Annons

Smartare Elektroniksystem har vind i seglen

Årets sammankomst ”Summit” blev en hyllning till Vinnovastödda FOI-projekt som skall stärka den svenska elektronikindustrin. Kring 130 personer kunde på Tekniska Museet ta del av ett flertal lovande projekt med stor industriell potential. Den Vinnova-stödda forsknings- och innovationsagendan ”Smartare Elektroniksystem formades under 2013 inom ramen för Vinnovas, Energimyndighetens och Formas utlysning ”Strategiska forsknings- och innovationsagendor”.

09summit21
Magnus Svensson,  programchef för ”Smartare Elektroniksystem och Lena Norder, vd för Branschorganisationen Svensk Elektronik

”Smartare Elektroniksystem”, ett av de 16 innovationsprogrammen, leds av Acreo Swedish ICT i samarbete med Branschorganisationen Svensk Elektronik, Swerea IVF, PhotonicSweden, Chalmers tekniska högskola, Kungliga tekniska högskolan och Luleå tekniska universitet – i nära samverkan med ett brett nätverk av branschföreträdare, forskningsinstitut, universitet och hundratals svenska företag.

Magnus Svensson, projektledare inom Acreo Swedish ICT och programchef för ”Smartare Elektroniksystem”, inledde årets Summit tillsammans med Lena Norder, vd på Branschorganisationen Svensk Elektronik. Summit kom att innehålla presentationer på sex beviljade projekt med stor potential för svensk elektronikindustri:

Världsrekord i spektrumeffektivitet
Begreppet ”Massive MIMO” har satt Lunds universitet på världskartan.
09summit2
Markus Törmänen är projektledare i ett projekt för sändarlösningar för massiv MIMO där Lunds Universitet och Ericsson deltar.
Med MIMO (multipler input, multipler output) blir det möjligt att den överförda bithastigheten vid digitalt modulerade signaler. Massive MIMO kan öka kapaciteten. Men framför allt används tekniken för att rikta sändningarna, mot önskade mottagarplatser, tack vare inbördes fasstyrning av antenner/sändare.
Med en demonstrator har man visat sig kunna överföra upp till 145,6 bit/s/Hz vid 20 MHz bandbredd.
– Det innebär världsrekord och är 12 gånger bättre signaleffektivitet än vid 4G idag, säger Markus Törmänen.
Dagens demonstrator har 100 antenner och sändare. Utrustningen drar 5 kVA vid start och väger 300 kg.
I den vidare utvecklingen siktar man på 28 GHz och tänker använda nya byggsätt.
– Traditionell uppbyggnad är helt enkelt inte möjlig.
För projektet har man inom Ericsson tagit fram en hel del integrerade kretsar, byggda i STMicroelectronics FD-SOI-teknik, ”full depletion silicon-on-isolator”. Tack vare SOI-tekniken blir det möjligt att seriekoppla individuellt isolerade transistorer för att få högre spänningstålighet, något som är nödvändigt med tanke på att processen med 28 nm kanallängd ger låg genombrottsspänning.
SOI-tekniken ger dessutom lägre parasiter och mindre läckage.
Tre staplade transistorer klarar 3 V matningsspänning.
En annan IC i projektet är en 10 bit D/A-omvandlare som skall kunna ge ungefär 1 GHz bandbredd vid 8 – 10 GHz ut.

MIMO ur ett tillverkningsperspektiv
Traditionella byggsätt för massive MIMO duger, som sagt, inte.
09summit3
Ashraf Uz Zaman, Chalmers Tekniska Högskola, beskriver nytänkande i ett projekt som syftar till att åstadkomma antennmoduler som kan monteras med pick-and-placemaskiner och som bygger på vågledare mot bredbandiga slitsantenner enligt ett nytt koncept som går under begreppet ”gap waveguide”.
Microstripledningar lider av höga ledningsförluster i dielektrikum och höga förluster på grund av tunna ledare.  Å andra sidan är det svårt att kombinera vågledare med IC.
– Ett problem är att tillverka vågledare för millimetervågor och en flaskhals är att montera dem vid massproduktion, säger Ashraf Uz Zaman.  Ofta behövs det mängder av skruvförbindningar.
En lovande kandidat är ”gap waveguide technology”.  Den ger lägre förluster och lägre tillverkningskostnader än microstripledningar och vågledare på höga frekvenser.
Fyra olika versioner av demonstratorer har byggts upp. Nästa steg är att integrera högfrekvenselektroniken.
Den mekaniska strukturen har tagits fram med hjälp av gjutning och CNC. De mekaniska måtten ligger inom ±6-7 µm, vilket enligt Ashraf Uz Zaman är godtagbart.

En kristall i lod ger problem
Ett utpekat strategiskt område för den svenska elektronikindustrin är tillförlitlighet.
09summit4
Per-Erik Tegehall, Swerea IVF, berättade om projektet ”Kravspecificering och verifiering av miljöskydd och livslängd av lödfogar till komponenter”.
Han har tidigare publicerat flera artiklar i Elektronik i Norden om rön beträffande blyfri lödning och vilka problem det kan leda till.
Det aktuella projektet lyfter fram ytterligare en allvarlig felorsak, nämligen tennets benägenhet att ofta bilda 1-kristaller. Så var det inte i fallet med tenn-bly-lod.
Om vissa lödfogar under exempelvis en BGA består av en enda kristall kommer denna att kunna ha en högre utvidgningskoefficient än andra lödfogar som består av flera kristaller. Men om den har det, eller inte, beror på hur kristallen är orienterad! Längdutvidgningen, CTE, varierar därför mellan 15-30 ppm/°C, att jämföra med mönsterkortets 15 ppm/°C.
20-35 procent av en SAC305 lödfog kan bestå av 1-kristaller.
Projektet pekar även ut en annan felorsak, nämligen lackerade kretskort. Lackeringen kan minska livslängden med så mycket som 85 procent!
Livslängden påverkas av valet av IC-kapsel. Medan QFP (med anslutningsben) håller för 10 000 temperaturcykler i ett test, håller BGA 3000 – 8000, QFN 1000 – 3000 och CSP <1000 cykler (ibland bara 100). Siffrorna gäller för 63 procents felutfall.
Detta skall jämföras med amerikanska biltillverkares krav på >3000 cykler utan fel!
– Detta kan resultera i enorma problem för dagens produkter som är tänkta att hålla i mer än 10 år, säger Per-Erik Tegehall.

Kompakt kraftmodul för XC90
EEPAB, Eskilstuna Elektronikpartner AB och KTH samverkar i ett projekt  där man utvecklar elektronik för elmotorer och omriktare i en komplett enhet. Lösningen är tänkt för en Volvo XC90 plug-in-hybrid.
09summit5
Projektledaren Oskar Wallmark, KTH, beskrev den kompakta konstruktionen. Sammantaget har den lett till minskat kablage, minskade elektromagnetiska störningar och lägre vikt.
Valet av halvledare skedde för fyra år sedan, vilket resulterade i kisel-IGBTer för 3-fasomvandlare. Dessa seriekopplades för att få tillräcklig spänningstålighet. Man byggde en testkrets och motorerna specialbeställdes från Bevi. EEPAB tog fram högströmståliga kretskort som kunde klara 100 A.
Motorer och omriktare byggdes samman i en enhet. Genom att fasförskjutna klocksignaler kunde man minimera störutstrålningen (EMI).

Moduler för brett bandgap
En av fördelarna med kiselkarbid (SiC) framför kisel (Si) är dess höga värmetålighet. Det gäller halvledarbrickan i sig. Halvledarmaterial med brett bandgap, SiC, och särskilt GaN, tillåter också högre frekvenser i kraftelektronik. Det medger kompaktare och lättare konstruktioner.  Problemet med att finna lämplig kapslingteknik är dock långtifrån löst.
09summit7
Klas Brinkfeldt, Sverea IVF,
09summit6
och Konstantin Kostov, Acreo Swedish ICT, talade om det projekt inom kompetensnavet för kraftelektronik där även Alstom (GE Motion) och Inmotion deltar.
– Konventionell kapslingsteknik klarar helt enkelt inte av de temperaturer som kan förekomma i halvledare med brett bandgap, sade Konstantin Kostov.
Fördelar som högre temperaturtålighet, lägre ON-resistans och snabbare komponenter äts upp om man inte kapsling och byggsätt är optimerade för detta.
– Traditionella kapsling och ett byggsätt med diskreta komponenter ger höga parasitkapacitanser, risk för oscillation och ökade förluster. Lösningen på problemet är att bygga i form av en modul.
Med moduluppbyggnad kan man minska parasiter som induktanser och resistanser samt även kapacitanser mellan ledare. Ytterligare en effekt är skin-effekten i ledare som påverkar såväl induktanser som resistanser i ledare.
Klas Brinkfeldt beskrev tillverkningsprocessen för modulen till en halvbrygga.
Den modul man har tagit fram jämfördes med en kommersiell, motsvarande modul, från Cree. Reslutaten övertygar (värden för Cree CAS300M12MB2 inom parentes):
Dimensioner 50×47×16 (106×62×30) mm, volym 37,6 (197,16) cm3, vikt 80 (300) g, Vdc 1,2 (1,2) kV, Id@25°C 150 (404) A, Rds(on) 22 (8,6) mohm, ströinduktans 7,7 (14) och avgiven effekt 1550 W (1660 W).
Den enda parameter där den svenska modulen är sämre än den amerikanska motsvarigheten är Rds(on). Med tre parallellkopplade moduler, som totalt mäter 112,8 cm3, hamnar man på 7,4 mohm.
Till- och frånslagstider kommer att meddelas senare.

Cykelhjälm med radar
Ett projekt som klart skiljer sig från de övriga bedrivs av hjälmtillverkaren POC Sweden AB, med Acreo Swedish ICT som projektpartner.
Det är ett projekt som skall skydda cyklister och minska risken vid mörker och dålig sikt.
En inbyggd radar i cykelhjälmen skall kunna varna för en bil som närmar sig bakifrån. Radarn har 60 m räckvidd. När bilen kommer närmare tänds blinkande röda lysdioder på hjälmens baksida och cyklisten varnas också av en lysdiod i hjälmens framkant.
09summit8
I projektets första fas utgick vi från data från Volvo, berättar projektledaren John Wemen, POC.
– Vi sökte efter sensorsystem som skulle kunna minska riskerna och tittade på både radar och lidar.
Hjälmen skulle också vara självförsörjande vilket löstes med solceller.

Nav för spetskompetens
Representanter från åtta olika kompetensnav gav på konferensens eftermiddag en sammanfattning av de frågor man arbetar med:
* Tillförlitlighet.
Per-Erik Tegehall varnar för allt sämre tillförlitlighet. Bland orsakerna nämns snabbare implementationer av ny teknik, konsumentprodukter med kort förväntad livslängd, kortare time-to-market, allt fler produkter bärbara, fler parter involverade i framtagningen och stark press på att minimera priset på en produkt.
Ökad out-sourcing borde resultera i bättre kvalitet, eftersom de är fokuserade på sin uppgift. Men så är det inte, enligt Per-Erik Tegehall.
– Industrin har drivit marginalerna så långt att de inte kunnat behålla kompetent personal. Och ofta är kvaliteten på inköpta mönsterkort låg.
Han betonar att företagen måste ha egen kunskap.
* Mikro/nanoteknik
EU har pekat ut ett antal ”KET”, Key Enabling Technologies. Ett av dem är mikro/nanoelektronik.
09summit9
– Här måste vi hänga med i Sverige, påpekar Jan Andersson, professor vid Mitthögskolan. Idag handlare det snarare om nano än mikroelektronik eftersom nya material införs, material som exempelvis grafen.
Det finns två klara trender inom mikro/nanoelektronik: More Moore och More than Moore. Det första avser ren halvledarteknik enligt Moores lag, där man ser en fördubbling av antalet transistorer var 18:e månad.
Vid More than Moore använder man halvledartekniken tillsammans med byggsätt och nya material för att skapa komplexa funktioner.
– Inom More Moor gäller att Sverige har duktiga chip-konstruktörer. Men inom More than Moore kan Sverige göra mycket mer, exempelvis inom sensortekniken där man tar in nya material som polymerer och grafen.
Beträffande halvledarlab, för att realisera sina konstruktioner, kan man anlita Myfab för att minska kostnaderna. Myfab är svenska halvledarlaboratorier i samarbete: Elektrumlaboratoriet (Stockholm), Ångströmlaboratoriet (Uppsala) och MC2 (Göteborg).

* Inbyggda system
– Vi behöver en mängd olika kompetenser för att klara utmaningarna inom inbyggda system.
Det säger Ulf Bodin, biträdande professor inom distribuerade datorsystem vid Luleå Tekniska Universitet, institutionen för system- och rymdteknik.
– Industri 4.0 handlar mycket om att koppla samman olika inbyggda system. Det är ett oerhört komplext system av system.
Han lyfter fram två satsningar på möjlighet till vidareutbildning av personer som arbetar inom industrin: dels ICES (KTH) som i samarbete med industrin ger kurser, dels PROMPT (Mälardalens högskola, MD) som ger kostnadsfria masterkurser och som resulterar i högskolepoäng. Det sker i ett samarbete mellan MD, Chalmers och Blekinge universitet.

* SIC power center
Konstellationen SIC power center är en plattform för samarbete mellan industri, forskningsinstitut och akademi där Acreo Swedish ICT, KTH, Swerea Kimab samt ett tiotal svenska företag ingår.
09summit10
Mietek Bakowski, professor och senior expert vid Acreo Swedish ICT, leder arbetet.
– Framför allt vinner man ökad verkningsgrad vid en övergång från kisel till halvledare med brett bandgap, betonar han.
Det som driver utvecklingen är ett ökat behov en hållbar utveckling, besparingar av elkraft, ökad användning av kraftelektronik för styrning och energiomvandling.
Användningen finns exempelvis inom elektronik för förnybara energikällor och för elektrifiering av fordon och transporter.
Ett praktiskt exempel är Toyota Prius, som sedan ett år har kraftelektronik, byggd med SiC-komponenter. Bilens PCU (Power Control Unit) är bara en femtedel så stor som motsvarande konstruktion med SI-krafthalvledare.

* Nya byggsätt
09summit11
Fredrik Jonsson, KTH, talade om behovet av nya byggsätt.
– Moores lag förbilligar inte längre allt. Kostnaden per miljoner grindar går nu upp i takt med senaste tekniknoders krympta mått.
Han efterlyser nya verktyg och effektivare modeller för att klara framtida krav.  Ett sätt är att arbeta på högre abstraktionsnivåer.
Säker maskinvara är ett måste i många sammanhang.
– Man skall inte kunna ”trixa” för att få ut information ur kretsar.
Vissa applikationer kräver robusta system. De skall exempelvis vara strålningshärdiga och ha självrättande hårdvara.

Svensk fotonik
Enligt Lennart Svensson, Ekonomiska föreningen PhotonicSweden, startade den svenska fotonikutvecklingen med att Cooperativa förbundet startade glödlampstillverkaren Luma efter påtryckning av medlemmarna. Det hade nämligen visat sig att övriga tillverkare medvetet sänkte livslängden på sina glödlampor för att få sälja mer.
På 80-90-talet dominerades utvecklingen av fiberoptik. Idag handlar det snarare om sensorer.
En aktuell ny tillämpning av fotoniken är fjärrstyrd flygövervakning, för att få möjlighet att bevara eller nyinvestera i flygplatser i glesbygd. En annan utveckling leder till att framtidens bilar kommer troligen att ha laser i sina strålkastare.

* Vård i hemmet
09summit12
Maria Lindén från Mälardalens högskola gav klara motiv för kompetensnavet ”Inbyggda system för hälsa”:
– För multisjuka äldre kostar ett vårddygn på sjukhus 30 000 kr. Vi behöver tekniskt stöd för en effektivare hemsjukvård. Med dessa hjälpmedel kan vi följa en patiens hälsotillstånd tidigare.
Fallolyckor står idag för högre kostnader än för trafikolyckor!

* Tryckt elektronik
Redan 1980 kom forskare att upptäcka basen för de som skulle kunna bli tryckt elektronik. Idag har Linköpings universitet och Acreo Swedish ICT sammantaget 90 forskare inom innovationsplattformen ”Printed Electronics Arena”.
Nyligen beviljade Vinnova ytterligare 25 MSEK för bidrag till en utveckling av hybridlösningar där man blandar tryckt elektronik med halvledarchip. Polymera halvledare lider av mycket låg bandbredd.
– Hybridtekniken ger oss möjlighet att finna nya former för tryckt elektronik, säger Tommy Höglund.

Comments are closed.