Impression sur Si PV, substrats extensibles, impression autonome, encres à basse température
Cet article passe en revue diverses technologies dans le monde de l'électronique additive, notamment la nanolithographie par laminage, le frittage/refoulement de soudure à la lumière intense, les tendances et la feuille de route en matière de métallisation de la face avant des panneaux photovoltaïques en silicium, les substrats étirables compatibles SMT à haute température, le revêtement et l'impression autonomes, les encres à base d'argent NP à basse température, etc.
Participez à notre festival des innovations le 24 juin 2022 (en ligne), où ces technologies et bien d'autres seront présentées. Vous pouvez également nous rejoindre sur place à Eindhoven (12-13 octobre 2022) pour rencontrer la communauté mondiale en personne. Pour en savoir plus, cliquez ici
Nanolithographie par roulement : Procédé industriel R2R pour la création de caractéristiques de l'ordre du micron et du submicron.
La nanolithographie par roulement permet d'obtenir une résolution linéaire inférieure à 1 um par rapport à laighographie R2R. Cette technologie, mise au point par Meta Inc (Meta Materials Inc), comprend un rouleau autour duquel un masque est enroulé et à l'intérieur duquel se trouve une lumière UV. Le masque enveloppé est lui-même fabriqué par lithographie par faisceau d'électrons, ce qui lui confère des caractéristiques très fines. Par conséquent, le masque peut supporter, comme la technologie de la nanoimpression, des caractéristiques à l'échelle nanométrique. Toutefois, l'exposition aux UV elle-même peut limiter la taille des caractéristiques à 500 nm ou 1 um.
La taille actuelle de la bande est de 300 mm, bien que Meta développe une technologie permettant de passer à une largeur de bande de 1200 mm. Dans ce cas, un processus par étapes et répétitions peut être utilisé pour créer des masques roulants plus grands (remarque : il peut y avoir des discontinuités de 100 um de large et donc ne pas être totalement sans couture, mais il existe des solutions de contournement pour cela).
Pour réaliser une métallisation à ligne ultrafine en une seule couche, une résine photosensible est d'abord déposée, puis modelée à l'aide du masque UV roulant. Ensuite, une fine couche de métal est évaporée par R2R (AI ou Ag, par exemple) avant de créer le motif final dans un processus de lift-off R2R. Des caractéristiques ultrafines avec un excellent rapport d'aspect (300nm/100nm) peuvent être obtenues.
Il s'agit d'un procédé R2R ou R2S industriel à large bande qui permet d'imprimer des caractéristiques de quelques microns ou même submicroniques sur des bandes de 1,2 m de large, à des longueurs de 6 km et à des vitesses d'impression de 2 à 10 m/min.
Les diapositives ci-jointes montrent des exemples de produits. Sur la diapositive 2, vous pouvez voir les exemples de tailles de traits fins obtenus, ce qui place la technologie dans la même gamme de tailles de traits que les nanofils d'argent. Dans la diapositive 3, vous pouvez voir la démonstration d'une maille métallique en Al et Ag avec un L/S de 500nm/30um atteignant 3,5-5 ohm/sqr à 96% de transparence. Le graphique de bechmarking montre que cette technologie de nanofils peut surpasser toutes les autres options en termes de faible résistance de feuille et de transparence élevée.
Métallisation du photovoltaïque : État de la pratique, état de l'art et feuille de route de l'industrie
Le photovoltaïque (PV) au silicium est l'un des marchés les plus importants au monde pour l'électronique imprimée. En effet, chaque tranche de silicium porte une petite quantité de pâte d'argent sérigraphiée par cuisson. En effet, il pourrait s'agir du plus grand marché mondial.
Le graphique ci-dessous - tiré de la feuille de route de l'industrie ITRPV 2022 - montre la quantité de métallisation d'argent utilisée par tranche (métallisation avant et arrière) par watt en fonction du type de silicium photovoltaïque (type p monofacial, type n TOPCon, type n HJT, etc.). Elle montre qu'aujourd'hui, environ 25 à 30 tonnes sont utilisées par GW d'énergie solaire pour le PV de type n HJT et environ 12 à 14 tonnes pour les types monofaciaux et bifaciaux. Compte tenu de la taille du marché du PV, cela représente un marché de plus de 100 tonnes par an !
Comme le montrent les graphiques ci-dessous, la sérigraphie reste la technologie la plus répandue pour la métallisation, malgré les tentatives à long terme d'autres technologies de faire ne serait-ce qu'un petit pas dans ce domaine. À long terme, d'autres technologies telles que le placage sur couche d'ensemencement ou l'impression au pochoir devraient prendre pied, mais nous avons déjà entendu cette histoire trop souvent.
Il existe différentes techniques de sérigraphie. L'impression simple et l'impression double (le doigt et la barre de bus sont imprimés séparément en deux étapes distinctes) sont les techniques les plus courantes. La double impression (impression d'une deuxième couche sur une sérigraphie déjà réalisée pour un meilleur rapport d'aspect) est également populaire. L'avantage de la double impression est que l'on peut utiliser différents types de pâte pour les doigts et les barres omnibus, ce qui donne des résultats optimaux.
Il y a bien sûr toujours une tendance à réduire la largeur des lignes sérigraphiées, tout en conservant un rapport d'aspect élevé, un excellent contact ohmique et une haute conductivité. C'est la direction du développement depuis des années. Aujourd'hui, l'état de la pratique en production est une largeur de ligne sérigraphiée d'environ 34-35 um. L'industrie s'attend à ce qu'elle évolue vers une largeur de ligne de 20 um, ce qui est très étroit pour la sérigraphie et représenterait un réel progrès de l'art.
Dans la diapositive ci-dessous, vous pouvez voir un exemple de Fraunhofer ISE (2019) montrant un doigt sérigraphié avec une largeur de trait et une hauteur de 19um et 18um, respectivement. C'est, à mon avis, l'état de l'art, et cela nécessite une collaboration étroite de tous les acteurs concernés, des fabricants de mailles en acier inoxydable aux fabricants de pâte et de particules, en passant par les fabricants d'émulsions, etc.
Il s'agit d'un marché incroyablement important pour l'industrie de l'électronique imprimée. En dehors de la Chine, les principaux fabricants de particules restent Dowa, Ames Goldsmith, Metalor et Technic. Il existe de nombreux fabricants de pâte, dont Heraeus, DuPont, etc. Bien sûr, étant donné que le marché est en Chine, la chaîne d'approvisionnement s'y est également déplacée, les fournisseurs chinois augmentant leur part de marché ainsi que leurs capacités technologiques. En effet, leurs poudres et pâtes ne sont plus significativement inférieures à l'état de l'art.
Pour protéger leur part de marché, les autres doivent faire évoluer leur technologie des particules/poudres et des pâtes de manière à pouvoir soutenir la feuille de route vers des largeurs de ligne imprimée toujours plus étroites sans perte d'efficacité. C'est l'un des principes directeurs qui orientent le développement technologique.
Enfin, le Fraunhofer ISE publie un excellent rapport annuel très détaillé sur l'état de l'industrie photovoltaïque mondiale. Comme on peut le voir ci-dessous, la production mondiale atteint déjà le chiffre stupéfiant de 140+ GW/an, dont 82% sont produits en Asie.
Pour soutenir l'échelle de cette industrie, toute technologie de métallisation doit avoir un excellent débit. La feuille de route de l'ITRPV 2022 décrit également le débit des étapes secondaires. Elle montre que les machines de sérigraphie traitent aujourd'hui environ 7 000 plaquettes par heure (180 x 182 mm2). Ce chiffre devrait passer à plus de 9 000 plaquettes par heure dans une décennie. Ce chiffre est inclus ici pour montrer l'ampleur du défi auquel sont confrontés les procédés alternatifs, y compris les technologies sans contact telles que le jet d'encre.
Lumière pulsée intense : Soudage rapide et à faible énergie sur le PET et le FR4
Le soudage sur des substrats flexibles est un défi car même les soudures standard à basse température à base de bismuth ne sont pas compatibles avec des substrats comme le PET ou même le PET stabilisé à la chaleur qui ne peut pas tolérer les hautes températures.
Pour surmonter ce problème, beaucoup utilisent des adhésifs conducteurs. Il s'agit d'une bonne solution, mais elle présente plusieurs inconvénients : (1) l'auto-alignement automatique de la soudure, qui est une caractéristique essentielle des processus SMT, n'est pas pris en compte ; (2) les adhésifs conducteurs peuvent contribuer à la résistivité globale, ce qui place l'électronique hybride flexible au-delà des techniques standard de FPCB à base de PI (conductivité inférieure de l'encre imprimée par rapport au cuivre brut, plus conductivité inférieure des interconnexions d'adhésifs conducteurs par rapport à la soudure standard) ; et (3) les pas étroits seront difficiles à supporter.
Le traitement thermique numérique développé par Pulse Forge Inc (issu de NovaCentrix) offre une solution. Comme le montre l'illustration ci-dessous, une impulsion rapide de lumière augmente très rapidement la température de la surface du substrat, tandis que le substrat lui-même reste relativement froid, ce qui permet de fritter des encres sur des supports à faible température comme le PET et le papier.
Cette caractéristique a été largement utilisée en relation avec les encres imprimées. Il a récemment été démontré qu'elle pouvait également être utilisée pour la soudure. La deuxième diapositive montre comment la technologie PulseForge peut, en moins d'une seconde, refondre la soudure SAC305 standard, créant de bons joints et bénéficiant également de la fonction de réalignement automatique de la soudure.
La diapositive suivante montre comment la technologie PulseForge peut être déployée pour souder sur Al sur PET, permettant, par exemple, la production R2R de feuilles de LED sur un substrat PET métallisé à l'Al.
Il est intéressant de noter que cette technologie peut également être appliquée sur des substrats FR4. Dans ce cas, il y a deux avantages cruciaux : (1) une refusion rapide en seulement quelques secondes (1-3s), ce qui permet de gagner du temps (le processus de refusion standard peut être de 235C pendant 120s, par exemple), et (2) une refusion à faible consommation d'énergie, soit 10 % de l'énergie requise pour les fours de refusion standard, ce qui rend le processus plus "vert".
La diapositive ci-dessous montre que la résistance au cisaillement des joints de soudure réalisés avec la technologie de la lumière pulsée intense et la technologie du four à refusion standard sont comparables. La diapositive suivante montre que les joints sont de haute qualité avec une très faible teneur en vide et qu'une bonne couche intermétallique fine est soudée après la refusion à la lumière pulsée.
Peut-on souder des joints en l'absence de ligne de vue directe ? Les résultats obtenus sur les QFN et d'autres boîtiers où les joints ne sont pas directement visibles démontrent que c'est possible, même si cela nécessitera, à notre avis, une optimisation notable.
En fait, nous pensons qu'un savoir-faire important de l'opérateur est nécessaire pour optimiser les paramètres d'exposition en fonction de la soudure, du substrat et des boîtiers sur une carte pour permettre le brasage à la lumière pulsée intense, car il s'agit toujours d'une technologie de refusion SMT non standard avec une nouvelle courbe d'apprentissage.
Notez que les versions en ligne des machines PulseForge peuvent traiter des substrats de 300 m de large. Ces résultats sont fantastiques. L'outil résout un problème important dans l'électronique hybride flexible. Il peut aussi certainement avoir un impact significatif dans l'activité SMT générale sur des substrats standard comme le FR4, étant donné sa rapidité et sa nature peu énergivore. L'impact dans le monde du SMT ne se fera pas du jour au lendemain, car la technologie doit encore faire ses preuves et se développer pour devenir un procédé standard, surtout si elle souhaite un jour remplacer le procédé de refusion bien établi qui peut traiter toutes les soudures sur des cartes complexes de grande taille contenant une grande variété de types de circuits intégrés et de joints.
Substrat flexible et extensible compatible avec les procédés SMT et permettant le durcissement de l'encre à haute température.
Les technologies de substrat actuelles imposent des limites sévères au potentiel de l'électronique hybride extensible ou flexible. En effet, (a) elles limitent souvent la température de durcissement des encres conductrices, ce qui limite les niveaux de conductivité bien en dessous du métal brut et (b) elles excluent la compatibilité avec les processus et matériaux SMT standard tels que la soudure par refusion.
Le tableau ci-dessous présente une comparaison des substrats flexibles et étirables les plus courants. Le substrat "flexible" le plus courant est le PET, qui est peu coûteux, résistant aux produits chimiques et offre une bonne énergie de surface pour l'impression des encres. Il présente toutefois une faible résistance à la chaleur, ce qui le rend généralement incompatible avec les procédés SMT et impose des contraintes de température sur le durcissement de l'encre, ce qui peut limiter les niveaux de conductivité atteints.
Le substrat "étirable" le plus courant est le TPU, qui offre un excellent étirement ainsi qu'une bonne surface pour l'impression, mais il est très intolérant à la chaleur et à l'humidité, et impose des contraintes encore plus sévères que le PET sur les températures de traitement des encres et des soudures/adhésifs conducteurs.
Il existe donc un besoin pour un substrat flexible et étirable, compatible avec les procédés SMD et les températures élevées. Panasonic développe un tel produit basé sur un nouveau système breveté de polymère thermodurci entièrement réticulé.
Vous pouvez voir ci-dessous une comparaison d'étirement de film, montrant comment le nouveau substrat thermodurci survit à un cycle d'étirement de 100 % sans déformation, contrairement au TPU. Dans la diapositive suivante, on peut voir comment ce substrat survit à une opération de soudure flottante (1m@260C) alors que le PET et le TPU sont complètement endommagés. Cela démontre clairement une meilleure compatibilité avec les processus SMT standard. Ensuite, vous pouvez voir la stabilité thermique du film - il conserve ses propriétés d'élongation et de traction même après 1000 cycles thermiques (-55 C à 125C).
Pour démontrer certaines applications, ils ont fritté des encres de cuivre à 230C pour former des encres de cuivre hautement conductrices. Ils ont également fait la démonstration d'une feuille de LED extensible avec des encres Ag extensibles.
Il s'agit bien sûr d'un stade relativement précoce. Les questions de coût et de volume devront être abordées, les fabricants de pâte devront peut-être ajuster la formulation des pâtes pour une bonne impression sur ce substrat, et les imprimeurs devront apprendre à traiter ce substrat.
Néanmoins, ce substrat est prometteur car il peut permettre des pâtes et des processus SMT plus conducteurs. Ce n'est pas une solution qui cherche un problème, et il répond clairement à un besoin du marché.
Vers des machines d'enduction et d'impression autonomes ?
Coatema Coating Machinery GmbH a fait preuve de développements passionnants, montrant une voie vers des machines de revêtement et d'impression autonomes et auto-optimisantes dans les dix prochaines années environ.
Comme on peut le voir ci-dessous, Coatema développe des systèmes d'impression et de revêtement multi-stations, intégrant en ligne le revêtement de matrices à fente R2R, l'impression à jet d'encre, le séchage, le traitement au laser, le frittage à lumière intense, le bobinage/débobinage, etc. L'exemple ci-dessous est une machine installée à l'OET - Organic Electronic Technologies P.C. en Grèce.
Bien sûr, l'impression et le revêtement sont des technologies complexes avec un grand nombre de paramètres. Quelques-uns de ces paramètres sont présentés ci-dessous. Par conséquent, le développement de produits et la transition du laboratoire à la fabrication peuvent être longs et difficiles, car trouver et maintenir des conditions optimales d'impression, de revêtement, de séchage et de frittage dans un système complexe à plusieurs étapes peut être un défi important, en particulier pour l'impression de dispositifs ou de structures multicouches et pour la transition du laboratoire à la fabrication.
Coatema intègre désormais de multiples points de mesure en ligne dans ses machines (voir ci-dessous). Il en résulte des millions de points de données par minute, ce qui permet d'obtenir des informations à chaque étape du processus.
Pour donner un sens à tous ces points de données, Coatema, en collaboration avec son partenaire Panda, développe des algorithmes d'IA qui permettent, par exemple, d'identifier automatiquement l'emplacement des anomalies sur les surfaces revêtues ou imprimées. Cette détection automatique des anomalies basée sur l'IA peut également être effectuée dans les séries temporelles, ce qui permet d'identifier l'emplacement ainsi que l'horodatage de l'étape de revêtement ou d'impression anormale. Pour identifier ces anomalies, comme on peut le voir ci-dessous, l'algorithme analyse en permanence les données provenant des machines d'impression et de revêtement multi-stations entièrement intégrées.
Ces développements de Coatema démontrent l'évolution future des machines d'impression et de revêtement. Ce niveau de compréhension permettra d'accélérer le développement de produits, l'optimisation et la transition du laboratoire à la fabrication, ainsi qu'un excellent maintien de la qualité uniforme sur les grands tirages de production.
Dans une perspective à long terme, elle commence à jeter les bases de machines d'impression autonomes auto-optimisantes qui trouvent et maintiennent des conditions d'impression optimales avec peu d'intervention humaine.
Encres à nanoparticules d'argent : Une conductivité toujours plus élevée pour un temps et une température de durcissement plus faibles
Les encres à nanoparticules d'argent s'améliorent chaque année. Ces améliorations sont souvent progressives, mais très importantes. L'un des axes de développement les plus constants est celui des encres qui offrent des niveaux de conductivité toujours plus élevés à une température de durcissement basse et un temps de durcissement court. Il s'agit là d'un critère essentiel, car il permet d'élargir le choix des substrats, de gagner du temps et de réduire les coûts de consommation d'énergie.
Nous présentons ici les progrès réalisés par Agfa, qui propose des encres à base de solvant et d'eau, ainsi que des encres sérigraphiques et à jet d'encre (IJ) à base de nanoparticules d'Ag. La première diapositive ci-dessous montre les progrès réalisés en matière de temps et de température de durcissement d'une encre à base de solvant et de NP d'Ag imprimable par jet d'encre. L'image de gauche est la version agrandie de l'image de droite. La comparaison des propriétés de deux encres IJ Ag NP à base de solvant : SPS201 et SPS210 frittées à différentes températures (110C, 130C et 150C).
Pour une température de frittage donnée, nous pouvons voir que SPS210 atteint un niveau de résistivité plus faible en moins de temps que SPS201, ce qui démontre clairement cette avancée progressive mais importante de la technologie des encres Ag NP. Comme le montre la diapositive suivante, l'encre Ag NP IJ SP2010 peut atteindre 3mOhm/sqr/mill lorsqu'elle est frittée à seulement 130C pendant 10min. Ces résultats sont excellents.
Les encres IJP Ag NP commencent à trouver des applications appropriées. Dans la dernière diapositive, vous pouvez voir des lignes d'Ag NP imprimées comme ligne de métallisation étroite (70um) sur une technologie photovoltaïque à couche mince (note : les lignes sérigraphiées sur Si PV sont maintenant de 34um). A côté, vous pouvez voir une application de chauffage transparent.
Ici, l'application est un stratifié photochromique pour des visières de sport automobile. La visière peut changer la transmission optique pour maintenir une bonne visibilité dans différents niveaux de lumière extérieure. L'une des limites du stratifié photochromique est qu'il ne peut changer son état de transparence que lentement. Cela peut constituer un défi lorsque le conducteur entre, par exemple, dans un tunnel, passant rapidement de la lumière intense du soleil à l'obscurité. Pour surmonter cette limitation, le stratifié peut être chauffé pour accélérer la transition. À cette fin, une solution CNT ou ITO est déployée. Les résultats sont bons, mais le chauffage homogène peut encore prendre trop de temps (40s ou plus).
Pour surmonter cette limitation, une maille métallique avec une largeur de ligne de 70um et un pas de 2mm est imprimée par jet d'encre en utilisant des encres Ag NP (SPS211). Comme on peut le voir dans la diapositive ci-dessous, il réduit la résistance à 11 ohms et permet d'obtenir un chauffage uniforme en seulement 20s, ce qui répond aux exigences. [This is automatically translated from English]