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Article

1 - CONTEXTE

2 - PRINCIPE ET MISE EN OEUVRE DU PROCÉDÉ ADDITIF D’IMPRESSION PAR JET D’ENCRE

3 - RECUIT SÉLECTIF DES ENCRES À BASE DE NANOPARTICULES MÉTALLIQUES SUR SUPPORT SOUPLE

4 - CARACTÉRISATION DES PROPRIÉTÉS STRUCTURALES ET D’USAGE DES STRUCTURES CONDUCTRICES

5 - CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES EN ÉLECTRONIQUE IMPRIMÉE

Article de référence | Réf : RE222 v1

Contexte
Impression et recuit de nanoparticules métalliques pour l’électronique imprimée

Auteur(s) : Romain CAUCHOIS, Mohamed SAADAOUI, Karim INAL

Relu et validé le 07 juin 2018

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RÉSUMÉ

Le développement récent d'encres fonctionnalisées constituées de nanoparticules métalliques, associé à la maîtrise du procédé d'impression par jet de matière, a rendu possible l'émergence de l'électronique imprimée. Les structures imprimées peuvent être traitées par des techniques de recuit sélectif qui permettent de réaliser la coalescence de nanoparticules de 20 nm à une température de procédé compatible avec les substrats plastiques flexibles. Cet article aborde les différents aspects liés à la réalisation de pistes métalliques sur substrat souple, depuis les technologies d'impression directes, jusqu'à l'adéquation entre les caractéristiques microstructurales et les propriétés électriques de telles structures pour la fabrication de dispositifs tels que des antennes, des pistes de routage ou des électrodes.

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ABSTRACT

Printing and sintering of metallic nanoparticles for printed electronics

The recent progress in functionalized inks based on metal nanoparticles and their subsequent deposition by inkjet-printing technologies promoted the emergence of printed electronics. Such printed structures can be treated by selective sintering techniques which allow the sintering of 20nm-nanoparticles at process temperatures compatible with flexible plastic substrates. This article discusses the various aspects related to the production of metal tracks on flexible substrates, from the deposition using direct printing technologies, to the link between microstructural characteristics and electrical properties of such structures for the fabrication of devices such as antennas, interconnects or electrodes.

Auteur(s)

  • Romain CAUCHOIS : Docteur-ingénieur en microélectronique - Holst Centre / TNO, Pays-Bas

  • Mohamed SAADAOUI : Chargé de recherche en microélectronique - École nationale supérieure des Mines de Saint-Étienne, Institut Mines – Télécom, France

  • Karim INAL : Professeur en mécanique et sciences des matériaux - École nationale supérieure des Mines de Paris, Institut Mines – Télécom, France

INTRODUCTION

Résumé

Le développement récent d’encres fonctionnalisées constituées de nanoparticules métalliques, associé à la maîtrise du procédé d’impression par jet d'encre, a rendu possible l’émergence de l’électronique imprimée. Les structures imprimées peuvent être traitées par des techniques de recuit sélectif qui permettent de réaliser la coalescence de nanoparticules de 20 nm à une température de procédé compatible avec les substrats plastiques flexibles. Cet article aborde les différents aspects liés à la réalisation de pistes métalliques sur substrat souple, depuis les technologies d’impression directes, jusqu’à l’adéquation entre les caractéristiques microstructurales et les propriétés électriques de telles structures pour la fabrication de dispositifs tels que des antennes, des pistes de routage ou des électrodes.

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KEYWORDS

Metal nanoparticle   |   Inkjet-printing   |   Coalescence   |   Selective sintering   |   Electrical resistivity

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-re222


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1. Contexte

Les produits électroniques grand public prennent une place de plus en plus proéminente dans la vie quotidienne de millions de gens à travers le monde. En raison des contraintes de coût et de performance, la stratégie de réalisation de circuits électroniques sur des substrats silicium est toujours guidée par la fameuse loi de Moore, ou plus récemment par les approches « More than Moore », ouvrant la voie à des architectures dites tridimensionnelles. Les récents développements autour de nouvelles classes de matériaux imprimables telles que les polymères conducteurs ou semi-conducteurs, ainsi que les nanoparticules métalliques, ont permis l’émergence de l’électronique imprimée. Tirant profit de la maturité des procédés conventionnels d’impression tels que la flexographie, la sérigraphie ou le jet d’encre, la réalisation de nouveaux dispositifs portables et flexibles est ainsi rendue possible (figure 1). De plus, une approche d’intégration hybride pourra être adoptée pour associer les hautes performances des composants à base de silicium avec les capacités de l’impression grande surface pour le développement de produits communiquants sans fil sur support souple, que ce soit pour des applications autour de la sécurité, du médical ou du confort.

L’impression de dispositifs électroniques sur support souple peut être réalisée soit par des approches dites « en contact », où l’encre passe à travers un masque ou un capillaire avant d’être déposée sur le substrat, soit par des approches dites « directes et sans contact », où l’encre est transférée directement sur le substrat à courte distance. Suivant les spécifications liées aux vitesses de défilement, aux résolutions géométriques ainsi qu’au coût, l’une ou l’autre des deux approches pourra être adoptée. En France, plusieurs plateformes technologiques dédiées à l’électronique imprimée ont ainsi vu le jour : Micro-PackS hébergée par l’École des Mines de Saint-Étienne, PICTIC du CEA Liten, XLIM de l’Université de Limoges ou encore ORGATECH de l’École Polytechnique peuvent notamment être citées. Sur le plan international, le Palo Alto Research Center (USA), le VTT (Finlande), l’institut Fraunhofer IZM (Allemagne), le Center for Process Innovation (Royaume-Uni), l’ACREO (Suède)...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - PIQUÉ (A.), CHRISEY (D.B.), AUYEUNG (R.C.Y.), FITZ-GÉRALD (J.), WU (H.D.), McGILL (R.A.), LAKEOU (S.), WU (P.K.), NGUYEN (V.), DUIGNAN (M.) -   « A novel laser transfer process for direct writing of electronic and sensor materials »  -  Applied Physics A : Materials Science & Processing, vol. 69, pp. S279-S284 (1999).

  • (2) - GUTFELD (R.J.) von, TYNAN (E.E.), MELCHER (R.L.), BLUM (S.E.) -   « Laser enhanced electroplating and maskless pattern generation »  -  Applied Physics Letters, vol. 35, n° 9, pp. 651-653 (1979).

  • (3) - HON (K.K.B.), LI (L.), HUTCHINGS (I.M.) -   « Direct writing technology – Advances and developments »  -  CIRP Annals – Manufacturing Technology, vol. 57, n° 2, pp. 601-620 (2008).

  • (4) - ADRIAN (F.J.) -   « A study of the mechanism of metal deposition by the laser-induced forward transfer process »  -  Journal of Vacuum Science & Technology B : Microelectronics and Nanometer Structures, vol. 5, n° 5, p. 1490 (Sep. 1987).

  • (5) - BOHANDY (J.), KIM (B.F.), ADRIAN...

NORMES

  • ISO Radio frequency identification for item management – Unique identification for RF tags. - ISO/IEC 15963 - 2009

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