонус, который появляется при правильном подходе к проектированию пластиковой электроники. Дополнительно следует отметить ударопрочность изделий, выполненных на тонкопленочной подложке. Гибкий RFID-микрочип для использования в системах контроля доступа, как и всю пластиковую электронику, мы производим на технологической линии Российского центра гибкой электроники (РЦГЭ) в городе Троицк.
Структура микросхемы на гибкой подложке (рис. 4) не отличается от структуры обычной кремниевой микросхемы. Но в отличие от стандартного подхода мы формируем транзисторы на гибкой подложке при низких температурах (~+300 °С), которые не могут повредить полиимид — материал, используемый как основа для формирования полупроводниковых приборов и многоуровневой металлизации. Если формировать транзисторы на основе технологии органических полупроводников, также применяемой в РЦГЭ, то температура техпроцесса будет еще меньше (менее +80 °С), что позволит использовать самую дешевую пластиковую PEN-подложку. Низкая температура не позволяет полупроводниковому материалу кристаллизоваться, и поэтому транзисторы сейчас получаются чуть «медленнее» по сравнению с обычными кремниевыми транзисторами, предназначенными для производства привычных микропроцессоров. В будущем этот разрыв станет уменьшаться за счет применения новых материалов и технологических процессов.
На рис. 5 приведено сравнение тонкопленочного RFID- и традиционного кремниевого чипа.
На рис. 6 показана гибкая микросхема RFID нашего производства. Микросхема представляет собой готовое устройство для контроля доступа и бесконтактной идентификации. Устройство очень гибкое, легкое и дешевое в изготовлении. Оно не требует батарейки для электропитания, поскольку в микросхеме имеется блок преобразования энергии электромагнитного излучения, принимаемого антенной в постоянное напряжение для питания всех блоков микросхемы.
На рис. 7 изображена блок-схема RFID-чипа. Антенна принимает электромагнитный сигнал от базового блока. Электромагнитные колебания преобразуются в постоянное напряжение питания. При поступлении электропитания блок памяти начинает последовательно выдавать цифровой код идентификации, который затем поступает на вход блока модулятора. Блок использует амплитудную модуляцию радиочастотного сигнала. DC/DC-преобразователь применяет принцип на основе заряда матрицы конденсаторов и их коммутации для повышения входного напряжения. Блок управления представляет собой сдвиговый регистр с синхронизацией от встроенного кольцевого генератора.
Для изготовления качественной микросхемы на гибкой подложке необходимо использовать методы компьютерного моделирования и верификации. На рис. 8 изображены результаты такого моделирования. Сейчас мы можем подвести первые итоги работы над созданием гибких микросхем. На примере описания микросхемы RFID можно утверждать, что технология пластиковой электроники на основе аморфных полупроводников имеет огромный потенциал. Можно проектировать сложные цифровые и аналоговые устройства, которые будут гибкими и иметь очень маленький вес, что востребовано в ведущих сегментах российской промышленности. Среди основных потребителей пластиковой электроники — производители носимой электроники, автомобилей и самолетов. Большое внимание мы уделяем производителям медицинской техники.
