Наш мир стоит на пороге технологического прорыва, новой технологической революции. Ее неотъемлемой частью станет развитие электроники как большой индустрии. Эта индустрия уже проходит красной нитью через жизнь всех людей и каждый бизнес. Но дальше от отрасли ждут новых скоростей, расширенных возможностей и большего проникновения в деятельность человека. Именно на это нацелено огромное количество научных исследований и технологических разработок.
В данной статье мы обсудим важность научных исследований, инновационные материалы в электронике, их роль в эффективной работе устройств и сырье для новых материалов.
Из чего «пошита» электроника
Пользуясь мобильным телефоном или, скажем, феном, люди не задумываются, из каких материалов он изготовлен. Помимо функционала, пользователю важно, как это устройство лежит в руке, насколько приятны тактильные ощущения, какой дизайн и так далее. Вопрос о влиянии того или иного материала на работоспособность девайсов, привычных в обиходе, занимает далеко не всех.
На промышленных предприятиях происходит примерно то же. Используя электронное оборудование, специализированные устройства и современные машины, рабочий не задумывается, из чего они состоят. Для производства важны выходные характеристики оборудования, его качество, долговечность и эффективный диапазон работы.
При этом в основе любого электронного устройства лежит использование комплектующих, созданных с помощью разных материалов. Это можно сравнить с одеждой, которая приобретает разные характеристики в зависимости от тканей, из которых она пошита – шелк, ситец, лен шерсть и т.д. Разный состав материала обеспечивает разный функционал, разные визуальные, тактильные, защитные свойства. При этом, если пошить платья одного фасона из дорогого шелка и дешевого ситца, защитные функции у них будут схожими, но «сидеть» и «дышать» изделия будут по-разному, потребуют разный уход, продемонстрируют разную носкость.
Так и в электронике. Те или иные материалы могут обеспечивать разные функционалы, выходные параметры, сроки эксплуатации и пр.
Чего ждут современные пользователи от электроники
Сегодня социальные, экономические и геополитические условия требуют от инфраструктуры внутренних процессов новых параметров, новых мощностей. Телекоммуникационные системы, перегруженные, информацией нуждаются в расширении каналов связи. От телефонов ждут больших скоростей, от автомобилей – перехода на альтернативные виды энергии. Ожидания, которые подталкивают электронные устройства к изменению и расширению функционала, можно перечислять бесконечно.
От чего зависят эти изменения и расширения? Конечно, от проектирования самого устройства, от выбранных материалов и технологий. В зависимости от набора конечных параметров разработчики подбирают специальные материалы, которые могут обеспечить тот или иной функционал. Например, хороший теплоотвод, проводимость сигнала на нужных частотах или стойкость к негативным воздействиям (радиация, холод и т.д.) Набор параметров необходимых пользователю, постоянно растет, как и разнообразие свойств современных материалов.
Надо отметить, что довольно редко в комплектующих используются сверхчистые материалы, буквально из таблицы Менделеева. Как правило, берут композиты, то есть искусственные соединения, созданные человеком из тех самых элементов таблицы Менделеева. Сочетание знаний из двух наук – химии и физики – дает возможность прогнозировать, как именно тот или иной композит проявит себя в соответствующих условиях. Подключение к команде инженеров позволяет рассчитать поведение комплектующих, изготовленных на основе разных композитов.
Примеры материалов. «Умная» фольга (SmartFoil)
Рассмотрим два кейса нашей компании, чтобы проиллюстрировать влияние материалов на производственный процесс и качество конечного продукта – электронного оборудования.
Начнем с монтажа. Все понимают, что до передачи пользователю электронного устройства или оборудования (от смартфона до станка с ЧПУ), проходит процесс монтажа. По сути, это крепление одних элементов к другим в рамках производства. Новые материалы позволяют улучшать этот технологический процесс.
Наша компания разработала материал SmartFoil, который помогает ускорить монтаж электронного оборудования или электронных устройств. Он делает этот процесс более технологичным, качественным, сокращает количество технических операций.
Данный материал отличается тем, что внутри него происходят особые химические процессы, которые позволяют проводить одновременно пайку одних элементов к другим без использования каких-то сложных приборов и оборудования. Пайка происходит за счет химической реакции – самонагрева внутри композита.
Казалось бы, операция пайки чрезвычайно проста. Нужно взять припой (припоем называется некий металл, температура плавления которого ниже температуры плавления соответствующих поверхностей, в которую необходимо скрепить), и нагреть его. Нагревание обычно происходит с помощью внешнего воздействия. Для него используют паяльную печь, паяльный стол, паяльный фен и даже самый простой ручной паяльник. Процесс пайки сопровождается дополнительными процедурами очистки и подготовки поверхностей, постмонтажными очистками и т.д. Но наш материал отвечает непосредственно за соединение.
SmartFoil совмещает в себе и нагреватель, и припой, температура плавления которого ниже, чем температура плавления окружающего пространства или деталей, которые необходимо спаять. Однако кроме припоя, «умная» фольга содержит химические соединения, которые при определенных условиях взаимодействуют друг с другом, выделяя тепло. Таким образом нагрев идет не из внешней среды, а изнутри самого материала. Получается самонагревающийся припой. Именно это позволяет ускорить процесс монтажа и сделать его дешевле. Кроме того, когда нагреватель содержится внутри материала, это позволяет решить некоторые технологические задачи, невозможные при обычных, классических методах нагрева извне.
Таким образом, замена одного материала на другой дает возможность изменить технологии, расширить возможности конечного продукта и получить дополнительную рентабельность производства.
Примеры материалов. Жидкокристаллические полимеры
Вторым примером новых материалов в электронике является использование изделий и комплектующих из жидкокристаллических полимеров.
Жидкокристаллические полимеры – целый класс искусственно созданных веществ. Это полимерные соединения, которые по внутренней структуре очень напоминают жидкость или стекло. Хотя напрямую сравнивать их в чистом виде со стеклом нельзя, в них есть так называемые цепочки полимеризации, структуры, которые относят данные вещества к полимерам. Почему их называют жидкокристаллическими? Это не простые полимеры (как обычный полиэтиленовый пакет или пластиковая коробка). В их структуре наблюдается другого рода кристаллическая решетка, близкая к свойствам стекла.
Чем интересны эти полимеры, и почему мы говорим о них, а не об обычных пластиках, силиконе или полиэтилене? Дело в том, что данный класс соединений при определенных условиях проявляет уникальные свойства. Например, если большинство полимеров при нагреве становятся более мягким и хрупким, иногда просто плавятся, то кристаллические полимеры при нагреве твердеют, приобретают прочность. Безусловно, это происходит не бесконечно, только до определенной температуры.
Это свойство используется при изготовлении деталей электронных устройств (разъемов, креплений, корпуса и др.), которые будут в процессе эксплуатации подвергаться перепадам температуры. Например, это важно для телекоммуникационного оборудования, которое предназначено для передачи сигналов. Для него недопустимы сбои при больших перепадах температур. Поэтому материалы, из которых сделаны элементы такого оборудования, должны обладать рядом параметров, которым удовлетворяют в том числе жидкокристаллические полимеры.
Еще одно достоинство полимеров – легкость. Вес имеет большое значение, особенно когда речь идет о габаритном устройстве, внутри которого используется множество разъемов, элементов, креплений, а корпус представляет собой довольно массивную конструкцию. Примером могут служить устройства для электромобилестроения, начинающего развитие в нашей стране.
Чем меньше вес электрокара, тем большее расстояние он преодолевает без подзарядки. Поэтому корпуса батарей, разъемы выходных устройств и драйверов, антенные системы и множество других элементов изготавливаются из полимеров. Они достаточно легкие, при этом демонстрируют свойства, не уступающие металлам, керамике и другим традиционным материалам.
Использование жидкокристаллических полимеров невероятно развито сейчас в Китае и многих других странах, выпускающих электронику. Российский рынок пока только начинает знакомиться с этими продуктами – новыми, недорогими, легкими и эффективными.
Компания SNDGroup в настоящее время активно работает с изделиями из этого рода материалов на китайском рынке и может способствовать внедрению их в России. Для этого у нас имеются необходимые эксперты, и наработан серьезный опыт, которым мы готовы делиться.
Трудность внедрения жидкокристаллических полимеров в России
В нашей стране почти во всей (до 95%) конструкторской документации прописаны другие материалы. То есть варианты использования жидкокристаллических полимеров не предусмотрены. Чтобы предприятие перешло на новую технологию, ему нужно отказаться от утвержденных техпроцессов, т.е. изменить документацию. На это может уйти много времени, потребуются усилия и, конечно, желание всех участников от владельца бизнеса до линейных сотрудников.
На этом этапе наша компания может оказать поддержку. Мы осуществляем сопровождение каждого из процессов внедрения новой технологии. Например, помогаем в проведении испытаний, берем на себя роль независимого испытательного верифицированного центра с выдачей сертификата государственного образца на испытания.
Наши специалисты адаптируют новые материалы под существующие технологические процессы, добиваясь максимального снижения затрат заказчика на внедрение. Мы оказываем сопровождение оформления конструкторской и технической документации на новые техпроцессы, учитывающие использование новых материалов.
Производство жидкокристаллических полимеров, сырье
Пока изделия из жидкокристаллических полимеров производятся за границей, например, в Китае, где имеется сырье для этой продукции.
Сырьем является жидкокристаллический полимер, который формируется в виде небольших гранул. Каждая гранула представляет собой столбик диаметром 3-5 мм и длиной около 1 см. Эти гранулы засыпаются в специальное экструзионное устройство (или устройство переплавления и дальнейшей полимеризации). В нем проходит литье изделий – под давлением, в специальную форму.
Сам технологический процесс литья полимера под давлением – не новый для нашей страны. Однако жидкокристаллические полимеры в РФ не производится. Зато их производят наши партнеры в Китае. Сейчас мы активно работаем с ними в надежде, что постепенно наша экспертиза позволит локализовать производство в промышленном секторе России. Мы уверены, что расходные материалы, сырье и изделия из жидкокристаллических полимеров скоро будут внедрены в радиоэлектронную отрасль нашей страны.