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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

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

L’évolution de la microstructure en fonction des paramètres de recuit et du type de rayonnement utilisé joue un rôle primordial dans l’optimisation des propriétés d’usage du film imprimé, à savoir la rigidité mécanique et la résistivité électrique. Pour améliorer les films imprimés, une meilleure compréhension des mécanismes en jeu et une analyse fine de la microstructure est nécessaire. Les données sur la taille et la forme des grains sont particulièrement cruciales mais restent toutefois difficiles à quantifier avec des instruments conventionnels, compte tenu de la résolution spatiale requise et de la rugosité importante des films minces d’argent déposés par jet d’encre. Dans cette section, plusieurs méthodes d’analyse seront exploitées pour caractériser l’évolution de la microstructure.

4.1 Caractérisation microstructurale des films minces recuits

HAUT DE PAGE

4.1.1 Analyse d’image obtenue en microscopie électronique

Au cours du recuit, les différents mécanismes de diffusion de matière conduisent à une évolution de la microstructure du film déposé. En effet, comme développé dans la partie précédente, les nanoparticules métalliques subissent deux phénomènes concomitants que sont la coalescence et la croissance de grains. Dans les deux cas, ces phénomènes mettent en jeu des mécanismes de diffusion atomique induits par une minimisation de l’énergie de surface. Compte tenu de la taille nanométrique des objets à observer, la microscopie électronique à balayage (MEB) est particulièrement adaptée pour observer l’évolution de la taille de grains ou de la taille de pores à partir d’une analyse d’images. Quel que soit le type de détecteur utilisé pour l'observation, les images sont en niveaux de gris, dont la nuance est directement corrélée à l'intensité du signal reçu par le détecteur. Selon sa nature, un détecteur donné sera alors sensible aux électrons secondaires, aux électrons Auger, aux électrons rétrodiffusés ou aux photons X. Le contraste de l'image fournira alors des renseignements sur la topographie, sur la microstructure ou bien sur la nature...

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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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