Electronique imprimée

- Mar 23, 2017 -

L'électronique imprimée est un ensemble de méthodes d'impression utilisées pour créer des dispositifs électriques sur différents substrats. L'impression utilise typiquement un équipement d'impression courant approprié pour définir des motifs sur un matériau, tels que sérigraphie , flexographie , gravure , lithographie offset et jet d'encre . Selon les normes de l'industrie électronique, ce sont des processus à faible coût. Des encres électroniques ou optiques fonctionnant électriquement sont déposées sur le substrat, créant des dispositifs actifs ou passifs, tels que des transistors à couche mince ; Condensateurs; Bobines; Résistances . L'électronique imprimée devrait faciliter l'utilisation d'appareils électroniques à faible rendement et très peu coûteux pour des applications telles que des écrans flexibles, des étiquettes intelligentes, des affiches décoratives et animées et des vêtements actifs qui ne nécessitent pas de performances élevées. [1]

L' expression électronique imprimée est souvent liée à l'électronique organique ou à l'électronique en plastique , dans laquelle une ou plusieurs encres sont composées de composés à base de carbone. Ces autres termes se réfèrent au matériau d'encre, qui peut être déposé par des procédés à base de solution, à vide ou autres. En revanche, l'électronique imprimée spécifie le procédé et, en fonction des exigences spécifiques du procédé d'impression sélectionné, peut utiliser tout matériau à base de solution. Cela comprend les semiconducteurs organiques , les   Semi-conducteurs , conducteurs métalliques, nanoparticules , nanotubes , etc.

Pour la préparation de l'électronique imprimée, presque toutes les méthodes d'impression industrielles sont employées. Semblable à l'impression conventionnelle, l'électronique imprimée applique les couches d'encre l'une sur l'autre. [2] Ainsi le développement cohérent des méthodes d'impression et des matériaux d'encre sont les tâches essentielles du champ.

L'avantage le plus important de l'impression est la fabrication de volumes à faible coût. Le coût réduit permet de l'utiliser dans plus d'applications. [3] Un exemple est les systèmes RFID , qui permettent l'identification sans contact dans le commerce et le transport. Dans certains domaines, comme l'impression de diodes électroluminescentes n'affecte pas les performances. [2] L'impression sur des substrats souples permet de placer l'électronique sur des surfaces courbes, par exemple en plaçant des cellules solaires sur les toits des véhicules. Plus généralement, les semi-conducteurs conventionnels justifient leurs coûts beaucoup plus élevés en fournissant des performances beaucoup plus élevées.

Résolution, enregistrement, épaisseur, trous, matériaux [ modifier ]

La résolution maximale requise des structures dans l'impression classique est déterminée par l'oeil humain. Des tailles d'objets inférieures à environ 20 μm ne peuvent pas être distinguées par l'oeil humain et, par conséquent, dépassent les capacités des procédés d'impression classiques. [4] En revanche, une plus grande résolution et des structures plus petites sont nécessaires dans beaucoup d'impression d'électronique, parce qu'elles affectent directement la densité et la fonctionnalité de circuit (particulièrement transistors). Une exigence similaire s'applique à la précision avec laquelle les couches sont imprimées les unes sur les autres (enregistrement couche à couche).

Le contrôle de l'épaisseur, des trous et de la compatibilité des matériaux (humidification, adhérence, solvatation) sont essentiels, mais ne sont importants dans l'impression conventionnelle que si l'œil peut les détecter. Inversement, l'impression visuelle est sans importance pour l'électronique imprimée. [5]

Technologies d'impression [ modifier ]

L'attraction de la technologie d'impression pour la fabrication de l'électronique résulte principalement de la possibilité de préparer des piles de couches micro-structurées (et donc des dispositifs à couche mince) d'une manière beaucoup plus simple et rentable par rapport à l'électronique classique. [6] De plus, la capacité de mettre en œuvre des fonctionnalités nouvelles ou améliorées (par exemple la flexibilité mécanique) joue un rôle. La sélection de la méthode d'impression utilisée est déterminée par les exigences concernant les couches imprimées, les propriétés des matériaux imprimés ainsi que les considérations économiques et techniques des produits imprimés finaux.

Les technologies d'impression divisent les approches basées sur les feuilles et les rouleaux à rouleaux . L'impression jet d'encre à jet d'encre et la sérigraphie sont les meilleures pour les travaux de faible volume et de haute précision. Les impressions en héliogravure , en offset et en flexographie sont plus courantes pour des volumes élevés de production, comme les cellules solaires, atteignant 10 000 mètres carrés par heure (m² / h). [4] [6] Bien que l'offset et l'impression flexographique soient principalement utilisés pour les conducteurs inorganiques [7] [8] et organiques [9] [10] (ces derniers aussi pour les diélectriques), [11] Comme les semiconducteurs organiques et les interfaces semi-conducteurs / diélectriques dans les transistors, en raison de la qualité élevée de la couche. [11] Si une haute résolution est nécessaire, la gravure convient également aux conducteurs inorganiques [12] et organiques [13] . Les transistors organiques à effet de champ et les circuits intégrés peuvent être préparés complètement au moyen de méthodes d'impression de masse. [11]

Les jet d'encre sont flexibles et polyvalents, et peuvent être mis en place avec un effort relativement faible. [14] Cependant, les jet d'encre offrent un débit inférieur d'environ 100 m 2 / h et une résolution inférieure (environ 50 μm). [4] Il est bien adapté pour les matériaux solubles de basse viscosité comme les semiconducteurs organiques. Avec des matériaux à haute viscosité, comme des diélectriques organiques et des particules dispersées, comme des encres métalliques inorganiques, des difficultés dues à l'encrassement des buses se produisent. Parce que l'encre est déposée par des gouttelettes, l'épaisseur et l'homogénéité de dispersion sont réduites. L'utilisation de nombreuses buses simultanément et la pré-structuration du substrat permettent des améliorations de productivité et de résolution, respectivement. Cependant, dans ce dernier cas, des méthodes de non impression doivent être utilisées pour l'étape de structuration réelle. [15] L' impression par jet d'encre est préférable pour les semi-conducteurs organiques dans les transistors organiques à effet de champ (OFET) et les diodes électroluminescentes organiques (OLED), mais aussi les OFET complètement préparés par cette méthode ont été démontrés. [16] Les plateaux avant et arrière [18] des écrans OLED, des circuits intégrés, [19] les cellules photovoltaïques organiques (OPVC) [20] et d'autres dispositifs peuvent être préparés avec des jets d'encre.

L'impression sérigraphique est appropriée pour la fabrication de l'électricité et de l'électronique en raison de sa capacité à produire des couches épaisses à motifs à partir de matériaux pâteux. Cette méthode peut produire des lignes conductrices à partir de matériaux inorganiques (par exemple pour des cartes de circuit imprimé et des antennes), mais également des couches isolantes et passivantes, l'épaisseur de couche étant plus importante qu'une haute résolution. Son débit de 50 m² / h et sa résolution de 100 μm ressemblent aux jets d'encre. Cette méthode versatile et comparativement simple est utilisée principalement pour les couches conductrices et diélectriques [21] [22], mais aussi les semi-conducteurs organiques, p.ex. pour OPVCs, [23] et même OFETs complets [17] peuvent être imprimés.

L'impression par jet d'aérosol (également appelée Maskless Mesoscale Materials Deposition ou M3D) [24] est une autre technologie de dépôt de matériaux pour l'électronique imprimée. Le procédé de jet d'aérosol commence par l'atomisation d'une encre, qui peut être chauffée jusqu'à 80 ° C, produisant des gouttelettes de l'ordre d'un à deux micromètres de diamètre. Les gouttelettes atomisées sont entraînées dans un courant gazeux et délivrées à la tête d'impression. Ici, un flux annulaire de gaz propre est introduit autour du flux d'aérosol pour focaliser les gouttelettes dans un faisceau de matériau collimaté étroitement. Les courants de gaz combinés sortent de la tête d'impression par une buse convergente qui comprime le courant d'aérosol jusqu'à un diamètre aussi petit que 10 μm. Le jet de gouttelettes sort de la tête d'impression à grande vitesse (~ 50 mètres / seconde) et frappe le substrat. Des interconnexions électriques, des composants passifs et actifs [25] sont formées en déplaçant la tête d'impression, équipée d'un obturateur mécanique d'arrêt / démarrage, par rapport au substrat. Les motifs obtenus peuvent avoir des caractéristiques allant de 10 μm de largeur, avec des épaisseurs de couche de dizaines de nanomètres à> 10 μm. [26] Une tête d'impression à buses larges permet une mise en forme efficace des caractéristiques électroniques millimétriques et des applications de revêtement de surface. Toute impression se fait sans utilisation de chambres sous vide ou sous pression et à température ambiante. La vitesse de sortie élevée du jet permet une séparation relativement importante entre la tête d'impression et le substrat, typiquement de 2 à 5 mm. Les gouttelettes restent concentrées sur cette distance, ce qui permet d'imprimer des motifs conformes sur des substrats tridimensionnels. Malgré la vitesse élevée, le processus d'impression est doux; Il n'y a pas d'endommagement du substrat et il n'y a généralement pas d'éclaboussure ou de surpulvérisation à partir des gouttelettes. [27] Une fois le motif terminé, l'encre imprimée nécessite typiquement un post-traitement pour atteindre les propriétés électriques et mécaniques finales. Le post-traitement est davantage influencé par la combinaison spécifique d'encre et de substrat que par le procédé d'impression. Une large gamme de matériaux a été déposée avec succès dans le procédé Aerosol Jet, comprenant des pâtes à base de pellicules épaisses diluées, des polymères thermodurcissables tels que des époxydes durcissables aux UV et des polymères à base de solvant tels que le polyuréthane et le polyimide et des matériaux biologiques. [28]

L'impression par évaporation utilise une combinaison de sérigraphie de haute précision avec vaporisation de matériau pour imprimer des caractéristiques à 5 μm . Cette méthode utilise des techniques telles que le thermique, le faisceau électronique, la pulvérisation cathodique et d'autres technologies de production traditionnelles pour déposer des matériaux à travers un masque d'ombre de haute précision (ou pochoir) qui est enregistré au substrat à mieux que 1 micromètre. En stratifiant différents modèles de masques et / ou en ajustant des matériaux, des circuits fiables et rentables peuvent être construits de façon additive, sans utiliser de photolithographie.

D'autres méthodes présentant des similitudes avec l'impression, parmi lesquelles l'impression par microcontact et la lithographie par nano-empreinte sont intéressantes . [29] Ici, des couches de μm et de nm sont préparées respectivement par des procédés similaires à l'estampage avec des formes souples et dures, respectivement. Souvent, les structures réelles sont préparées par soustraction, par exemple par dépôt de masques de gravure ou par des procédés de décollage. Par exemple, des électrodes pour OFET peuvent être préparées. [30] [31] L' impression par tampon sporadique est utilisée d'une manière similaire . [32] Parfois, les méthodes dites de transfert, dans lesquelles les couches solides sont transférées d'un support au substrat, sont considérées comme des produits électroniques imprimés. [33] L' électrophotographie n'est actuellement pas utilisée dans l'électronique imprimée.

Matériaux [ modifier ]

Les matériaux organiques et inorganiques sont utilisés pour l'électronique imprimée. Les matériaux d'encre doivent être disponibles sous forme liquide, pour solution, dispersion ou suspension. [34] Ils doivent fonctionner comme conducteurs, semi-conducteurs, diélectriques ou isolateurs. Les coûts de matériel doivent être adaptés à l'application.

La fonctionnalité électronique et l'imprimabilité peuvent interférer les uns avec les autres, nécessitant une optimisation prudente. [5] Par exemple, un poids moléculaire plus élevé dans les polymères augmente la conductivité, mais diminue la solubilité. Pour l'impression, la viscosité, la tension superficielle et la teneur en solides doivent être étroitement contrôlées. Les interactions croisées telles que le mouillage, l'adhérence et la solubilité ainsi que les procédés de séchage post-dépôt affectent le résultat. Les additifs souvent utilisés dans les encres d'impression classiques ne sont pas disponibles, car ils détruisent souvent la fonctionnalité électronique.

Les propriétés des matériaux déterminent en grande partie les différences entre l'électronique imprimée et l'électronique conventionnelle. Les matériaux imprimables offrent des avantages décisifs à côté de l'imprimabilité, comme la flexibilité mécanique et l'ajustement fonctionnel par modification chimique (par exemple la couleur claire dans les OLED). [35]

Les conducteurs imprimés offrent une moindre conductivité et une plus grande mobilité des porteurs de charge. [36]

A quelques exceptions près, les matériaux d'encre inorganiques sont des dispersions de micro- et nanoparticules métalliques ou semi-conductrices. Les nanoparticules semi-conductrices utilisées incluent les semi-conducteurs de silicium [37] et d'oxyde. [38] Le silicium est également imprimé comme un précurseur organique [39] qui est ensuite converti par pyrolisis et recuit en silicium cristallin.

PMOS, mais pas CMOS est possible dans l'électronique imprimée. [40]

Matériaux organiques [ modifier ]

L'électronique imprimée organique intègre les connaissances et les développements de l'impression, de l'électronique, de la chimie et de la science des matériaux, en particulier de la chimie organique et des polymères. Les matériaux organiques diffèrent en partie de l'électronique conventionnelle en ce qui concerne la structure, le fonctionnement et la fonctionnalité [41], ce qui influence la conception et l'optimisation des dispositifs et des circuits, ainsi que la méthode de fabrication. [42]

La découverte de polymères conjugués [36] et leur développement en matériaux solubles ont fourni les premiers matériaux d'encre organique. Les matériaux de cette classe de polymères possèdent diversement des propriétés conductrices , semi-conductrices , électroluminescentes , photovoltaïques et autres. D'autres polymères sont utilisés principalement comme isolants et diélectriques .

Dans la plupart des matériaux organiques, le transport des trous est favorisé par rapport au transport d'électrons. [43] Des études récentes indiquent qu'il s'agit d'une caractéristique spécifique des interfaces semi-conducteurs organiques / diélectriques, qui jouent un rôle majeur dans les OFET. [44] Par conséquent, les dispositifs de type p devraient dominer les dispositifs de type n. La durabilité (résistance à la dispersion) et la durée de vie sont inférieures aux matériaux classiques. [40]

Les semi-conducteurs organiques comprennent les polymères conducteurs poly (3,4-éthylène dioxitiophène), dopés avec du poly ( styrène   Sulfonate ), ( PEDOT: PSS ) et poly ( aniline ) (PANI). Les deux polymères sont disponibles dans le commerce dans différentes formulations et ont été imprimés respectivement à l'aide d'une impression à jet d'encre, d' un écran [21] et d'une impression offset [9] ou écran, [21] flexo [10] et gravure [13] .

Les semi-conducteurs en polymère sont traités par impression jet d'encre, comme le poly (thiopène) s comme le poly (3-hexylthiophène) (P3HT) [46] et le poly (9,9-dioctylfluorène co-bithiophène) (F8T2). [47] Ce dernier matériau a également été imprimé en héliogravure. [11] Différents polymères électroluminescents sont utilisés avec l'impression par jet d'encre [15] , ainsi que des matériaux actifs pour le photovoltaïque (par exemple des mélanges de P3HT avec des dérivés de fullerène), [48] qui peuvent en partie être également déposés en sérigraphie (par exemple, (Phénylènevinylène) avec des dérivés de fullerène). [23]

Il existe des isolants et des diélectriques imprimables organiques et inorganiques, qui peuvent être traités avec différentes méthodes d'impression. [49]

Matériaux inorganiques [ modifier ]

L'électronique inorganique fournit des couches hautement ordonnées et des interfaces que les matériaux organiques et polymères ne peuvent pas fournir.

Les nanoparticules d' argent sont utilisées avec flexo, [8] offset [50] et jet d'encre. [51] Les particules d' or sont utilisées avec le jet d'encre. [52]

Les écrans multicolores électroluminescents (EL) AC peuvent couvrir plusieurs dizaines de mètres carrés, ou être incorporés dans les faces de montre et les affichages d'instruments. Ils impliquent six à huit couches inorganiques imprimées, y compris un phosphore dopé au cuivre, sur un substrat de film plastique. [53]

Les cellules CIGS peuvent être imprimées directement sur du molybdène   recouvert   Feuilles de verre .

Une cellule solaire imprimée de germanium de gallium d'arséniure a démontré l' efficacité de conversion de 40.7%, huit fois celle des meilleures cellules organiques, s'approchant de la meilleure exécution du silicium cristallin. [53]

Substrats [ modifier ]

L'électronique imprimée permet l'utilisation de substrats souples, ce qui réduit les coûts de production et permet la fabrication de circuits mécaniquement flexibles. Alors que l'impression par jet d'encre et sérigraphie typiquement empreinte de substrats rigides comme le verre et le silicium, les méthodes d'impression de masse utilisent presque exclusivement des feuilles flexibles et du papier. Le poly (téréphtalate d'éthylène) - profil (PET) est un choix courant, en raison de son faible coût et d'une stabilité de température modérément élevée. Le poly (éthylène naphtalate) - (PEN) et le poly (imide) -foil (PI) sont des solutions de rechange plus performantes et plus coûteuses. Les faibles coûts et les nombreuses applications du papier en font un substrat attrayant, mais sa grande rugosité et son grand pouvoir absorbant rendent problématique l 'électronique. [50]

D'autres critères de substrats importants sont la faible rugosité et la mouillabilité appropriée, qui peuvent être accordés avant le traitement par l'utilisation d'un revêtement ou d'une décharge Corona . Contrairement à l'impression classique, une grande absorbance est habituellement désavantageuse.

Applications [ modifier ]

L'électronique imprimée est utilisée ou envisagée pour:

La société norvégienne ThinFilm a démontré avec succès la mémoire organique imprimée roll-to-roll en 2009. [54] [55] [56] [57]

Développement des normes et activités [ modifier ]

Les normes techniques et les initiatives de cartographie ont pour but de faciliter le développement de la chaîne de valeur (pour le partage des spécifications des produits, des normes de caractérisation, etc.) Cette stratégie de développement de normes reflète l'approche utilisée par l'électronique au silicium au cours des 50 dernières années. Les initiatives comprennent:

A publié trois normes pour l'électronique imprimée. Tous les trois ont été publiés en coopération avec l'Association japonaise de l'emballage et des circuits électroniques (JPCA):

  • IPC / JPCA-4921, Exigences relatives aux matériaux de base de l'électronique imprimée

  • IPC / JPCA-4591, Exigences pour l'électronique imprimée Matériaux conducteurs fonctionnels

  • IPC / JPCA-2291, Guide de conception pour l'électronique imprimée

Ces normes, et d'autres en cours de développement, font partie de l'initiative de l'IPC sur l'électronique imprimée.


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