Anche se l'elettronica flessibile è in circolazione da anni, sia come pcb flessibili che come elettronica genuinamente stampata, c'è sempre stato un compromesso tra flessibilità e capacità. I circuiti con pochi transistor stampati basati su semiconduttori organici potevano essere stampati su substrati flessibili ma non erano generalmente in grado di elaborare dati significativi. D'altra parte, grazie al rispetto della legge di Moore, i circuiti integrati in silicio (circuiti integrati) molto capaci sono incredibilmente economici per transistor, ma impongono un fattore di forma rigido e richiedono un attento posizionamento su un substrato.
L'elettronica ibrida flessibile (FHE) pone fine a questo compromesso. Promette di combinare l'ampia capacità di elaborazione dei circuiti integrati con un fattore di forma flessibile e con interconnessioni conduttive stampate piuttosto che incise. Questa combinazione di attributi apre un'ampia gamma di possibilità di applicazione, in molti settori industriali diversi. Infatti, il nuovo rapporto di IDTechEx ritiene che potrebbe trattarsi di un mercato da 3 miliardi di dollari entro il 2030.
Elettronica onnipresente
La società di ricerche di mercato globale IDTechEx ritiene che l'FHE fornisca un approccio tecnologico convincente per la visione dell'elettronica onnipresente. La combinazione di flessibilità, capacità di processo/comunicazione e, in ultima analisi, compatibilità con metodi di produzione continua a basso costo e ad alto volume è unica per l'FHE, ma altamente applicabile a molti settori diversi. Il nuovo rapporto FHE identifica cinque settori di applicazione principali: imballaggio intelligente, monitoraggio indossabile/sanitario, elettronica di consumo, monitoraggio industriale/ambientale e automobilistico/aeronautico. Per ogni settore applicativo, gli analisti di IDTechEx valutano una serie di prototipi di diversi produttori/centri di ricerca, e per ogni sottosettore applicativo delineano gli attributi dei circuiti richiesti, le tecnologie e il loro livello di preparazione tecnologica. Questa conoscenza viene poi impiegata nella costruzione di previsioni di mercato dettagliate, sia per volumi che per ricavi, per ogni sottosettore applicativo.
Sensori RFID
Forse l'opportunità più interessante per l'FHE è l'ubiquità, a basso costo, dei sensori RFID abilitati in modalità wireless. Questi potrebbero essere impiegati nel monitoraggio industriale e ambientale e nel packaging intelligente. Tale capacità è un prerequisito per la visione dei dispositivi collegati e per l'"Internet delle cose", in cui i dati provenienti da una gamma sempre più ampia di oggetti vengono trasmessi al cloud prima di applicare l'apprendimento automatico. Attualmente, i tag RFID passivi sono generati da un miliardo di persone. Infatti, IDTechEx ha analizzato il mercato RFID fin dai primi anni 2000 e stima che circa 18 miliardi di tag RFID saranno prodotti nel 2020 (vedi il rapporto IDTechEx intitolato "RFID Forecasts, Players and Opportunities 2019-2029" per un'analisi completa dell'industria globale RFID).
Le etichette RFID passive sono in grado di comunicare con un lettore solo quando sono indirizzate in modo specifico. Inoltre, come suggerisce il nome, la loro unica funzionalità è l'identificazione. L'FHE abiliterebbe i "sensori RFID" che possono monitorare altri attributi come la temperatura, l'umidità, lo stress e la deformazione ad intervalli specificati, e quindi trasmettere queste informazioni ad un lettore o tramite reti wireless.
Si pensi al prototipo di sensore multimodale della Boeing, che potrebbe essere applicato ad apparecchiature industriali grandi e piccole per trasmettere le informazioni via Bluetooth e così aiutare a prevedere i guasti delle apparecchiature e di conseguenza migliorare la produttività. Un secondo esempio è un prototipo di sensore della Wiliot, che ha capacità Bluetooth ma non include una batteria a film sottile, che invece raccoglie l'energia elettromagnetica dall'ambiente circostante. Un approccio senza batteria sembra una strada promettente verso i sensori RFID onnipresenti, poiché le batterie a film sottile hanno una capacità limitata e aumenteranno le dimensioni del dispositivo, i costi e la complessità di produzione.
Innovativi circuiti integrati assottigliati
Una tale visione richiederà che tali sensori RFID siano prodotti in volumi molto grandi con un basso costo per unità. Ciò richiede R2R (produzione roll-to-roll), attualmente impiegato per i tag RFID passivi. L'adattamento di questo metodo a FHE introduce alcune sfide considerevoli, poiché i circuiti FHE richiedono uno stampo assottigliato, e probabilmente altri componenti passivi, da montare su un substrato flessibile.
Rispetto ai circuiti integrati RFID di base che hanno funzionalità molto limitate, i circuiti integrati FHE assottigliati (per esempio un modulo con ADC e UHF RFID che misura 2,2 mm per 2,3 mm per 25 um) hanno rapporti di aspetto molto più alti e più pad I/O, aumentando sia la fragilità che i requisiti di registrazione durante il posizionamento. I coefficienti di espansione termica differenziale tra i substrati polimerici e i circuiti integrati in silicio pongono ulteriori sfide per un fissaggio robusto, in particolare se il circuito deve essere esposto ad un'ampia gamma di temperature, come ad esempio nelle applicazioni automobilistiche.
Data questa sfida, la produzione, la manipolazione e il fissaggio degli stampi assottigliati rappresentano un'area molto innovativa. Per saperne di più sullo stato, sulle sfide e sulle innovazioni in R2R e/o sul pick-and-place dei circuiti integrati flessibili nell'elettronica ibrida flessibile, si veda il nuovo rapporto di IDTechEx "Flexible Hybrid Electronics 2020-2030: Applications, Challenges, Innovations and Forecasts". IDTechEx prevede che i sensori RFID cominceranno ad essere ampiamente adottati nel 2025, con oltre 5 miliardi di unità vendute all'anno entro il 2030.
Da PI a PET
Naturalmente, l'adozione diffusa dei sensori RFID richiede che siano il più economici possibile. Ciò preclude l'uso di costosi substrati in PI (poliimmide), che saranno probabilmente sostituiti con PET (e persino carta per applicazioni di imballaggio intelligente).
Questa transizione nei materiali di substrato impone delle sfide, in quanto la saldatura convenzionale senza piombo (SnAgCu) non può più essere utilizzata. Lo sviluppo di metodi di fissaggio dei componenti compatibili con i substrati termicamente fragili è un'area di innovazione, che comprende sia la saldatura a bassa temperatura, sia i nuovi adesivi conduttivi anisotropi, sia la saldatura fotosintetizzata.
Per saperne di più sui meriti, lo stato, le caratteristiche e le limitazioni delle prestazioni, il costo, la tabella di marcia, gli innovatori e i fornitori di queste tecnologie di fissaggio a bassa temperatura, si prega di consultare il nuovo rapporto IDTechEx: "Flexible Hybrid Electronics 2020-2030 Applications, Challenges, Innovations and Forecasts".
Un'opportunità per l'inchiostro conduttivo
L'inchiostro conduttivo, necessario per le interconnessioni stampate in un circuito FHE, offre un'altra opportunità per ridurre i costi. Attualmente, la maggior parte degli inchiostri conduttivi è a base di argento, ma sono intrinsecamente costosi a causa del prezzo del metallo argento (circa 400 $/kg). Gli inchiostri a base di rame sono potenzialmente molto più economici, ma da tempo soffrono di un'ossidazione indesiderata che riduce la conducibilità. Lo sviluppo di inchiostri stabili a base di rame con conducibilità almeno equivalente a quella degli inchiostri all'argento, mentre la riduzione dei tempi di polimerizzazione e delle temperature per facilitare una produzione rapida con substrati termicamente fragili è quindi un'area sostanziale di innovazione. Tutte queste tendenze innovative sono ampiamente discusse nel rapporto IDTechEx, recentemente aggiornato, intitolato "Conductive Ink Markets 2020-2030: Forecasts, Technologies, Players".
Un elegante compromesso
In sintesi, FHE è un nuovo approccio ai circuiti elettronici che colma il divario tra l'elettronica stampata e quella convenzionale, combinando la flessibilità con la capacità di elaborazione, insieme al potenziale per metodi di produzione sia agili che continui. Questa combinazione di attributi è ideale per applicazioni quali l'imballaggio intelligente, i dispositivi indossabili e il monitoraggio industriale/ambientale. Le sfide, e quindi le aree di innovazione, sono la transizione verso substrati più economici e fragili dal punto di vista termico e quindi metodi di fissaggio a bassa temperatura, l'abbassamento dell'inchiostro conduttivo e la compatibilità della produzione di circuiti FHE con la produzione R2R.
Il nuovo rapporto di IDTechEx, "Flexible Hybrid Electronics 2020-2030: Applications, Challenges, Innovations and Forecasts", offre un'analisi completa di questa frontiera tecnologica emergente. Gli analisti di IDTechEx hanno valutato e seguito le tecnologie e i mercati dell'elettronica stampata per oltre un decennio. Questo rapporto si basa su una nuova ricerca primaria che include interviste e visite aziendali con tutti gli attori chiave a livello mondiale. Esso identifica ed esamina tutte le principali tendenze di innovazione nei materiali e nei sistemi di produzione, coprendo i materiali di fissaggio, il substrato e la metallizzazione, nonché le tecniche di produzione, comprese le tecniche di stampa pick-and-place ad alta produttività e varie tecniche di stampa S2S e R2R. Questo rapporto costruisce una roadmap delle applicazioni, mostrando come FHE crescerà in complessità dai semplici tag RFID di oggi alle complesse elettroniche ibride flessibili del futuro, consentendo applicazioni nel packaging intelligente, nel monitoraggio industriale e nei dispositivi indossabili e altro ancora. Offre perciò un'analisi approfondita della tempistica delle applicazioni, delle sfide e delle opportunità di innovazione.
