métallisation par jet à surface sélective.
L'impression numérique à jet fin est l'un des développements les plus importants de l'électronique additive. L'impression à jet d'encre elle-même a beaucoup progressé, allant même jusqu'à l'industrialisation R2R. Cependant, le jet d'encre a deux limites en tant que technologie : (1) une résolution limitée, (2) une gamme de viscosité d'encre limitée, et (3) un débit limité par tête d'impression. Nous présentons ici plusieurs technologies numériques et hybrides qui peuvent surmonter ces limites.
XTPL- microdispensation avec des pâtes NP innovantes, non newtoniennes et hautement chargées.
La première est la technologie de microdistribution développée par XTPL avec des diamètres de buse de l'ordre de 0,5 à 12 um. Elle présente une combinaison unique d'impression numérique ultrafine (quelques microns) sur des surfaces planes et non planes ET de pâtes de nanoparticules (Ag, Cu, Au) hautement conductrices (40 % d'Ag en vrac ?) et très visqueuses. Ainsi, cette technologie fait progresser l'art non seulement en augmentant la résolution de l'impression numérique au-delà de ce que permet le jet d'encre, mais aussi en permettant l'utilisation de pâtes conductrices beaucoup plus conductrices et hautement chargées.
L'innovation ici n'est pas seulement la machine de microdistribution, mais aussi les pâtes de nanoparticules hautement chargées, uniques et non néo-totones. Les pâtes d'AgNP ont une charge élevée (>85% en poids dans certains cas), de petites particules (45nm), et sont dans des solvants d'éthylène glycol. Les pâtes nécessitent des températures de frittage relativement élevées (250-300C) mais offrent une conductivité élevée, par exemple 4,2 uOhm.cm pour l'encre avec une charge de 80 % en poids.
Dans la première diapositive ci-dessous, vous pouvez en apprendre davantage sur la machine de microdistribution elle-même. Elle a actuellement une taille de substrat d'environ 50 mm x 50 mm. La vitesse d'impression maximale est d'environ 10 mm/s. Les contrôleurs du moteur XY et du moteur Z ont une précision de 2um et 0,5um, respectivement.
Dans la diapositive suivante, nous pouvons voir les types de structures qui peuvent être imprimées. Dans le tableau de référence, il est démontré qu'ils peuvent atteindre des largeurs de ligne de 2um avec une conductivité de l'Ag massif >40%, ce qui surpasse les autres rapports de la littérature. À droite, on peut voir les types de structures imprimées, montrant que les structures imprimées présentent des rapports d'aspect élevés.
Compte tenu de la nature hautement chargée des pâtes ainsi que de l'étroitesse de la buse, la crainte d'un colmatage constant existe. Dans la diapositive suivante, il est montré que les pâtes non newtoniennes peuvent être imprimées à travers une buse de 2,5 um pendant de longues périodes, ce qui démontre la stabilité du processus. Dans la dernière diapositive, nous présentons les structures qui peuvent être imprimées.
Impression électrohydrodynamique : Repousser les limites du jet d'encre
L'EHD est l'un des développements les plus remarquables dans le domaine de l'électronique additive. Elle offre plusieurs avantages clés par rapport au jet d'encre traditionnel : (1) elle permet d'atteindre des résolutions inférieures aux capacités actuelles du jet d'encre, (2) elle peut gérer une plus large gamme de viscosités d'encre et (3) elle peut couvrir des topographies non planes.
L'EHD peut imprimer des gouttes d'un diamètre inférieur à 500 nm. Elle peut atteindre une résolution de 1 à 10 um, ce que le jet d'encre standard aurait du mal à faire. En outre, elle peut traiter des pâtes dont la viscosité est de l'ordre de 1000 Cp. Étant donné que le principe est basé sur des particules tirées par une force électrostatique, alors qu'elles sont poussées par une force mécanique comme c'est le cas avec le jet d'encre, la trajectoire des particules peut être contrôlée, ce qui permet d'imprimer sur des topographies 3D ou non planes. Ce sont là des avancées technologiques importantes.
Dans la deuxième diapositive, vous pouvez voir des exemples d'impression de lignes, de gouttelettes et d'autres motifs, démontrés par Enjet. Dans le cas des lignes, on peut voir des L/S allant de 2/2um à 80/80um, démontrant à la fois la polyvalence et les capacités d'impression de lignes ultrafines de cette technologie. Dans l'encadré, l'impression numérique sur une surface non plane est montrée, démontrant une bonne couverture des étapes.
Le problème de cette technologie est sa lenteur. La plupart des systèmes sont des systèmes de R&D avec une seule tête. Cependant, des entreprises développent actuellement des systèmes d'impression multi-têtes à l'échelle industrielle. La vidéo ci-jointe montre l'impression par Scrona d'un réseau de buses multiples de lignes de 0,5-1um Ag NP. C'est un résultat fantastique car il montre une voie vers l'impression à l'échelle industrielle de lignes ultra fines, au-delà de ce que le jet d'encre permet.
Les dernières diapositives montrent quelques applications. L'espace d'application est en fait large et en expansion. L'EHD peut être utilisée pour imprimer numériquement des micropads pour le placement de microLEDs de plus en plus petites (la matrice fixe-t-elle une encre Ag sans particules ??); elle peut être utilisée pour imprimer des points quantiques (QDs) sur des matrices de microLEDs de plus en plus petites, permettant la conversation des couleurs ; elle peut être utilisée pour réparer les métallisations imprimées et les électrodes de bord enveloppantes pour les microLEDs ou pour réparer les TFTs après la production ; elle peut être utilisée dans l'emballage des semi-conducteurs pour imprimer numériquement les interconnexions ou le blindage ; etc etc.
Pour en savoir plus, participez au TechBlick Innovation Festival (24 juin - gratuit | en ligne) ici. Lors de ce festival, Fraunhofer IAP présentera les dernières nouveautés en matière d'EHD de QDs pour les applications d'affichage et DoMicro présentera ses perspectives en matière d'impression EHD, peut-être pour une intégration en première monte.
LIFT Processs : numérisation de l'impression par sérigraphie et pochoir
Le LIFT ou transfert avant induit par laser est un procédé permettant le dépôt numérique sans contact de pâtes conductrices très visqueuses et même d'adhésifs et de soudures. Ce procédé est en opposition avec le jet d'encre qui imprime numériquement des encres à faible viscosité.
Le principe de fonctionnement est démontré dans la première diapositive. Un film transparent est recouvert uniformément d'une fine couche de pâte. Lorsque des impulsions laser frappent un point du film, si la pâte est correctement formulée, elle se détache et atterrit sur le substrat. En tant que telle, cette technique ouvre la voie à l'impression sans masque ni buse de motifs de divers matériaux visqueux sur n'importe quel substrat.
La deuxième diapositive montre les différents matériaux qui pourraient être imprimés. Le tableau provient de IO Tech, ce qui suggère qu'une large gamme de matériaux disponibles dans le commerce peut être imprimée par LIFT. Bien sûr, ce n'est pas aussi simple que cela, car de nombreux paramètres doivent être optimisés, par exemple la fluence laser, la fréquence d'impulsions, la distance entre le film et le substrat, la vitesse d'impression, l'épaisseur du film, les propriétés d'amincissement par cisaillement de la pâte, le substrat cible, etc, etc.
J'ai inclus quelques modèles imprimés tirés de la littérature. Il s'agit de lignes droites imprimées à l'aide de pâtes de métallisation PV, qui montrent que des largeurs de ligne étroites ainsi que des rapports d'aspect très élevés peuvent être obtenus. Dans un exemple, une largeur de ligne de 65um est obtenue. Notez que cette largeur est supérieure à l'état de la production en sérigraphie de pâtes PV (34 um).
Dans les diapositives suivantes, vous pouvez voir diverses démonstrations. Dans ces exemples, la pâte à souder est imprimée par LIFT, les adhésifs sont déposés, ou les interconnexions d'emballage sont fabriquées (dans cet exemple, une largeur de ligne de 20 um est revendiquée, bien que nous n'ayons pas encore vu de vérification). Enfin, vous pouvez voir que les encres à nanoparticules d'Ag et de Cu peuvent également être formulées pour être compatibles avec le LIFT. En général, ces exemples démontrent que le LIFT peut aller là où le jet d'encre ne peut pas aller.
En général, le LIFT est une technologie intéressante. Sa production n'est pas encore totalement commercialisée bien que le principe du LIFT soit bien établi depuis quelques années. Les derniers efforts visent à créer une machine R2R à l'échelle industrielle capable d'imprimer des matériaux multiples. Ce sera un espace intéressant à observer, surtout s'il parvient effectivement à imprimer des largeurs de trait fines à l'aide de pâtes visqueuses de manière numérique (sans masque ni buse) mais à grande vitesse.
Rejoignez le TechBlick Innovations Festival (24 juin 2022 | GRATUIT | En ligne) pour entendre Keiron Printing Technologies, une start-up d'Eindhoven qui développe et commercialise une nouvelle machine LIFT.
R2R : métallisation sélective par jet pour une production de niveau industriel
JetMetal Technologies a mis au point un nouveau procédé qui permet de métalliser des surfaces par jet avec un contrôle sélectif de la zone. Dans cette technique, deux composants à base d'eau sont pulvérisés sur une surface et, via un processus d'oxydoréduction dans des conditions de température et de pression atmosphériques, une fine couche de métal pur (dans ce cas, principalement de l'Ag) est formée. L'épaisseur peut varier de 10nm à 5um mais est le plus souvent de quelques centaines de nanomètres.
Ce procédé est donc un pont entre le processus de peinture à haut débit et le dépôt de placage fin et contrôlé. Les lignes formées sont proches de l'Ag pur, et offrent donc une conductivité élevée. En effet, JetMetal Technologies suggère qu'ils peuvent atteindre 85-90% de la conductivité de l'Ag massif sur un substrat PET lisse lorsque le revêtement pulvérisé a une épaisseur de 500nm.
La finesse et la haute conductivité se distinguent clairement des pâtes et des encres traditionnelles à base de particules, car ces encres traditionnelles présentent généralement une conductivité de l'Ag en vrac de 20 à 30 % lorsqu'elles sont appliquées sur des substrats PET à faible température. En outre, à l'exception des encres à jet d'encre ou sans particules, les niveaux d'épaisseur imprimés sont généralement de l'ordre de quelques micromètres. Comme les encres et les pâtes imprimées, la métallisation par jet devra également prouver son adhérence à différents substrats.
Un défi pour tout processus de pulvérisation ou de jet est la capacité de réaliser une métallisation de zone sélective. JetMetal a développé un procédé hybride dans lequel une encre diélectrique est d'abord imprimée (sérigraphie, jet d'encre, héliogravure, etc.) pour servir de masque. La métallisation par jet applique ensuite l'Ag, métallisant les parties exposées et (ceci est crucial) enlevant l'encre de masquage en même temps. Par conséquent, aucun décollage ou procédé similaire ne sera nécessaire. Nous imaginons que le processus doit être soigneusement contrôlé afin d'obtenir la bonne épaisseur de métallisation et que l'encre de masquage soit entièrement dissoute au bon moment afin qu'aucun résidu d'encre ne soit pulvérisé.
Comme le montrent les diapositives ci-dessous, JetMetal dispose en interne d'une machine de sérigraphie S2S (400x400mm avec une résolution >50um) ainsi que d'une ligne pilote de métallisation par jet R2R (400m de large, vitesse de bande <3m/min).
De multiples applications sont présentées dans les diapositives.
Antenne RF : une couche mince et très lisse (Sa<20nm) est déposée, permettant d'obtenir une conductivité globale de l'Ag de 90% avec une résolution >50um. Les propriétés sont montrées dans la diapositive
Chauffage à base de PI avec une couche d'Ag homogène de 50nm.
Une maille métallique avec une largeur de ligne de 150nm et une ouverture de >90% agissant comme un chauffage à film mince semi transparent.
un circuit 3D thermoformé avec une élongation de <1000%. Ceci est intéressant car dans leur cas, ils allongent d'abord l'encre de masquage puis métallisent la forme 3D en utilisant le processus de jet. Ainsi, l'élongation des encres conductrices remplies de particules ne sera pas le facteur limitant.
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