Микро- и наносистемы становятся все меньше и все «умнее»

Главными движущими силами технологических изменений в XXI в. стали интеллектуализация и миниатюризация технических систем. Развитие информационных, исполнительных и сенсорных компонентов и их объединение на базе нано-и микросистемной техники (НМСТ) легло в основу этих процессов. В результате были созданы малоразмерные технические объекты с развитыми возможностями взаимодействия с внешней средой. Они незаменимы для развертывания «цифровой революции» в промышленности и для создания таких приложений, как беспилотные системы вождения, Интернет вещей, интеллектуальные инфраструктуры. К примеру, уже сегодня около 10% ВВП в европейских странах напрямую связано с микро- и наноинженерией.

В последние годы наносистемная техника (НСТ), берущая свое начало в интегральных технологиях микроэлектроники, превратилась в сегмент с богатым разнообразием конструктивных и технологических направлений. Основой будущего наносистем должна стать унификация их компонентов на функциональном, конструктивном и информационном уровнях. Традиционный подход к развитию НСТ, связанный с последовательным уменьшением размеров путем различного рода обработки: литографии, травления и т.д. (так называемый подход «сверху-вниз»), имеет свои технологические ограничения. В качестве альтернативы выступает применение новых материалов и нанотехнологий при создании наносистем (подход «снизу-вверх») и внедрение технологий самоорганизации.

Версия для печати: 

Микро- и наносистемы становятся все меньше и все "умнее"

 

МИНИАТЮРИЗАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Уменьшение размеров и переход к наноуровню имеют свои ограничения. Они связаны с физическими принципами работы микро- и наносистем, необходимостью одновременно уменьшать все компоненты наноэлектромеханических систем (НЭМС). Пределы миниатюризации техники наноуровня связаны с различными эффектами масштабирования. При снижении линейных размеров изменяется, к примеру, соотношение площади поверхности конструкции к ее объему.

При создании наносистем все чаще применяются методы построения объектов на основе подхода «снизу-вверх», опирающегося на процессы самосборки и самоорганизации, природные способы создания материальных объектов. К таким процессам можно отнести синтез и сборку, осаждение материала, легирование, имплантацию. Применение подобных нанотехнологических методов позволяет вывести наносистемную технику на качественно новый уровень развития.

---

---

 

Эффекты  Появление наносистем на основе новых принципов считывания и обработки информации  Расширение номенклатуры датчиков и систем  Появление нового типа электронных устройств  Развитие медицины и биотехнологий на новом уровне  Развитие Интернета вещей

Оценки рынка до $3,7 млрд к 2019 г. вырастет рынок НМСТ на основе новых материалов и принципов считывания ($1,6 млрд — в 2013 г.) (среднегодовой темп роста — 15%) $225 млн к 2020 г. составит объем рынка литографического оборудования для сектора НМСТ, корпусированияи LED-технологий (в 2014 г. — $150 млн)

Драйверы и барьеры  Развитие нано- и биотехнологий  Использование существующих технологических решений микроэлектроники и других секторов  Уменьшение габаритов наносистем, ведущее к снижению точностных характеристик  Возникновение нежелательных физико-химических эффектов при уменьшении размеров микросистем  Необходимость более тщательного контроля параметров и характеристик

---

 

---

 

Международные научные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Возможность альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на высоком уровне и способных на равных сотрудничать с мировыми лидерами

КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ И УНИФИКАЦИЯ

Спектр применения микросистем очень широк, еще более многогранны конструктивно-технологические варианты их исполнения. Зачастую технологический процесс разрабатывается под конкретное изделие. Подобное разнообразие накладывает ограничения на сопряжение различных изделий нано- и микросистемной техники, их интеграцию в технические системы. В связи с этим для сегмента НМСТ актуальна задача стандартизации средств проектирования, технологий производства, обработки сигналов, взаимодействия наносистем между собой и с другими электронными компонентами.

Стандартизация, в свою очередь, способствует объединению различных датчиков, систем в едином функциональном узле и увеличению многообразия выполняемых функций. Выработка единых протоколов взаимодействия компонентов и методов тестирования дает возможность совместно использовать изделия разных производителей. Унификация готовых изделий определяет параметры выходных сигналов, технологии корпусирования с учетом требований сборки и монтажа,питания датчиков. Совместная обработка данных, поступающих одновременно от разных датчиков (которые автоматически обмениваются информацией между собой), позволяет снизить количество ошибок.

---

---

 

Эффекты  Развитие робототехники и автономных транспортных систем (систем машинного зрения; навигационных систем)  Упрощение взаимной интеграции между разными видами технических систем: создание единых протоколов обмена информацией; унификация технологии сборки и монтажа различных компонентов на едином носителе; унификация требований к различного вида устройствам на уровне проектирования  Совершенствование биомедицинских технологий: дистанционная диагностика и лечение; миниатюрные системы диагностики и анализа; контроль биологических процессов на клеточноми молекулярном уровне  Развитие «умного» сельского хозяйства: сенсоры контроля состояния почвы и растений, системы автоматического питания растений и обработки почвы и т.д.

Оценки рынка $3,5 млрд к 2020 г. составит объем рынка комбинированных навигационных систем

Драйверы и барьеры  Развитие индустрии автономного дорожного движения и беспилотных летательных аппаратов  Развитие рынков виртуальной и дополненной реальности  Применение наносистем в новых областях промышленной и бытовой электроники  Повышение барьеров входа на рынок для малых компаний из-за доминирования крупных производств с отлаженными технологическими цепочками  Увеличение затрат на проектирование изделий из-за усложнения их функций

---

---

Международные научные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Заделы» – наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ КОРПУСИРОВАНИЯ И 3D-СБОРКИ

Разнообразие конструкций наносистем и технологий их создания требует появления единых решений в области сборки и корпусирования (герметизация в корпусе для защиты от негативных внешних воздействий и/или оптимизации эксплуатационных характеристик). Такие технологии определяют возможности дальнейшего повышения степени интеграции наносистемной техники, улучшения функциональных параметров и снижения себестоимости производства.Унификация технологий сборки и монтажа компонентов наносистем, возможности создания сложных функциональных узлов позволят расширить сферу применения микросистем, сделают их производство еще более массовым.

Сложность корпусирования в сравнении с интегральными схемами обусловлена наличием трехмерных компонентов и необходимостью создания капсулированного микрообъема. Корпусирование типа «пластина-к-пластине», использование поверхностной микрообработки позволяют существенно уменьшить габариты наносистем. Применение технологий 3D-сборки сделает возможным и интеграцию наносистемы с другими электронными компонентами, увеличение быстродействия и надежности готовых изделий.

---

---

 

Эффекты  Снижение массогабаритных показателей изделий с применением датчиков и систем  Развитие беспроводных сенсорных сетей и Интернета вещей  Выход электроники за пределы КМОП (комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник) путем применения новых способов взаимодействия устройств с внешней средой

Оценки рынка $30 млрд достигнет рынок корпусирования к 2020 г. (в 2014 г. — $20 млрд) (среднегодовой темпроста в 2014–2020 гг. — 7%) $2,5 млрд к 2021 г. составит прогнозный объем рынка FoWLP (корпусирование на уровне пластин с отводом наружу — Fan-out Wafer-Level Packaging(в 2015 г. — $244 млн). До 2018 г.среднегодовой темп прироста будет на уровне 80%, далее ожидается замедление среднегодового темпа роста до 20% в год

Драйверы и барьеры  Развитие технологий Интернета вещей  Активный рост потребления наносистем в области биоэлектроники, бытовой и промышленной электроники, автомобилестроения, авиационной и космической промышленности, военной техники и др.  Усложнение технологий приведет к удорожанию производства МЭМС, преобладанию на рынке крупных игроков  Отсутствие единых стандартов корпусирования, сборки и монтажа микро- и наносистем

---

---

Международные научные публикации

Международные патентные заявки

Уровень развития технологии в России «Заделы» – наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований