hybride et dans le moule
Vers une logique fine et flexible
Processeur ARM 32 bits à flexibilité native
Impression électrohydrodynamique (EHD) : repousser les limites du jet d'encre
Encres à nanoparticules d'argent : durcissement à basse température, compatibilité avec l'EMI et applications de chauffage transparent
Impression sur papier : Vers l'impression R2R de circuits multicouches multi-puces
Circuits hybrides imprimés de type Arduino
Dans cette série d'articles, nous mettrons en lumière les diverses tendances en matière d'innovation dans le domaine de l'électronique imprimée, hybride, in-mold et 3D. Notre objectif est de démontrer les progrès et l'état de l'art sur différents fronts, de l'impression R2R sur papier aux circuits intégrés minces, en passant par les encres conductrices, les substrats étirables, l'électronique dans le moule et au-delà .
Cet article présente les travaux de S&S, Enjet, CPI, Parsons, ARM, American Semiconductor, Agfa, Nanogate et CEA-LETI. Dans les articles suivants, nous couvrirons les développements chez Signify, Jabil, Jones Healthcare Packaging, Swarovski, Wuerth, Ntrium, Sunew, XTPL, Identiv, Brilliant Matters, Philips 66, Alpha Assembly, GE Research, ACI, Panasonic, Safi-Tech, DuPont Teijin, VSParticle, Meta, NovaCentrix, Applied Materials, HP, Nano Ops, Brewer Science, e2ip, PolyIC, Kundisch, FIAT, Geely, et bien d'autres.
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Événements à venir
13-15 octobre:
(1) Textiles électroniques et patchs cutanés : Matériel et logiciels
(2) Capteurs pour vêtements et surveillance continue des signes vitaux
(3) Capteurs et actionneurs imprimés et flexibles
1 - 2 décembre
(1) Matériaux de batterie : Nouvelle génération et au-delà du lithium-ion
(2) Photovoltaïque : pérovskite, organique, hybride et autres technologies de nouvelle génération
(3) Batteries solides : Innovations, jeunes pousses prometteuses, future feuille de route
Q1 2022:
Innovations en matière de matériaux : L'IA dans les matériaux, les matériaux d'impression 3D et les matériaux 5G/6G.
L'ordre du jour de nos événements co-localisés du 13 au 15 octobre
sera annoncé la semaine prochaine.
Parmi les intervenants figurent Roche, Medtronics, Ypsomed, Siemens, Microsoft, Jabil, MAS Holding, Williot, Ravensburger, innoME, Trelleborg, Neurosof Bioelectronics, Nutroimcs, Henkel, DuPont, Neteera, Feetme, Binah, Sonde Health, ZSK, Eastprint, VieLight, Atcor, Quad Industries, et bien d'autres encore.
Vers une logique mince et flexible
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Une tendance intéressante est le développement de puces en silicium flexibles et ultrafines.
Une approche est développée par le CEA-LETI qui se concentre sur des matrices de silicium fines intégrées dans du flex. Le déroulement du processus est illustré ci-dessous. Ici, la tranche de silicium est préparée et une couche sacrificielle est formée. La couche flexible est revêtue, les lignes métalliques et les coussinets sont préparés, les puces sont ébréchées face contre terre et amincies collectivement. Enfin, la couche flexible supérieure est ajoutée avant de définir et de libérer la fine couche de silicium intégrée dans un substrat flexible.
L'image ci-dessous montre également une image en coupe transversale, donnant une idée des matériaux et des dimensions impliqués. Le matériau flexible est un matériau siloxane (SINR) permettant la photolithographie, le durcissement à basse température (80°C) et le dépôt par laminage sous vide.
L'un des principaux avantages de ce procédé est qu'il permet de supporter potentiellement n'importe quelle puce, quel que soit le nombre de broches et même avec de très petits pas. En effet, les lignes de métallisation fabriquées au niveau de la plaquette agissent essentiellement comme une couche de redistribution, répartissant les broches de la puce dans de grandes zones accessibles aux résolutions atteintes par l'électronique imprimée.
Nous présentons également quelques exemples d'applications dans l'image ci-dessous. Ici, on peut voir une étiquette RFID avec une antenne imprimée et la puce RFID intégrée dans le flex. Cette application a été démontrée à la fois sur un substrat PEN et sur un substrat en polyuréthane.
Ce panneau d'images a été construit à partir d'une conférence LIVE donnée à TechBlick (mai 2021) par le CEA-LETI. Devenez détenteur d'un Pass annuel pour regarder ce contenu à la demande.
Une autre approche intéressante est adoptée par American Semiconductor. Ici, la plaquette CMOS provenant de n'importe quel IDM ou fonderie peut être amincie et emballée dans une couche PI, comme illustré ci-dessous. En termes simples, la couche supérieure est recouverte de PI et d'une bosse ou d'une RDL (couche de redistribution), un support temporaire est ajouté avant que le silicium massif sous-jacent ne soit retiré (laissant environ 10 µm de Si pour les circuits actifs), et le polymère dorsal est ajouté. Enfin, le support temporaire est retiré, et la puce de silicium SoP mince est montée sur une bande pour un traitement ultérieur. L'encart montre la finesse de ces puces emballées par rapport aux puces nues classiques.
Ce panneau d'images a été construit à partir d'une conférence LIVE donnée à TechBlick (mai 2021) par American Semiconductor. Devenez titulaire d'un laissez-passer annuel pour regarder ce contenu à la demande.
L'une des limites de cette approche des puces amincies est l'incompatibilité de la résolution des puces de silicium, c'est-à -dire la taille et le pas de leur pad, avec celle des techniques d'impression. En effet, en utilisant le procédé ci-dessus, la plupart des plaquettes CMOS peuvent être traitées et emballées, mais elles ne pourraient pas toujours être connectées au niveau suivant, c'est-à -dire au PCB ou équivalent.
Pour surmonter ce défi, un type de RDL en éventail peut être nécessaire. Une approche est présentée ci-dessous. Tout d'abord, un circuit sur un PCB flexible est créé en utilisant des conducteurs et des diélectriques imprimés. Des matériaux conducteurs tels que l'ACA ou l'ACF sont ajoutés et le circuit intégré SoP bosselé est mis en place par retournement face vers le bas. La couche supérieure de couverture est ensuite laminée ou revêtue.
L'impact de cette approche est également illustré ci-dessous. On commence par un circuit intégré Bluetooth SoP de 3,8x3,8 mm (AS-NRF51 dans ce cas). Ensuite, on crée le substrat flexible. Dans ce cas, il est conçu pour supporter un pas de 100µm. Enfin, le SoP est ébréché face cachée et inséré dans le RDL flexible, créant ainsi le produit final.
Il s'agit d'une approche élégante qui permet d'apporter la puissance des circuits intégrés en silicium à l'électronique hybride flexible. Toutefois, elle n'est pas sans présenter des limites aujourd'hui. En général, le pas des pastilles dans les FPCB, même avec du Cu on PI coûteux, est limité à 25 µm /25µm, alors que de nombreuses puces CMOS ont des pastilles ou d'autres caractéristiques spatiales inférieures à cette taille. Le choix de circuits intégrés compatibles est donc limité, à moins que les techniques d'impression à très haute résolution n'améliorent la résolution du pas des pastilles et/ou que l'industrie du silicium n'offre un large choix de procédés compatibles. Ce dernier point progressera lentement car il s'agit encore d'un petit marché.
Ce panneau d'images a été construit à partir d'une conférence LIVE donnée à TechBlick (mai 2021) par American Semiconductor. Devenez titulaire d'un laissez-passer annuel pour regarder ce contenu à la demande.
Processeur ARM 32 bits nativement flexible
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Enfin, sur ce thème, nous souhaitons aborder les derniers résultats rapportés par Arm et PramatIC dans Nature (juin 2021) sur leurs microprocesseurs nativement flexibles. Il s'agit d'une avancée importante puisqu'elle fait état d'un microprocesseur ARM 32 bits réalisé sur des TFTs IGZO nativement flexibles réalisés sur un nœud de 0,8µm. Au total, il y a 39 157 TFT et 17 183 résistances dans cette puce de 59,2 mm2.
Cette technologie est intéressante car, contrairement aux autres approches mentionnées ci-dessus, il s'agit d'un circuit intégré nativement flexible basé sur la technologie des TFT et non sur celle des plaquettes de silicium. Il est affirmé à juste titre que la fabrication des TFT IGZO, basée sur les méthodes traditionnelles de production de TFT par lithographie, est très rentable par rapport à la production de plaquettes de silicium, ce qui permet d'apporter une puissante capacité de traitement aux objets quotidiens à l'échelle de billions. Les autres approches ne peuvent pas avoir la même structure de coûts, car elles sont basées sur la technologie standard des plaquettes de silicium, à laquelle s'ajoutent des coûts supplémentaires de traitement/conversion.
Ce panneau d'images a été construit à partir de l'article de Nature publié le 22 juillet 2021 par Arm. Notez que Arm a également présenté LIVE au TechBlick (mai 2021). Inscrivez-vous pour regarder ce contenu à la demande. Pour en savoir plus, rejoignez notre événement LIVE(online) avec un Pass annuel.
Impression électrohydrodynamique (EHD) : Repousser les limites du jet d'encre
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L'EHD est un développement important dans l'impression numérique ultra-précise de matériaux fonctionnels, car elle permet de dépasser les limites de résolution des têtes d'impression à jet d'encre classiques. Nous n'entrerons pas dans les détails du mécanisme de fonctionnement. Au lieu de cela, nous soulignons simplement les capacités ainsi que les applications potentielles de cette technique.
Le panneau d'images ci-dessous, assemblé à partir d'une présentation d'Enjet en mai 2021 à TechBlick, démontre l'étendue des capacités. Notez d'abord comment la technique peut contrôler la taille de la goutte, de petite à grande. En effet, elle peut imprimer des éléments de 1 à 100 microns. Ensuite, notez comment elle peut être utilisée pour imprimer différents rapports L/S (largeur de ligne/espacement), couvrant 2/2, 25/25 et 80/80 µm. Enfin, notez comment elle peut imprimer sur des topographies non planes et 3D avec une bonne couverture des étapes. En bref, elle peut offrir un dépôt contrôlé numériquement de caractéristiques ultrafines sur des surfaces planes et non planes.
Ce panneau d'images a été construit à partir d'une conférence LIVE donnée à TechBlick (mai 2021) par le CEA-LETI. Devenez détenteur d'un Pass annuel pour regarder ce contenu à la demande.
La question suivante pourrait être de savoir quelles pourraient être les applications de l'impression EHD. Le panel d'images ci-dessous, assemblé principalement à partir des travaux d'Enjet, montre diverses possibilités. En haut à droite (image a), l'application de réparation de TFT est montrée. Ici, un motif de pont de <2µm avec une bonne adhérence à la surface du TFT et une faible résistance de contact peut être imprimé, permettant la réparation des défauts sur les panneaux TFT pour augmenter le rendement de production. Il s'agit d'une excellente technique jouant sur les forces de l'EHD.
Une autre application pourrait être l'impression de micro-tapis pour les microLEDs (image b). D'une manière générale, la taille des microLEDs diminuera à mesure que l'industrie apprendra à fabriquer des microLEDs de plus en plus petites sans nuire à l'efficacité, et à mesure que l'industrie apprendra à transférer avec un bon rendement et une bonne rentabilité un nombre toujours plus élevé de LEDs. À mon avis, cette tendance prendra du temps, mais elle a un air d'inévitabilité. Lorsque les microLED deviendront petites, l'utilisation de l'impression EHD ultra-précise pour le dépôt de tampons sur de grandes surfaces pourrait avoir du sens, en particulier si l'on peut démontrer l'impression industrielle multi-têtes à grande échelle et cohérente avec les EHD. Scrona, de Zurich, développe de telles têtes d'impression EHD.
Une autre application pourrait être l'impression de QD, en particulier sur les micro-LED de petite taille ou dans les écrans à petits pixels à forte IPP. Un exemple est présenté ci-dessous. Ici, la taille du pixel est de 20x100µm. Parmi les autres possibilités, citons le blindage EMI conforme avec une couverture sélective sans masque et la création d'électrodes 3D précises entourant le bord du verre de la mère de l'écran.
Ce panneau d'images a été construit à partir d'une conférence LIVE donnée à TechBlick (mai 2021) par Enjet. Devenez titulaire d'un laissez-passer annuel pour regarder ce contenu à la demande.
Encres à base de nanoparticules d'argent : durcissement à faible température, compatibilité avec les EMI et applications de chauffage transparent
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Depuis quelques années, Agfa développe un procédé évolutif pour la production en masse d'encres à base de nanoparticules d'argent. Elle dispose d'un large portefeuille couvrant les encres d'impression sérigraphique et à jet d'encre. L'année dernière, elle a élargi son portefeuille en acquérant la technologie d'encre Ag NP de Clariant, ce qui lui permet de proposer des encres à base d'eau et de solvant.
Bien qu'elles existent depuis longtemps, les encres à nanoparticules d'argent continuent de faire l'objet d'améliorations significatives. Le graphique ci-dessous montre une évolution progressive, mais importante. Nous pouvons y voir comment la résistance des encres à l'argent s'est améliorée pour une température de séchage donnée. L'effet est le plus spectaculaire pour un durcissement à 110°C, mais il reste substantiel pour 130°C et même 150°C. Il s'agit d'un bon progrès car il élargit la compatibilité avec les substrats et les applications à faible température.
Un autre point intéressant dans l'image ci-dessous est que les encres à nanoparticules d'Ag peuvent également être compatibles avec l'électronique dans le moule (IME), à condition que seuls de légers rayons de courbure soient impliqués. C'est intéressant car la plupart des exemples d'IME utilisent des feuilles fonctionnelles sérigraphiées. Cela montre toutefois que l'impression fonctionnelle numérique peut également être combinée aux techniques d'EMI. Si la demande existe, on peut s'attendre à ce que les développements techniques futurs assurent également la compatibilité avec des rayons de courbure plus petits.
Ce panneau d'images a été construit à partir d'une conférence LIVE donnée à TechBlick (mai 2021) par Agfa et Nanogate. L'image de droite montre les encres à nanoparticules d'argent thermoformées imprimées par jet d'encre. Devenez titulaire d'un laissez-passer annuel pour regarder ce contenu à la demande.
Une application intéressante est le chauffage transparent des visières photochromiques de motocyclettes. L'une des difficultés est que, dans certains cas, la vitesse de changement de couleur de la visière photochromique doit être accélérée par l'utilisation de la chaleur. Une solution conventionnelle aurait pu être d'utiliser des CNT ou des ITO comme élément chauffant. Dans ce cas, les expériences ont montré que le chauffage était trop lent en raison de la résistance élevée des feuilles et que le chauffage n'était pas uniforme (voir ci-dessous en haut à droite). Dans ces cas, jusqu'à 40 secondes pouvaient être nécessaires pour obtenir le changement de couleur souhaité.
Cependant, avec la maille métallique Ag NP imprimée par jet d'encre, le changement de couleur a été accéléré et uniforme dans des conditions similaires (10 secondes ont suffi). Comme indiqué ci-dessous, l'élément chauffant consiste en une maille métallique imprimée par jet d'encre avec un pas de 2 mm et une largeur de ligne de 70 µm. Ceci a été co-développé avec Nanogate. Il s'agit d'une excellente solution, dont le seul défaut est peut-être la réflexion élevée des encres Ag, qui pourrait être atténuée par un traitement ultérieur, une oxydation contrôlée ou d'autres techniques.
Ce panneau d'images a été construit à partir d'une conférence LIVE donnée à TechBlick (mai 2021) par Agfa et Nanogate. L'image supérieure droite montre un échantillon de visière photochromique pour moto. Les images en haut à gauche montrent l'uniformité de chauffage avec la maille métallique IJP Ag NP. L'image en bas à droite montre les propriétés du test et les caractéristiques de la maille métallique IJP Ag NP. Enfin, l'image en bas à gauche montre la mauvaise uniformité de chauffage et le temps de chauffage lent pour le cas avec d'autres solutions de couches conductrices transparentes. Devenez détenteur d'un laissez-passer annuel pour rattraper tout le contenu à la demande, participer aux masterclasses et vous joindre à nos événements virtuels en personne pendant 12 mois. Pour en savoir plus, participez à notre événement LIVE(en ligne) avec un laissez-passer annuel.
Impression sur papier : Vers l'impression R2R de circuits multicouches multi-puces
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Le choix commun est le PI pour les FPCB conventionnels, et le PET pour l'électronique hybride flexible émergente. Ces choix sont cependant tous deux basés sur le plastique. Pour éliminer le plastique, on peut passer au papier. Cela nécessite toutefois un développement important de la technique d'impression, de la sélection des matériaux et du savoir-faire en matière de processus. Ce n'est pas facile.
S&S, à Taïwan, travaille depuis 2015 sur le développement d'un système électronique d'impression sur papier R2R, accumulant ainsi une expertise approfondie. Elle a utilisé plus de 20 tonnes de papier provenant de différents fournisseurs et testé plus de 100 kg d'encres basées sur différents matériaux de remplissage et pour des techniques d'impression. En outre, elle a également utilisé 1 million de composants RFID.
Le schéma ci-dessous montre en gros leur installation configurable (l'image du pick and place et de l'assemblage des puces est exclue). S&S utilise la flexographie et la sérigraphie pour les plus gros volumes (par exemple 10M d'antennes RFID) et le jet d'encre pour le prototypage et la production à petite échelle (<100k antennes RFID). La polymérisation pour la production de masse est NIR + Photonics, ce qui leur permet d'atteindre une vitesse de polymérisation d'environ 20 m/min.
Les images ci-dessus sont tirées d'une présentation donnée par S&S à TechBlick en mai 2021. Devenez titulaire d'un laissez-passer annuel pour regarder ce contenu à la demande.
Dans le cas le plus simple, S&S a commencé à fabriquer des NFC R2R sur papier. Il y a deux ans, ces NFC étaient au moins deux fois plus chers que leurs homologues en plastique fabriqués de manière conventionnelle. Maintenant, S&S indique que la parité des prix est atteinte, ce qui peut aider à rendre plus de marchés accessibles.
Il est important de noter que c'est aussi le début du développement technique. Les antennes NFC ont une petite puce et une seule couche de métallisation. Comme on peut le voir ci-dessous, l'avenir verra se développer davantage de puces, de couches et de conceptions de circuits plus complexes. Les exemples ci-dessous montrent l'intégration d'un tag à 2 puces (NFC et LED), le développement d'une pièce à 11 composants (2 couches actives et 10 composants passifs), et la démonstration d'un tag R2R à 6 couches imprimé sur papier.
Cette tendance est globalement très prometteuse. L'installation de fabrication d'électronique hybride flexible (FHE) est encore à un stade de développement relativement précoce, mais elle progresse.
Les images ci-dessus sont tirées d'une présentation donnée par S&S à TechBlick en mai 2021. Devenez titulaire d'un laissez-passer annuel pour regarder ce contenu à la demande.
S&S n'est pas le seul à développer l'électronique sur papier. CPI, au Royaume-Uni, en collaboration avec divers partenaires, a également fait la démonstration d'étiquettes NFC R2R imprimées sur du papier. L'image en haut à droite ci-dessous (a) montre un exemple d'une étiquette intelligente imprimée R2R sur papier. Ici, des encres et des adhésifs conducteurs ont été imprimés en R2R à l'aide d'une matrice à fente rotative avec alignement optique. L'assemblage des puces électroniques, la conversion et les tests ont également été réalisés selon la méthode R2R.
Les images ci-dessus sont tirées d'une présentation donnée par CPI à TechBlick en mai 2021. Cette présentation est disponible à la demande ici. L'image en bas à gauche (c) est un prototype de casque à capteurs de pression. Ici, un réseau de capteurs de pression imprimés (probablement des matériaux piézorésistifs) est fixé de manière conforme à la surface 3D du casque. L'image de droite (b) est un exemple d'électronique hybride flexible R2R montrant une étiquette de contrôle de l'humidité et de la température utilisée dans la chaîne d'approvisionnement pharmaceutique. CPI a fabriqué 5000 échantillons.
Circuits hybrides imprimés de type Arduino
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L'image ci-dessous est un exemple de prototype d'un circuit de type Arduino entièrement fabriqué de manière additive. Le travail a été présenté à TechBlick (mai 2021) par Parsons. Les substrats ont été réalisés par impression 3D SLA avec une résine Formlabs à haute teneur en carbone. Les composants actifs et passifs ont ensuite été placés dans les zones désignées et encapsulés par impression à la seringue. Enfin, les lignes de métallisation en argent et les couches diélectriques ont été appliquées sur les matrices face à face par impression à jet d'aérosol. Il n'y a pas de flip chip complexe ou de couche RDL ici, car les connexions entre la puce et la carte sont réalisées par des lignes conductrices qui comblent la différence de hauteur entre la puce et la carte.
Prototype de circuit électronique hybride imprimé.
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Ce prototype semble simple, mais de nombreux défis techniques doivent être relevés, d'autant plus que la surface n'est pas plane. En particulier, la fiabilité des composants aux interfaces (voir ci-dessous) doit être testée et garantie. Une source majeure de manque de fiabilité à ces interfaces est le décalage du coefficient de dilatation thermique des différents matériaux, qui entraîne une accumulation de contraintes pendant le cycle thermique. Comme le montre le tableau ci-dessous, il existe une large gamme de coefficients.
La connexion aux matrices de mise à plat peut poser un problème particulier. Ici, l'aérosol dépose des rampes diélectriques sur lesquelles des pistes en Ag sont imprimées par aérosol. Les pistes conductrices peuvent se briser, glisser ou se divulguer. De même, les pistes conductrices à travers les zones remplies d'adhésifs peuvent également constituer un défi. Dans cette étude, Parsons a présenté ses stratégies pour réaliser des tests de fiabilité.
Prototype de circuit électronique hybride imprimé.
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Parsons a également travaillé sur l'électronique hybride imprimée afin de prototyper des couches de redistribution complexes. L'objectif est de réduire les coûts et les délais de production. Un exemple est présenté ci-dessous (il n'a pas été présenté au TechBlick). Ici, une RDL imprimée à 5 couches est présentée. Il s'agit de 11 couches de diélectrique imprimé et de couches conductrices avec 15 étapes/profils de frittage séparés. Les images ci-dessous montrent également les modèles de CAO et d'impression. Lorsque l'on utilise le dépôt par seringue, la taille minimale des éléments est de 100 µm. Avec l'adoption du dépôt par aérosol, cette taille peut être réduite à 20 µm. D'autres techniques telles que l'EHD ou la micro-distribution à partir de XTPL pourraient, à mon avis, réduire encore la limite de résolution à environ 1-5 µm, ce qui permettrait de créer des prototypes et d'effectuer de petites séries de production de RDL complexes avec de petites tailles d'éléments.
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