2019. január: jegyzet, ökológia, régészet, portré, okostechnológia, zöldkörnyezet, agykutatás, tudomány, Nemzeti Agykutatási Program, nanotechnológia, elektronika, mesterséges intelligencia, anyagtudomány, fizika, orvostudomány, innováció, egyetem, építés, közlekedés, fenntarthatóság, élelmiszer, it

Elektronikai technológiák az okos jövő szolgálatában

Napjaink kutatási-innovációs fókuszában a közeljövő okos, autonóm rendszerei állnak. Ezek megvalósításában lényeges szerepet játszanak majd az olyan berendezések, amelyek önállóan és hosszú távon (akár évtizedekig) képesek lesznek a biztonságos, javítást nem igénylő, folyamatos működésre (lásd: önvezető autók, okosotthonok, okosvárosok stb.). Egy önvezető autó­nál például nem megengedhető olyan baleset, melyet egy más területen gyakran elő­forduló elektronikai meghibásodás okozhat. Szükség van tehát olyan anyagrendszerek és védelmi megoldások kutatására, amelyek az újszerű kihívásoknak megfelelni képes elektronikai egységek megvalósításában kulcsfontosságúakká válnak.


A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) Elektronikai Technológia Tanszéke (ETT) sok évtizedes hagyományainak megfelelően, a gyártóipari trendekkel szorosan lépést tartva végzi kutatási, fejlesztési, innovációs és oktatási tevékenységét. Mint azt dr. Harsányi Gábor tanszékvezető elmondta, a tanszék modern laborkomplexumában olyan gyártóberendezések, valamint mérő- és vizsgálóműszerek vannak, melyek napjainkban kulcsfontosságúak az elektronikai ipar szolgálatában. „A cégekkel fennálló szoros és folyamatos szakmai kapcsolataink tapasztalatai az oktatásba is hamar bekerülnek, így hallgatóink a legmodernebb elméleti és gyakorlati tudást szerezhetik meg – mondta a tanszékvezető. – A célzott kutatások széles spektrumával szolgáljuk napjainkban a jövő okos elektronikai rendszereinek realizálását elsősorban a fizikai megvalósíthatóság oldaláról. Feladat pedig van bőven” – utalt dr. Harsányi Gábor az igényekre.

A tanszék Hibaanalitikai laboratóriumaiban folyik az elektronikai részegységek megbízhatóságát limitáló mechanizmusok kutatása, öregítési eljárások a hibamentes műkö­dés kiszűréséhez, anyagrendszerek és egységek védelmi megoldásainak kutatása, minősítési módszertan kidolgozása. Az elektronikai iparban alkalmazott ólommentes forraszötvözetek magas óntartalma súlyos megbízhatósági problémák megjelenéséhez vezetett, mint például az ón tűkristály („whisker”) jelenségek és az úgynevezett elektrokémiai migráció. Az ón tűkristályok olyan szálszerű felületi elváltozások, amelyek a magas óntartalmú forrasztott kötésekből spontán növekednek, hosszuk elérheti akár a milliméteres tartományt is (1. a ábra). Az elektrokémiai migráció során pedig úgynevezett dendritnövekedés következik be vezetők között nedves­ség jelenléte – például párakicsapódás – esetén (1. b ábra). Mind a két hibajelenség komoly rövidzárveszélyt jelent a mai áramkörökben; a mechanizmusok megismerésének, így megelőzésük lehetőségének jelentőségét az ipari igények is alátámasztják. A tűkristály-növekedés és a migrációs jelenségek tanulmányozásához és megértéséhez a terhelés alatti és klimatikus öregítési tesztek mellett nanométer mérettartományú anyagvizsgálatokra is szükség van.

1. ábra. Zárlathoz vezető hibajelenségek elektro­nikus áramkörökben: a) ón tűkristály egy forrasztott kötés felszínén; b) dendritnövekedés vezetősávok között.

Az okosrendszerek tömeges elterjedésével számolni kell az elektronikai hulladék mennyiségének nagyságrendi ugrásával. Az élhető környezet megtartása sürgeti a megújuló alapanyagforrásból származó és biológiailag lebontható (szükség esetén komposztálható) elektronikai hordozó (közkeletű nevén NYÁK, vagyis nyomtatott áramkör) alapanyagok elterjesztését. A tanszék Techno­lógia és alapanyag laboratóriumaiban a környezetbarát cellulóz-acetát (CA) és bioepoxi műanyag szigetelő hordozókra fókuszálva végzik a kutatásokat, amelyekből nyomtatott huzalozású lemezeket állítottak elő. Az eljárást úgy építették föl, hogy klasszikus szubtraktív áramköri gyártástechnológiával, a gyártósorral kompatibilis módon, gazdaságosan készülhessenek a kétoldalas hordozók. A tanszék kutatói egy létező termékkel megegyező működésű, digitális, felületszerelt MP3 lejátszó áramköri modulját valósították meg a környezetbarát hordozókon (2. ábra), demonstrálva a szórakoztatóelektronikai lehetőségeket. Jelenleg a hordozók szerelési, minőségi és megbízhatósági kérdéseinek feltárása, optimalizálása zajlik.

2. ábra. MP3 le­játszó áramköri modulja környezet­barát hordozókon.

Az okosgyárakban a mesterséges intelligencia alkalmazása megalapozhatja a gyártási folyamatok gyorsabb, költséghatékonyabb optimalizálását az elektronikai szerelés területén az Ipar 4.0 megközelítései szerint. Az elektronikus részegységek automatizált összeszerelésénél – az alkatrészméretek intenzív csökkenésének következményeként – az egyik legkritikusabb lépés a forraszanyag felvitelére szolgáló additív technológia, az úgynevezett stencilnyomtatás: statisztikák szerint a gyártási hibák 60 százaléka vezethető vissza erre a folyamatra. Gyártásoptimalizálásra szakosodott kutatóik a vizsgálatok alapjául szolgáló, a fizikai folyamatokat részleteiben leíró numerikus modelleket alkotnak, valamint a gépi tanuláson, mesterséges intelligencia alkalmazásán alapuló visszacsatolási módszereket fejlesztenek. A 3. ábrán bemutatott modell például betekintést nyújt a különféle forraszpaszták stencilnyomtatás közbeni viselkedésébe.

3. ábra. A forraszanyag nyomtatás közbeni mozgását leíró modell sebességvektor-tér keresztmetszeti nézete.

Szintén a közeljövő kihívása az egészségmonitorozó készülékek okosotthonokba, illetve egészségügyi ellátókba költözése. A tanszék Érzékelők és mikrofluidika, valamint Nanotechnológiai laboratóriumai elsősorban bioérzékelők kutatására, illetve a hozzájuk kapcsolódó, kis térfogatokkal dolgozó mintakezelő, mintamoz­gató rendszerek (mikrofluidika) és mérőberendezések fejleszté­sére fókuszálnak. A bioérzékelők biológiailag aktív anyagot (például enzimeket, DNS-szegmenseket) használnak érzékelési célra, és nagy szelektivitással képesek kis mennyiségű mintában (például egy csepp vér, nyál, vizelet) a célmolekulák jelenlétének, illetve koncentrációjának meghatározására. Ékes példa a tanszék saját fejlesztésű felületi plazmon rezonancia képalkotó (SPRi) platformja (4. ábra), amelyet sikeresen alkalmaztak multi-bioérzékelő­ként többféle specifikus DNS-molekulák egyidejű detektálására. Az utóbbi években a fókuszt a nanotechnológiákkal előállított bioérzékelőkre helyezték: a PDMS (polidimetil-sziloxán) polimer és arany, illetve ezüst nanorészecskék segítségével olyan nano­kompozitokat hoztak létre, amelyek sikeresen alkalmazhatók nagy érzékenységű elemanalízisre. Céljuk a nanokompozitok integrálása kis méretű terepi diagnosztikai mérőrendszerekbe (ún. Point-of-Care eszközökbe).

4. ábra. A tanszék saját fejlesztésű SPRi mérőberendezése a PDMS-alapú mikrofluidikai cellával (balra fent), illetve a cellatartó platformmal (balra lent).


A cikkben bemutatott kutatásokat az EMMI Felsőoktatási Intézményi Kiválóság Program támogatja – a BME-FIKP: NAT, BIO és MI alprojektek keretében.•

 
2019. október – Közlekedésfejlesztési különszám

2019. október – Közlekedésfejlesztési különszám

Hírlevél feliratkozás

Innotéka