Impression et recuit de nanoparticules métalliques pour l’électronique imprimée

1 - Contexte

2 - Principe et mise en oeuvre du procédé additif d’impression par jet d’encre

• 2.1 - Principe du jet d’encre pour l’électronique imprimée
  Figure 2 - Quelques techniques d’impression directe : la méthode LIFT (a), par aérosol (b) ou par jet d’encre (c) Figure 3 - Quelques équipements industriels d’impression par jet d’encre disponibles sur le marché : la PixDRO IP410 de Roth & Rau (a), la CeraPrinter-X de Ceradrop(b) et la Dimatix DMP-3000 de Fujifilm (c) Figure 4 - Impact de l’inclinaison de la tête d’impression sur la résolution des motifs déposés : position standard sans inclinaison (a) et avec une inclinaison à 45° (b) Figure 5 - Schéma indiquant la forme d’onde bipolaire typique appliquée sur un actionneur piézoélectrique (a) et son impact sur les interactions de l’onde acoustique générée (b) Figure 6 - Les étapes successives de formation d’une goutte au niveau d’une buse d’éjection (a) et visualisation de la déviation d’un jet d’encre au niveau de la plaque à buses de la tête d’impression (b) Figure 7 - Illustration d’une structure conductrice déposée sur un substrat en polyimide (a) avec un détail de la structure (b) : consigne sous la forme d’une matrice de pixels (haut) et la résultante de la déviation d’un jet d’encre sur les dimensions des structures imprimées (bas) Figure 8 - Distribution de l’erreur quadratique moyenne de placement (gauche) et du diamètre équivalent (droite) des gouttes déposées sur un substrat polyimide
• 2.2 - Interactions fluide-substrat
  Figure 9 - Diagramme des régimes caractéristiques d’impact en fonction des nombres de Weber et d’Ohnesorge Figure 10 - Évolution de l’étalement d’une gouttelette au cours des différentes phases (a) et simulation à volume de fluide constant de la déformation de l’enveloppe d’une goutte ayant un diamètre initial d0 de 80 µm et une vitesse de 10 m · s−1 au moment de l’impact (b). t* et d* indiquent des valeurs relatives Figure 11 - Schéma et morphologie de lignes avec un espacement entre les gouttes imprimées de plus en plus réduit : gouttes isolées (a), ligne festonnée (b), ligne uniforme (c) ou ligne avec bourrelet (d) Tableau 1
• 2.3 - Procédé de fabrication d’encres d’impression à base de nanoparticules métalliques fonctionnalisées
  Figure 12 - Distribution de la température et de la vitesse d’un flux Marangoni dans une goutte de 500 nL de toluène sur un substrat en téflon Tableau 2

3 - Recuit sélectif des encres à base de nanoparticules métalliques sur support souple

• 3.1 - Problématique du recuit d’encres métalliques sur support souple
• 3.2 - Coalescence des nanoparticules et croissance de grains
  Figure 13 - Impact du diamètre de la particule d’argent sur la température de fusion apparente suivant plusieurs modèles théoriques en conjonction avec des valeurs obtenues expérimentalement Figure 14 - Évolution des zones de contact entre trois particules sphériques au cours de la coalescence, où six chemins de diffusion atomique sont privilégiés (tableau 3) Tableau 3
• 3.3 - Méthodes et principes de recuit de coalescence
  Figure 15 - Hypothèse de scénario des étapes successives se produisant au cours du procédé SPS, ici entre deux particules Figure 16 - Schéma de l’oscillation du plasmon, montrant le déplacement du nuage des électrons de conduction par rapport au noyau (a) et impact de cette oscillation sur le spectre de transmission des nanoparticules d’argent (b) Figure 17 - Évolution de la microstructure en surface d’une couche mince d’argent après un recuit rapide par infrarouge (a) ou un recuit micro-ondes hybride (b) pendant 15 min pour différentes conditions de température
• 3.4 - Bilan sur les recuits sélectifs

4 - Caractérisation des propriétés structurales et d’usage des structures conductrices

• 4.1 - Caractérisation microstructurale des films minces recuits
  Figure 18 - Image MEB de la surface d’un film de nanoparticules d’argent après séchage de l’encre dans une étuve à 200 °C pendant 5 min (a) avec le contour des grains obtenu après une opération de seuillage (b) Figure 19 - Distribution de la taille des grains en surface de films d’argent à base de nanoparticules, après une analyse d’images MEB, pour des recuits en étuve à 200 °C pendant 5 min (a) ou 120 min (b) Figure 20 - Image MEB d’un système de macles Σ3 découlant d’une rotation-glissement à l’intérieur d’un grain d’argent obtenu par chauffage de nanoparticules à 500 °C Figure 21 - Cartographies d’orientation montrant l’évolution de l’orientation cristallographique des nanoparticules, dans la direction normale au plan (Z1), en fonction des conditions de recuit infrarouge (a, b, c), radicalement différente d’un film mince conventionnel déposé par PVD (d). Le code couleur des cartographies, correspondant aux indices de Miller du domaine considéré, est indiqué par le triangle standard (bas, droite) indiqué par le triangle standard (f) Figure 22 - Graphique d’Arrhenius représentant l’évolution de la taille des cristallites d’argent en fonction de la température pour un recuit infrarouge, un recuit d’interdiffusion et un recuit micro-ondes Figure 23 - Pics de diffraction obtenus par DRX en haute résolution sur des couches minces d’argent après un recuit à 150 °C, 300 °C ou 500 °C Figure 24 - Scénario de coalescence de nanoparticules d’argent dans l’encre considérée Tableau 4 Tableau 5
• 4.2 - Propriétés électriques des interconnexions
  Figure 25 - Évolution de la résistivité électrique en fonction de la température, pour un temps de recuit fixé à 10 min (a), et en fonction du temps pour un recuit à 150 °C et 300 °C (b) Figure 26 - Évolution de la taille de grain et du coefficient de réflexion aux joints de grain en fonction de la température de recuit (infrarouge), déterminée à partir du modèle de Mayadas-Shatzkes Figure 27 - Évolution de la résistivité électrique (en bleu) et du coefficient de réflexion aux joints de grains (en rouge) pour un recuit infrarouge ou micro-ondes. Dans les deux cas, la rampe de chauffage est fixée à 10 °C/s et le temps de recuit à 15 min
• 4.3 - Applications aux dispositifs microélectroniques

5 - Conclusions et perspectives en électronique imprimée