Een slimme Photonic incubator uit de koker van Fraunhofer, Europa’s grootste toepassingsgerichte onderzoeksorganisatie, krijgt momenteel vorm op de campus van de Universiteit Twente. Met 72 instituten en onderzoekseenheden in heel Duitsland en een onderzoeksbudget van 2,3 miljard euro heeft dit netwerk al een aanzienlijke impact op veel Europese maatschappelijke behoeften. Het gaat daarbij om gezondheid, veiligheid, communicatie, energie en milieu.
Lees hier meer over de samenwerking tussen Fraunhofer en Eindhoven.
Dr. Biba Visnjicki is directeur Business Development bij het Fraunhofer Project Center in Enschede. Ze legde Jonathan Marks uit welke impact hun plannen zullen hebben op de Europese fotonica-industrie.
“Mensen vergeten soms dat er alleen winst kan worden gemaakt met producten, niet met onderzoek en ontwikkeling.”
“Dat Fraunhofer ervoor heeft gekozen om samen te werken met de Universiteit Twente, is niet alleen omdat het de kern vormt van een van ‘s werelds toonaangevende clusters in optica en nanotechnologie. Maar ook vanwege de internationale reputatie op het gebied van productie en productiecompetenties.”
Fotonica: meten wat op dit moment niet gemeten kan worden
“Lichttechnologie – want dat is wat fotonica is – blijkt de sleutel tot het bouwen van kleinere, goedkopere en snellere apparaten om veel grote maatschappelijke uitdagingen op te lossen. Fotonica heeft al een domino-effect opgeleverd in verschillende sectoren, waaronder de gezondheidszorg (precisie-instrumenten voor chirurgie, snellere DNA-sequencing), de volgende generatie 5G-fotonica netwerken, Ultra-Secure Quantum computing, zelfrijdende en driver-assistentievoertuigen (LIDAR), infrastructuurmonitoring in vliegtuigen, voedselveiligheidstests voor pathogenen en milieumonitoring zowel op aarde als vanuit de ruimte. Dit zijn allemaal gebieden die ons interesseren voor Fraunhofer.”
Waarom Europese fotonica schaalbaar moet zijn
“Europese regio’s als Overijssel, Gelderland en Noord-Brabant (met name de regio Brainport Eindhoven) willen Europa’s voorsprong behouden in zowel de ontwikkeling als de productie van Photonic Integrated Chips (PICs). Schaalvergroting naar volumeproductie van chips en complete productsystemen is essentieel voor een duurzame industriesector. Schaalbare productietechnologie is de sleutel tot andere hightech sectoren zoals automotive LIDAR-Systems, Datacom-toepassingen, consumentenelektronica en nog veel meer.”
Verschillende Fraunhofer-instituten in Duitsland (bv. Heinrich Hertz Institute in Berlijn, of het Instituut voor Productietechnologie in Aken) zijn actieve leden binnen de Europese Fotonica Alliantie, een initiatief van PhotonDelta. “Vanwege de complexe, dure aard van deze nanotechnologieën heeft Europa een interregionale samenwerking nodig om zijn toonaangevende fotonica-bedrijven succesvol uit te breiden. Ze spelen in op de behoefte om de Photonic Integrated Circuit productieplatforms te stabiliseren en op te schalen. Grote internationale bedrijven eisen kostenreductie door modulaire schaalvergroting van de productie van PICs, verpakking en testen.”
Het pad naar groei begrijpen
“De afgelopen twee jaar hebben we geluisterd naar de behoeften van toonaangevende bedrijven in de Nederlandse fotonica-industrie. De meeste innovatieve bedrijven kunnen enkele tientallen werkende exemplaren van hun producten bouwen. Schaalvergroting tot 100.000 à een miljoen stuks per jaar om aan de groeiende vraag van de klant te voldoen is altijd moeilijker.”
Het is belangrijk om te onthouden dat de micro-elektronica-industrie en de fotonica zich in zeer verschillende stadia van ontwikkeling bevinden. De halfgeleidersector wordt gedomineerd door enorme multinationale spelers die wereldwijd opereren en handelen. Maar volgens het European Photonics Industry Consortium (EPIC) heeft ongeveer 60 procent van de Europese fotonicabedrijven minder dan 100 werknemers. Toch zijn ze de drijvende kracht achter innovatie in vele andere hightechsectoren en overtreffen ze hun gewicht in zeer geavanceerde oplossingen van hoge kwaliteit. Hoe zullen deze bedrijven groeien en bloeien?
“In de huidige fotonica-industrie zit slechts 20% van de kosten in het ontwerp en de fabricage van fotonische geïntegreerde schakelingen. Maar deze systemen-op-een-chip moeten nauwkeurig met de buitenwereld verbonden zijn om te kunnen functioneren. Daarom zijn verpakkings- en assemblageprocessen momenteel goed voor 80% van de kosten voor de ontwikkeling en productie van fotonicasystemen. Dat moet veranderen. Een deel van de reden hiervoor is dat de assemblageprocessen nog steeds handmatig onder een microscoop met allerlei soorten gereedschap worden uitgevoerd. Het resultaat is zeer afhankelijk van de vaardigheden van een operator en er is altijd een natuurlijke grens aan hoe snel deze mensen kunnen werken.”
Waarom doen veel Europese bedrijven dan nog steeds het grootste deel van hun assemblageprocessen handmatig? “Ze beweren dat dit komt omdat ze in nichemarkten werken, met lage volume-eisen. Anderen zeggen dat de investering in automatisering te hoog is en het rendement te lang op zich laat wachten. Fraunhofers ruime ervaring in halfgeleider- en laserfabricage leert ons echter dat je geen zeer hoog volume nodig hebt voordat het “omslagpunt” in de richting van automatisering wordt bereikt. Naarmate de markt volwassener wordt en de doorlooptijd van de markt veel korter wordt, overwegen fotonica-bedrijven daarom veel eerder om de productie te automatiseren. Daar komt de expertise van het Fraunhofer Project Center in Twente goed van pas.”
“De meeste innovatieve bedrijven kunnen enkele tientallen werkende voorbeelden van hun apparaten bouwen. Schaalvergroting naar 100.000 tot een miljoen stuks per jaar om aan de groeiende vraag van klanten te voldoen is altijd moeilijker.”
Real-time testen
Automatisering verbetert niet alleen de opbrengst en kwaliteit van elk fotonicaproduct. Het wordt eenvoudiger om real-time testen te integreren of productieprocessen, die tot nu toe gescheiden waren, met elkaar te verbinden.
“Testen is de sleutel in zowel hoog- als laagvolume productie. Denk aan een groot productiebedrijf, waar de uitval van 10 apparaten onbeduidend is in vergelijking met de andere 10 miljoen apparaten die wel werken. Aan de andere kant zijn er bedrijven waarvan het bedrijfsmodel is om 100 high-spec lasers per jaar te produceren. De kosten van het uitvallen van slechts één van deze lasersystemen zijn gelijk aan het jaarsalaris van 3 werknemers.
We kunnen veel leren van de volwassen halfgeleiderindustrie. Wanneer je elektronische apparaten in de winkel koopt, worden de meeste componenten binnenin niet individueel getest en gekalibreerd. De fabrikanten hebben processen ontwikkeld die betrouwbare chipopbrengsten kunnen produceren die zo hoog zijn dat ze gemakkelijk de kosten kunnen dekken van eventuele storingen die ‘dead on arrival’ zijn.”
Fraunhofer als partner
De nieuwe Photonic Incubator is gevestigd in Twente met als doel Europese bedrijven te voorzien van flexibele assemblageoplossingen voor hun optische systemen. Het betekent het begeleiden van klanten tijdens de gehele realisatiefase van een nieuwe fotonische productlancering. Dat begint met een modulair ontwerp voor productie en montage bij de prototyping.
Maar de huidige automatiseringsoplossingen uit de halfgeleiderindustrie zijn er normaal gesproken op gericht om snel 100.000 stuks of enkele miljoenen stuks te produceren. Het is ofwel een hoog volume productie of niets. In het Fraunhofer Project Centre in Twente wordt een andere aanpak gehanteerd, het ontwikkelen van machines met een modulair productieconcept. Het platform kan worden gebruikt voor het maken van één of twee prototypes. Eenmaal gevalideerd, kan met dezelfde machine de productie stapsgewijs worden opgeschaald van 100 naar 1000, naar 100.000 en, indien nodig, een miljoen componenten per jaar. Het instituut bouwt voort op kennis die door de collega’s van het Instituut voor productietechnologie in Aken voor andere sectoren (zoals automotive) is ontwikkeld.
Universele schaalbare aanpak
“We hebben deze beproefde technologie gebruikt en een nieuwe gereedschapskop ontwikkeld die specifiek geschikt is voor de behoeften van de fotonica-industrie. Als je de vezels niet met sub-micronnauwkeurigheid op de chip aansluit en de ‘vezelpolarisatie’ in stand houdt, gaan waardevolle fotonen die de chip binnenkomen of verlaten verloren. Met een stapsgewijze resolutie van minder dan 20 nanometer en een machine-instelling die is afgestemd op de specifieke behoeften van fotonische systemen, kunnen we een eindassemblage-nauwkeurigheid bereiken in het diepe submicronbereik – zelfs na verlijming.”
PHIX is de eerste
“We zijn in de eindfase van de installatie van de eerste complete machine voor onze eerste klant – de PHIX Photonics Assembly Facility in de High Tech Factory in Enschede. Deze biedt assemblagediensten aan voor alle drie de belangrijkste PIC-technologieplatforms (InP, Si en SiN) en zijn gespecialiseerd in de hybride integratie van chip-to-chip en fiber-to-chip modules. Wij hebben een zeer intuïtieve gebruikersinterface ontwikkeld om een vlotte overgang naar automatisering van grote volumes te garanderen. De procesroutines kunnen worden ontwikkeld, getest en robuust gemaakt door het engineeringpersoneel van de klant zonder de noodzaak van specialistische automatiseringskennis.
Wij zijn ook trots op onze samenwerking met de Fraunhofer spinoff AIXEMTec die onze kennis op het gebied van flexibele automatisering en contractproductie in licentie geven. Zij produceren de werktuigmachines en bieden assemblagediensten aan voor bedrijven in de beginfase die nog steeds prototypen maken. Al met al is het een compleet aanbod dat aansluit bij de behoefte aan Industry 4.0.”
Industrie 4.0 Productiekennis delen met de universiteit
“Tot slot zijn we ons er terdege van bewust dat de ingenieurs van morgen de veranderingen in de hightech industriële productie, inclusief fotonica, moeten begrijpen. Onze industrie-incubator in Enschede heeft daarom nauwe banden met de studenten van de Universiteit Twente. Een goed voorbeeld is de Master Course op Product Life Cycle Management, dat deel uitmaakt van het curriculum Industrial Design Engineering. Het leert studenten industriële processen te begrijpen en manieren waarop gegevens en ervaringen uit de industrie kunnen worden gebruikt om productontwikkelingscycli te versnellen”.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
