Lo sviluppo di un prodotto fotonico segue un processo strutturato che va dall’ideazione alla produzione, passando per diverse fasi di progettazione, test e industrializzazione. Si tratta di un processo complesso che richiede competenze multidisciplinari in ottica, elettronica, materiali e produzione. Un approccio ben strutturato permette di realizzare dispositivi innovativi, affidabili ed efficienti, in grado di soddisfare le esigenze del mercato e delle applicazioni avanzate.
Nel 2024, la conferenza di bandiera della IEEE Photonics Society IPC 2024 e stata ospitata dalla città di Roma dal 10 al 13 settembre, con una partecipazione di più di 500 persone. L’evento ha ospitato diverse sessioni e panel discussion, tra cui quella organizzata dall’IEEE Photonics Society Italy Chapter sul Ciclo dello sviluppo di un prodotto fotonico. Organizzato da Guido Chiaretti, già responsabile della introduzione delle tecnologie ottiche in STMicroelectronics, ora in pensione e co-fondatore di Moresense srl, una start up innovativa nata da uno spin-off della Universita Federico II, il Panel aveva lo scopo di avvicinare il mondo dell’industria al mondo dell’accademia che tipicamente frequenta IPC. I quattro relatori invitati erano stati scelti per la loro lunga esperienza e per essere figure di riferimento nei settori dello sviluppo di prodotti fotonici scelti per questo Panel: la progettazione, il processo di produzione, e due attività di packaging: per piccoli (≥100Kpcs/anno) e grandi volumi di produzione (> 109 pezzi).
Il Dr Antonello Fincato responsabile in STM a Milano della progettazione di dispositivi ottici integrati con la tecnologia Silicon Photonics che opera su wafer da 12 pollici, ha mostrato come vengono utilizzate diverse strategie per affrontare la progettazione di un dispositivo ottico in guida che tenga conto dei molteplici vincoli posti dalla compatibilità tra i diversi materiali usati sulla linea di produzione e dalla riproducibilità dei parametri costruttivi, geometrici, elettrici e ottici, tenuti sotto controllo attraverso l’uso delle c.d. “Carte di Controllo” che consentono di monitorarne l’andamento dei valori nei vari lotti di produzione, e di poter scegliere la miglior architettura del dispositivo perché possa rispettare le specifiche applicative, tenuto conto dell’analisi delle tolleranze sulle prestazioni ottenute sui grandi numeri di produzione.
Sara Pellegrini già responsabile della industrializzazione di diodi fotorivelatori SPAD in STM a Edimburgo, oggi prodotti in volumi di oltre 2 miliardi di pezzi, ha introdotto gli aspetti relativi alla industrializzazione dei processi tecnologici, prendendo ad esempio le attività relative alla produzione dello SPAD.Questo fotorivelatore a singolo fotone e il cuore di un dispositivo più complesso, noto come VL53L8 e descritto poi dall’ultimo relatore, inserito nei cellulari per disattivare lo schermo quando lo si accosta all’orecchio. Ha quindi mostrato come, attraverso il monitoraggio dei valori di parametri più significativi dopo stress test in temperatura, fig. 1, o la stabilità dei valori su wafer, fig. 2, e tra i vari lotti di produzione, sia possibile tenere sotto controllo l’evoluzione della maturità del processo di produzione dalla iniziale fase di prototipazione fino alla piena maturità del processo industriale per grandi volumi.
Riflettori anche sul packaging
Sono quindi seguiti due interventi su un aspetto spesso sottovalutato dai ricercatori: il packaging del dispositivo. Volendone enfatizzare l’importanza si è evidenziato come siano necessarie due diverse strategie se il dispositivo e prodotto da una azienda il cui core business sono i sistemi e le reti (Nokia) o se invece la produzione e tutta interna ad una azienda che fa componenti (STM).
La prima strategia e stata presentata dal Dott. V. Guja di Nokia, a Vimercate, che ha descritto in dettaglio il complesso ciclo di vita di un prodotto fotonico, fig. 3, e come e possibile garantire il raggiungimento delle prestazioni progettate in casa quando il dispositivo viene prodotto da un terzo fornitore. In questo caso i volumi richiesti dal mercato sono dell’ordine di diverse 100K pezzi/anno ed è necessario qualificare tutti gli step del ciclo di vita a partire dal packaging del dispositivo arrivando a livello del sottosistema e fino alla sua manutenzione in rete.
Infine il dott. M. Shaw di STM di Arzano (Napoli) ha mostrato come debba essere accurato il controllo di ogni minimo dettaglio, per es. la perfetta saldatura di ogni singolo bonding, del complesso processo di assemblaggio, fig. 4, del modulo VL53L8, dispositivo che misura il tempo di volo dei fotoni nei nostri cellulari per poterne garantire la produzione in volumi superiori al miliardo di pezzi.
Confrontarsi per favorire lo scambio di competenze
L’evento ha evidenziato il ruolo cruciale della collaborazione tra industria e mondo accademico per affrontare le sfide dello sviluppo e della produzione su larga scala di dispositivi fotonici. Le presentazioni hanno mostrato come l’innovazione passi attraverso una progettazione rigorosa, il monitoraggio dei processi produttivi e l’ottimizzazione del packaging, elementi essenziali per garantire qualità e affidabilità. La conferenza ha quindi rappresentato un’importante occasione di confronto per specialisti del settore, favorendo lo scambio di competenze e l’accelerazione del trasferimento tecnologico dalle fasi di ricerca all’industrializzazione.
di Guido Chiaretti
