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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

Conclusions et perspectives en électronique imprimée
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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5. Conclusions et perspectives en électronique imprimée

Si la technique d’impression par jet d’encre présentée dans ce dossier est d’ores et déjà exploitée sur des machines industrielles, de nombreux challenges subsistent néanmoins pour leur utilisation à grande échelle. À ce titre, l’augmentation de la résolution des structures imprimées est bien évidemment jugée comme prioritaires par les acteurs du domaines, mais le principal challenge pour constituer une alternative sérieuse aux procédés actuels de sérigraphie ou de lithographie réside surtout dans la réduction significative des coûts de réalisation des composants imprimés. Cette réduction des coûts passe à la fois par le choix des matières premières, que ce soit au niveau des encres métalliques ou des substrats plastiques, et par une optimisation des procédés utilisés. Ainsi, l’utilisation de substrats plastiques flexibles peu coûteux qui peuvent être mis en œuvre sur des systèmes de rotatives, à l’instar du PVC, du PET ou de l’ABS, est particulièrement privilégiée pour la production à grande échelle. Toutefois, leur faible compatibilité avec des températures supérieures à 100-150 °C réduit la capacité à obtenir des structures métalliques fortement conductrices et confine à exploiter encore davantage les propriétés thermodynamiques induites par la taille nanométrique des nanoparticules. Les évolutions à venir en ce domaine concernent donc principalement l’utilisation de nanoparticules métalliques dont la taille est inférieure à 10 nm, en particulier en cuivre ou en aluminium. Étant encore plus sensibles aux phénomènes d’agglomération, ces encres à base de nanoparticules devront faire l’objet d’un développement important en termes de formulation, en particulier vis-à-vis de l’évaporation accrue des solvants qui accroît le risque de bouchage des têtes d’impression. Ce problème sera d’autant plus critique que des têtes d’impression qui délivre des gouttes de 1 pL seront de plus en plus utilisées pour augmenter la résolution géométrique des motifs imprimés. Par ailleurs, d’autres développements sont également en cours d’étude sur la formulation d’encres composites ou multiphysiques, associant par exemples deux types de métaux, des particules de silicium ou des matériaux ferromagnétiques. L’étape de recuit permettrait alors de produire des...

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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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