Pour l'électronique imprimée avec l'impression additive numérique
Métallisation avancée avec des encres complexes métalliques hautement conductrices en Ag, Au et Pt
Problème :
Alors que le monde de l'électronique continue de changer de forme - littéralement - et que les produits deviennent portables, flexibles, pliables et capables de traiter des données en même temps, la demande pour les minuscules circuits qui rendent tout cela possible a atteint un point de basculement, créant un besoin de nouvelles solutions. En outre, la volonté d'innover et de sécuriser la chaîne d'approvisionnement dans le domaine du conditionnement des semi-conducteurs et des dispositifs biomédicaux est aujourd'hui d'une importance capitale. L'un des composants les plus fondamentaux et un nouveau levier d'innovation dans la fabrication additive sont les encres conductrices. Actuellement, les encres métalliques, telles que l'argent (Ag), le cuivre (Cu), le nickel (Ni), le platine (Pt) et l'or (Au), sont largement utilisées pour les circuits, les gaz, les capteurs thermiques et biologiques en raison de leur haute conductivité électrique, de leur activité catalytique et de leur grande résistance à la corrosion. Cependant, les encres métalliques traditionnelles sont basées sur des nanoparticules (NPs) métalliques : ces encres contiennent des NPs colloïdales en suspension capturées par des ligands pour éviter leur agglomération. Les performances de ces encres sont dégradées par leur résistivité électrique élevée et leur courte durée de vie. En outre, la fabrication d'encres à base de NPs Ag, Pt et Au est coûteuse et non écologique.
Solution:
Encres conductrices Cu, Ni, Ag, Au et Pt sans particules d'Electroninks, Inc (Austin TX). Electroninks a développé des encres sans particules à base de métallo-organique qui présentent plusieurs avantages en termes de performance et de fiabilité par rapport aux encres à base de nanoparticules. Les encres sans particules composées de précurseurs métallo-organiques ont généralement de meilleures performances car elles réduisent les films métalliques plus proprement, souvent à une température plus basse. Étant donné que les films finaux ne contiennent pas de tensioactifs organiques, etc., ils ont tendance à survivre aux tests de contrainte/adhésion et à la fiabilité selon les normes MSL et aérospatiales.
II. CONTEXTE
Jamais la pression n'a été aussi forte pour intégrer davantage d'électronique - sous toutes les formes, toutes les tailles et tous les niveaux de puissance - dans un plus large éventail de produits de consommation et industriels. Qu'il s'agisse d'écrans pliables dans les nouveaux téléphones à clapet 5G, de capteurs médicaux dans les vêtements de sport ou d'étiquettes RFID sur chaque article dans chaque conteneur entrant dans chaque port du monde, de minuscules circuits puissants rendent tout cela possible.
Si la loi de Moore est l'un des principaux moteurs de cette tendance, les progrès de la fabrication additive sont tout aussi importants. Ces progrès créent une multitude de possibilités pour la microélectronique à faible coût et hautement fonctionnelle. Les encres conductrices sont l'un des composants les plus fondamentaux et un nouveau levier d'innovation dans la fabrication additive.
Ce livre blanc détaille les nouvelles formulations d'encres métalliques conductrices avancées et à haute performance qu'Electroninks développe pour étendre sa gamme exclusive d'encres conductrices sans particules.
Actuellement, les encres à l'argent sont utilisées efficacement pour fabriquer des électrodes. Cependant, en raison de l'électromigration à des températures et des conditions d'humidité relativement élevées, les encres à l'argent ne peuvent pas être utilisées pour toutes les applications. D'autres encres à base de métaux nobles, comme celles à base de platine (Pt) et d'or (Au), sont largement utilisées pour les circuits de protection, les capteurs de gaz, thermiques et biologiques en raison de leur activité catalytique et de leur grande résistance à la corrosion.
Mais les approches plus conventionnelles de la métallisation - technique consistant à déposer du métal à la surface des objets - ont des limites. Ces approches traditionnelles, utilisées depuis des années, ne sont pas aussi performantes à certaines températures, peuvent être hautement toxiques, ont une faible viscosité et présentent d'autres problèmes d'outillage qui les rendent peu pratiques pour la fabrication en grande série.
Par exemple, les encres traditionnelles à base d'or et de platine sont basées sur des nanoparticules (NPs) métalliques : ces encres contiennent des NPs colloïdales en suspension capturées par des ligands pour empêcher leur agglomération. Les performances de ces encres sont dégradées par leur résistivité électrique élevée et leur courte durée de conservation. De plus, la fabrication d'encres de Pt et d'Au à base de NPs est coûteuse et non écologique.
Avantages pour les clients :
● L'impression sur plusieurs heures avec des caractéristiques fines peut être atteinte avec des encres sans particules.
● Des performances plus élevées utilisant moins de métaux précieux permettent d'obtenir des produits plus durables et rentables.
Découvrez les nouvelles encres sans particules d'or (Au) d'Electroninks : Il existe désormais un autre moyen : les précurseurs métallo-organiques. Ce matériau utile attire de plus en plus l'attention pour la préparation de formulations d'encre conductrice sans particule. Mais de quoi s'agit-il ? Les précurseurs métallo-organiques sont des composés chimiques comportant un atome de métal et un ou plusieurs ligands organiques reliés à l'atome de métal par divers groupes fonctionnels.
Les composés métallo-organiques peuvent être conçus pour se décomposer à différentes plages de température en modifiant la force du complexe constitué par le métal et le composé organique. Des encres d'or ont encore été utilisées pour imprimer des caractéristiques conductrices. La plupart d'entre elles utilisent des formulations conventionnelles à base de nanoparticules. Electroninks a développé des précurseurs métallo-organiques sans particules qui présentent plusieurs avantages par rapport aux encres à base de nanoparticules. Les encres sans particules constituées de précurseurs métallo-organiques se décomposent plus proprement et souvent à plus basse température. Les encres sans particules permettent de réaliser des impressions de plusieurs heures avec des traits fins.
Les encres métallo-organiques ont également une durée de conservation plus longue que les encres à base de nanoparticules. Dans ce livre blanc, nous décrivons comment les formulations d'encre sans particules à base d'or(I)amine sont utilisées pour produire des lignes fines en or hautement conductrices par la technologie d'impression par jet d'aérosol.
Nouvelles encres sans particules de platine (Pt) d'Electroninks : Le dépôt d'un film mince de platine métallique suscite également un intérêt croissant. Ce métal est utilisé dans une large gamme d'applications électroniques, notamment pour former des contacts dans les dispositifs microélectroniques et pour des applications électrochimiques et catalytiques à haute température. Par rapport aux métaux nobles plus courants comme l'or et l'argent, l'application du platine est difficile et les rapports y afférents sont rares. Les méthodes courantes de dépôt du platine comprennent le dépôt en phase gazeuse, le dépôt électrochimique et le dépôt chimique. Ces procédés conventionnels sont souvent peu pratiques et difficiles à produire à grande échelle.
Tableau 1 : Comparaison des encres Ag, Au et Pt à base de NPs avec les encres Ag, Au et Pt sans particules d'Electroninks.
III.PROCÉDÉ D'IMPRESSION PAR JET D'AÉROSOL
L'impression par jet d'aérosol est l'une des méthodes de dépôt sans contact. Le schéma de ce procédé d'impression implique la projection d'un brouillard d'encre produit par atomisation ultrasonique ou pneumatique. Les encres Au et Pt d'Electroninks sont spécialement conçues pour l'atomisation ultrasonique qui permet d'atteindre une résolution d'impression plus élevée que le processus d'atomisation pneumatique. Le processus d'impression de circuits, de capteurs ou d'interconnexions avec une imprimante à jet d'aérosol (système OPTOMEC ou système IDS nanojet) utilisant l'encre Au ou Pt sans particule d'Electroninks est principalement déterminé par les clients et les substrats. Cependant, un processus typique est décrit ci-dessous :
Préparation - la préparation et le nettoyage du substrat sont déterminants pour réduire les défauts et obtenir une bonne adhésion des motifs imprimés à la surface du substrat. Prenons l'exemple d'une surface plane sans aucun substrat monté en surface : les substrats seront nettoyés avec un solvant commun afin d'éliminer tout résidu ou poussière de la surface. Le substrat passera ensuite par une étape de déshydratation pour évaporer le solvant. D'autres nettoyages ou préparations peuvent également être appliqués lors de cette étape, comme l'ozone UV et le plasma.
Mise en correspondance et correction de la taille - le substrat est placé sur le plateau de l'imprimante. La caméra d'alignement de l'imprimante mesure avec précision les dimensions de la surface, qui seront utilisées pour tracer la surface dans AutoCAD®. Le client dispose généralement de la conception CAO des substrats, mais cette étape est néanmoins nécessaire pour aligner la conception CAO et la taille réelle du substrat. Une modification/correction de la taille est nécessaire si un décalage est détecté entre le fichier CAO et la mesure réelle.
Conception - Les motifs seront conçus sur la base de la surface cartographiée/modifiée dans AutoCAD. Les tampons peuvent être imprimés par remplissage en serpentin ou en périmètre.
Impression - Les encres Au/Pt sans particules d'Electroninks sont projetées en aérosol par l'atomiseur à ultrasons. Grâce à la nouvelle formulation de l'encre, le solvant volatil s'évapore pendant le trajet entre l'atomiseur et les têtes d'impression et la réaction chimique crée un mince film précurseur d'Au/Pt sur la surface du substrat. La réaction chimique crée un film mince de précurseur Au/Pt sur la surface du substrat. Le film de précurseur Au/Pt est collant et gélifié, de sorte que l'impression peut atteindre une bonne qualité d'impression même avec un plateau RT. La largeur du flux d'encre peut être contrôlée par une combinaison de la pointe d'impression, du gaz de gaine, du gaz porteur et de la vitesse d'impression. Plusieurs couches sont appliquées pour obtenir l'épaisseur de film/OPS souhaitée sans aucun temps d'attente entre les couches.
L'encre Pt d'Electroninks peut être durcie par UV et obtenir des propriétés électriques comparables ou supérieures.
IV. SYSTÈME DE JET D'AÉROSOL IDS
Integrated Deposition Solution (IDS) a développé la technologie de tête d'impression par jet d'aérosol de nouvelle génération. La figure 1 montre une image de l'imprimante de bureau et de la tête d'impression NanoJet. Ce procédé de projection, appelé NanoJet, s'appuie sur une focalisation hydrodynamique et aérodynamique pour collimater et concentrer une large distribution de la taille des gouttelettes d'aérosol, ce qui permet d'imprimer des lignes d'une qualité exceptionnelle. La technologie NanoJet s'appuie sur l'utilisation de plusieurs lentilles aérodynamiques pour concentrer les gouttelettes d'aérosol les plus fines dans un flux d'aérosol qui, historiquement, aurait conduit à une pulvérisation excessive sur les bords de la ligne imprimée. Quelques exemples de lignes imprimées par aérosol NanoJet avec les encres Electroninks seront présentés dans la partie V.
Figure 1 : Photo montrant (a) l'imprimante de bureau NanoJet et la nouvelle génération (b) de tête d'impression aérosol Nanojet développée à l'IOS.
V. STRUCTURES D'OR ET D'ARGENT IMPRIMÉES PAR JET D'AÉROSOL
Impression d'or par un système de jet d'aérosol IDS : L'encre Au sans particules d'Electroninks présente une fraction solide d'environ 4 à 10 % en poids, mais le rendement massique est compétitif par rapport aux encres à base de NPs. L'encre est concentrée dans l'atomiseur et les solvants à haute pression de vapeur seront éliminés tout au long du trajet entre l'atomiseur à ultrasons et la tête d'impression afin de garantir un rendement de masse décent. L'encre déposée est visuellement translucide et collante sur le substrat, comme le montre la figure 2(a). Grâce à cette nouvelle formulation d'encre, l'encre Au sans particules d'Electroninks peut être imprimée sur un plateau à température ambiante avec un rendement massique relativement élevé. Cette propriété est essentielle pour l'impression sur des surfaces conformes. La figure 2(b) montre une structure de résistivité à 4 points imprimée avec l'encre Au sans particule Electroninks par le système de jet d'aérosol. La structure imprimée est durcie thermiquement à 300° C pendant 1 heure pour obtenir la meilleure conductivité électrique.
La figure 3 montre le MEB des échantillons d'or ci-dessus. Bien que la formation d'un collet et la fusion d'amas d'or soient observées sur la face supérieure de la figure 3(a), la taille moyenne des particules est estimée à 100 nm. Le film d'or polymérisé est très dense sur la section transversale de la figure 3(b), l'épaisseur finale est mesurée à 900 nm.
Figure 2 : Impression de l'encre Au sur le verre (a) avant le durcissement thermique ; (b) après le durcissement à 300°C pendant 1h.
Figure 3 : (a) Top side ; (b) cross section SEM images of Au sample per conditions in chart
Les débordements et les taches satellites sont inévitables dans l'impression par jet d'aérosol. L'overspray et les taches satellites sont causés par des gouttelettes moins lourdes dont l'inertie est insuffisante pour être focalisées par le gaz de la gaine centrale et déposées le long du bord des lignes dessinées. L'encre Au sans particules d'Electroninks a une excellente atomisation et présente un overspray et des taches satellites limités lors de l'impression de traits fins par le système IDS. La figure 4 montre une image optique de lignes fines imprimées par un système IDS NanoJet avec une largeur de ligne d'environ 60μm. Cette amélioration de la définition des bords de ligne et de la qualité globale des lignes fait que l'encre Au sans particules d'Electroninks convient à l'impression d'interconnexions denses dans l'électronique compacte.
Figure 4 : Trait fin imprimé avec l'encre Au d'Electroninks par un système IDS, séché selon les conditions du tableau.
Impression d'argent par un système de jet d'aérosol IDS :
L'encre d'argent sans particules d'Electroninks a une charge d'argent de 14 % et possède le même mécanisme de formulation d'encre que l'encre d'or d'Electroninks pour garantir un rendement élevé. La plupart des encres à l'argent existantes sur le marché doivent être imprimées à une température élevée pour éviter qu'elles ne s'étalent pendant l'impression. Cela limite l'impression sur les surfaces conformes ou sur les substrats 3D. L'un des points forts de l'encre d'argent d'Electroninks est sa capacité à imprimer des structures à haut rapport d'aspect sans plateau chauffé. La figure 5(a) montre une impression de caractéristiques fines réalisée par l'encre d'argent Electroninks sur un plateau à température ambiante. Les caractéristiques imprimées ont minimisé l'overspray et les taches satellites, la largeur de ligne est mesurée à 15μm avec une épaisseur approximative de 2μm, comme le montre la figure 5(b).
Figure 5 : (a) Caractéristiques fines imprimées par l'encre Ag d'Electroninks ; (b) profil des caractéristiques fines imprimées.
Les premiers efforts de développement des technologies de projection d'aérosols se sont concentrés sur l'impression de caractéristiques de lignes très fines avec une largeur de ligne aussi petite que 10μm, ce qui est illustré à la figure 5. Bien que cette capacité soit très utile pour une variété d'applications, certains efforts plus récents ont porté sur l'augmentation du taux de sortie de matériau de l'IDS NanoJet pour répondre aux demandes d'applications de production à plus haut débit. La figure 6(a) présente un exemple de structure imprimée pour des applications RF. Ces structures ont été imprimées avec l'encre argentée Electroninks à une température de 120°C. Les mesures de profilométrie pour ces structures imprimées sont présentées sur la figure 6(b). Pour ces structures particulières, plusieurs passages d'impression ont été utilisés pour obtenir l'épaisseur de couche imprimée. Comme le montrent les données de profilométrie, l'épaisseur de la couche imprimée varie quelque peu et une optimisation supplémentaire est nécessaire pour améliorer l'uniformité des caractéristiques ; toutefois, ces caractéristiques sont utiles pour le travail de preuve de concept demandé. La hauteur moyenne de la structure imprimée est de 20μm et la hauteur maximale est de 40μm. Ces types de structures imprimées s'avèrent utiles pour une variété d'applications. Un dispositif en cours de développement comprend un stimulateur flexible et implantable où des bobines imprimées plus épaisses fournissent une efficacité de couplage de puissance élevée au dispositif implanté à une distance allant jusqu'à 5 cm de la source de puissance.
Figure 6 : (a) structures imprimées par NanoJet pour l'évaluation des performances RF, (b) profilométrie montrant la hauteur mesurée des structures imprimées par NanoJet.
Un autre avantage important de l'impression par jet d'aérosol est la distance de travail étendue entre la face de sortie de la buse d'impression et la surface du substrat d'impression. Le flux d'aérosol de l'IDS NanoJet étant collimaté, il est possible de réaliser des impressions propres avec un espacement entre la face de la buse et le substrat d'impression allant de 1 à 5 mm ou plus. Cette capacité peut être particulièrement utile pour imprimer des caractéristiques sur des substrats non traditionnels.
Un exemple d'une telle impression est illustré à la figure 7. Le substrat est un dôme en plastique imprimé en 3D et l'encre argentée Electroninks a été utilisée par un système IDS pour imprimer un circuit à pont complet et à jauge de contrainte sur le dôme. Cette démonstration a été utilisée pour présenter les récentes avancées dans le domaine de l'électronique imprimée. En combinant la technologie d'impression en aérosol de nouvelle génération d'IDS NanoJet avec les encres sans particules d'Electroninks, il a été possible de démontrer la capacité d'imprimer un circuit électronique sur une surface de forme complexe de manière continue en utilisant une encre qui a pu être polymérisée in-situ pendant l'impression sur un substrat à basse température de fusion. Ce circuit de démonstration faisait partie d'un projet de preuve de concept plus vaste visant à démontrer la capacité d'intégrer des capteurs dans une structure où les capteurs sont inactifs jusqu'à ce qu'ils soient interrogés à l'aide de la télémétrie à distance pour alimenter et communiquer avec le capteur afin de mesurer par intermittence les changements dans la réponse du capteur.
Figure 7 : Circuit de jauge de contrainte à pont complet imprimé par aérosol sur un substrat thermoplastique imprimé en 3D à basse température.
VI. CONCLUSION
Les progrès de la fabrication additive affectent littéralement la forme, la taille et même l'objectif des nouveaux produits qui doivent encore être créés par les entreprises industrielles et de consommation. Cet article présente une nouvelle fabrication de capteurs et de circuits sur une variété de surfaces en utilisant les encres métalliques sans particules d'Electroninks avec la nouvelle génération de NanoJet fournie par le système IDS. La combinaison des encres sans particules Electroninks et du système IDS NanoJet permet d'obtenir un rendement plus élevé, une meilleure qualité d'impression et un coût plus faible pour la fabrication de composants électroniques par rapport aux autres technologies d'impression numérique traditionnelles. Les encres Ag et Au d'Electroninks peuvent être traitées à température ambiante et sont d'excellents candidats pour l'impression sur des surfaces complexes. L'encre Ag d'Electroninks offre une résistivité de 5 à 7 uohm-cm tandis que l'Au peut offrir une résistivité de 6 uohm-cm. La faible résistivité nécessite moins de passages d'impression et permet d'économiser du temps et des efforts par rapport aux autres encres du marché. Des essais pilotes ont montré que la technologie de jet d'aérosol de nouvelle génération d'IDS utilisant les encres sans particules Electroninks peut imprimer une gamme de tailles d'éléments allant de 20μm de large par 2μm de haut à mm de large par 20μm de haut sur des surfaces même conformes, les éléments imprimés ont montré une meilleure qualité de bord avec moins de taches satellites et d'overspray.
AUTHORS
Yuan Gu, scientifique principal, Electroninks Ayan Maity, scientifique principal, Electroninks Steven Brett Walker, CEO, Electroninks Dr. Marcelino Essien, president, IDS
Dr. Yun Li, IDS
Jacob Chavez, IDS
David Keicher, vice-présidente, IDS
AUTEUR DE LA COMMUNICATION :
Melbs LeMieux, président, Electroninks
[This is automatically translated from English]