VIGO Photonics opracuje detektory podczerwieni do montażu SMT

VIGO Photonics rozpoczął realizację projektu badawczo-rozwojowego dotyczącego detektorów średniej podczerwieni przystosowanych do montażu powierzchniowego. Przedsięwzięcie prowadzi konsorcjum, którego liderem jest VIGO Photonics, a partnerem Wojskowa Akademia Techniczna w Warszawie.

Całkowita wartość projektu wynosi 19,96 mln PLN, z czego 12,08 mln PLN stanowi dofinansowanie z Funduszy Europejskich. Środki przyznano w ramach programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki (FENG), inicjatywy STEP realizowanej przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.

Projekt rozpoczął się 1 kwietnia 2025 roku i potrwa do 30 września 2029 roku. Rezultatem ma być opracowanie kompletnej technologii umożliwiającej wdrożenie nowych detektorów do produkcji w VIGO Photonics.

Detektory podczerwieni przystosowane do automatycznego montażu

Jednym z głównych ograniczeń stosowanych obecnie detektorów średniej podczerwieni jest sposób ich montażu. Wiele dostępnych na rynku komponentów wykorzystuje obudowy typu TO (Transistor Outline), przeznaczone do tradycyjnych metod integracji z układami elektronicznymi.

Takie rozwiązania utrudniają miniaturyzację urządzeń i ograniczają możliwości wykorzystania standardowych, zautomatyzowanych procesów produkcyjnych.

VIGO Photonics chce opracować rodzinę niechłodzonych detektorów pracujących w zakresie długości fal od 3 do 5 µm, które będzie można montować bezpośrednio na płytkach elektronicznych z wykorzystaniem technologii SMT.

Powstaną dwie grupy produktów: detektory i zintegrowane moduły zoptymalizowane dla długości fali 3,3 µm oraz 5,0 µm.

Kluczowym wyzwaniem jest zapewnienie odporności struktur półprzewodnikowych i obudów na temperatury występujące podczas lutowania bezołowiowego. Nowe detektory mają wytrzymywać temperaturę do 270°C, co umożliwi ich montaż na standardowych liniach SMT.

Jak podkreśla Grzegorz Potyralski, starszy inżynier rozwoju produktu w VIGO Photonics, dostosowanie detektorów do montażu SMT wymaga rozwiązania kilku istotnych problemów technologicznych:

- Głównym wyzwaniem technologicznym w przystosowaniu detektorów średniej podczerwieni do automatycznego montażu powierzchniowego jest konieczność zapewnienia pełnej odporności termicznej struktury półprzewodnikowej oraz jej połączeń na proces bezołowiowego lutowania rozpływowego (temperatury rzędu 250°C–270°C), przy jednoczesnym zachowaniu parametrów detekcyjnych i hermetyczności miniaturowej obudowy. Przystosowanie sensora wymaga opracowania nowej architektury warstw epitaksjalnych i powłok pasywacyjnych chroniących chip przed degradacją termiczną.

Grzegorz Potyralski wyjaśnia, w jaki sposób VIGO Photonics zamierza zwiększyć odporność termiczną struktur półprzewodnikowych oraz jakie technologie rozważa jako alternatywę dla tradycyjnych połączeń drutowych:

- Rozwiązanie obu problemów wymaga działań komplementarnych, ponieważ wytrzymałość termiczna dotyczy nie tylko konstrukcji samej struktury, ale również alternatywnej metody łączenia do wire-bondingu. W przypadku samej konstrukcji struktury należy opracować całkowicie nową architekturę warstwy z materiałów III-V, która nie będzie się degradować pod wpływem wysokiej temperatury panującej w piecu lutowniczym. W tym obszarze posiadamy już pewne doświadczenie — opracowaliśmy podobne struktury w przeszłości, które teraz będą dla nas bazą wyjściową jedynie wymagającą dopracowania. Oczywiście nadal będziemy musieli przeprowadzić szereg symulacji oraz wyprodukować warstwy testowe. Kolejnym punktem jest opracowanie pasywacji, która bezpośrednio zabezpieczy strukturę przed degradacją czasową. Tutaj również mamy już pewne doświadczenia, z które przeszłości wymagają dopracowania.

- Całkowitą nowością będzie dla nas zastąpienie wire-bondingu. Operacja ta wymaga przeprowadzenie testów różnych dostępnych technologii mikromontażu i wybór optymalnej metody dla naszych potrzeb. Obecnie rozważamy trzy technologie łączenia: lutowanie stopem eutektycznym (o wyższej temperaturze topnienia niż klasyczne łączenie bezołowiowe), zgrzewanie ultratermokompresyjne i klejenie spoiwami przewodzącymi. Wszystkie są odporne na działanie wysokiej temperatury. Czeka nas szereg testów. Ten etap zrealizujemy wspólne z podwykonawcą, który wesprze nas swoim doświadczeniem. Po opracowaniu odpowiedniej metody nastąpi transfer technologii do naszej linii produkcyjnej.

Detektor i układ ASIC w jednej obudowie

Projekt obejmuje również opracowanie dedykowanego, niskoszumowego układu odczytowego ASIC, dostosowanego do parametrów detektorów średniej podczerwieni.

Zostanie on zintegrowany ze strukturą detekcyjną w jednej hermetycznej obudowie ceramicznej. Takie rozwiązanie ma ograniczyć wymiary modułu, uprościć jego integrację z elektroniką urządzenia i obniżyć koszt jednostkowy.

Docelowy moduł ma mieć wymiary 8 × 8 mm, objętość 256 mm³ i masę poniżej 0,5 g.

Układ odczytowy ma być wielokanałowy, co zwiększy funkcjonalność modułów i rozszerzy zakres ich zastosowań.

Jak wyjaśnia Grzegorz Potyralski, przy projektowaniu układu ASIC VIGO Photonics wykorzysta wyniki wcześniejszych prac badawczo-rozwojowych. Firma planuje również zastosowanie nowego rozwiązania w innych produktach ze swojego portfolio:

- Projekt przewiduje kompletne opracowanie dedykowanego układu scalonego wraz z jego późniejszym wytworzeniem oraz wdrożeniem do pełnej produkcji masowej. Projekt nie będzie realizowany całkowicie od zera. Jego podstawą będą nasze dotychczasowe prace, które teraz będziemy rozwijać. Dzięki naszym doświadczeniom już wiemy co się sprawdza, a co nie. Zamierzamy przeprowadzić działania aż do etapu zamówienia pełnego zestawu masek i przeprowadzania produkcji testowej.

- Projektowany układ, ma dużo większy potencjał niż tylko ten zawarty w projekcie. Docelowo ma on być na tyle uniwersalny, by pokryć możliwie najszerzej nasze portfolio detektorów IR. Pozwoli to na implementację opracowanego ASIC-a również w innych naszych produktach, a w przyszłości uniezależnienie się od dostępności komponentów krytycznych, jakim są precyzyjne wzmacniacze operacyjne. Wysoka skala produkcji, a co za tym idzie niska cena jednostkowa, ograniczy koszty produkcji i pozwoli wejść nam na rynek urządzeń konsumenckich.

Grzegorz Potyralski wyjaśnia również, co opracowywana technologia będzie oznaczać dla producentów elektroniki i firm świadczących usługi EMS:

- Opracowane detektory, układy scalone, ale i całe zintegrowane moduły detekcyjne (detektor wraz z elektroniką w jednej obudowie) będą przystosowane do standardowych operacji montażu powierzchniowego. Oznacza to tyle, że producenci elektroniki oraz firmy EMS nie będą musiały spełniać żadnych dodatkowych i niestandardowych wymagań.

Technologia półprzewodnikowa bez rtęci i kadmu

Nowe detektory będą wykorzystywać struktury półprzewodnikowe wykonane z materiałów grup III–V, w tym supersieci typu II (T2SL).

Technologia ta ma umożliwić wyeliminowanie rtęci, kadmu i telluru, stosowanych w niektórych rozwiązaniach detekcyjnych, oraz zapewnić zgodność nowych produktów z wymaganiami dyrektywy RoHS.

Połączenie materiałów III–V, technologii montażu powierzchniowego i dedykowanego układu ASIC ma stworzyć podstawę nowej rodziny komponentów optoelektronicznych przeznaczonych do produkcji seryjnej.

VIGO Photonics zakłada, że nowe detektory znajdą zastosowanie przede wszystkim w urządzeniach wymagających niewielkich wymiarów, niskiej masy i możliwości automatycznego montażu elektroniki.

W medycynie mogą być wykorzystywane w nieinwazyjnych systemach diagnostycznych analizujących skład wydychanego powietrza i wykrywających biomarkery chorób.

W przemyśle przewidziano zastosowania w analizie gazów, monitorowaniu procesów produkcyjnych, kontroli jakości żywności oraz wykrywaniu emisji gazów cieplarnianych.

W sektorze motoryzacyjnym i transportowym potencjalne zastosowania obejmują bezkontaktowe pomiary temperatury, wykrywanie przegrzewania podzespołów oraz wczesną detekcję zagrożeń pożarowych.

VIGO Photonics przygotowuje technologię do produkcji

Projekt ma zakończyć się nie tylko opracowaniem prototypów, ale również przygotowaniem wszystkich etapów technologicznych niezbędnych do rozpoczęcia produkcji nowej rodziny detektorów w VIGO Photonics.

Firma zamierza kierować produkty przede wszystkim na rynki międzynarodowe, do producentów systemów optoelektronicznych korzystających z automatycznego montażu powierzchniowego.

Grzegorz Potyralski wyjaśnia, gdzie VIGO Photonics zamierza produkować nowe detektory i układy ASIC oraz jakie znaczenie projekt ma dla dalszego rozwoju firmy:

- Oczywiście, VIGO planuje uruchomienie seryjnej produkcji w Polsce, ale tutaj trzeba rozdzielić dwa wątki. Pierwszym jest technologia i produkcja detektorów podczerwieni. Te zamierzamy produkować w naszej fabryce, wykorzystując park maszynowy, który będzie poszerzany o nowe rozwiązania w trakcie prac nad projektem. To samo zaplecze wykorzystamy potem przy montażu modułów detekcyjnych.

- Inaczej wygląda kwestia układu scalonego. Ten zamierzamy zaprojektować wraz z polskimi przedsiębiorstwami, by rozwinąć nasze krajowe technologie. Jednak ta część projektu będzie wykonywana na zasadzie “Fabless”. W Polsce nie istnieje linia technologiczna umożliwiająca produkowanie takich układów scalonych, więc nasze rozwiązanie będzie musiało zostać wyprodukowane u jednego z Europejskich partnerów.

- Projekt zrodził się z potrzeb naszych klientów, których na ten moment nie jesteśmy w stanie spełnić, a ten projekt nam to umożliwi. Duży potencjał dla naszego rozwiązania widzimy w obszarze diagnostyki medycznej (wczesne wykrywanie stanów zapalnych, markerów nowotworowych czy cukrzycy) oraz spektrometrii i przemysłowej analizie gazów.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 11 marca 2027. Zapisz się tutaj!