Impression laser de structures 2D/3D en cuivre pour l’électronique sur support plastique – COPPRINT

La réduction de la largeur des lignes d’interconnexion d’une carte électronique permet de gagner de la place pour ajouter d’autres composants. Cependant, cette réduction doit s’accompagner d’une augmentation de leur épaisseur pour ne pas limiter le passage du courant. Les techniques digitales actuellement utilisées ne permettent pas d’atteindre ces objectifs. L’impression laser permet de transférer des gouttes liquides ou des pixels solides sur une large gamme de substrats à partir d’un film donneur. L’innovation développée dans ce projet consiste à utiliser deux impulsions lasers pour transférer la matière en phase liquide à partir d’un film donneur solide. Ce procédé permet l’utilisation de films donneurs stables et peu chers et de réduire la taille des structures imprimées à quelques micromètres.

Le prototype conçu et réalisé dans le cadre du projet COPPRINT a permis d’optimiser le procédé d’impression de métal en phase liquide et d’imprimer des structures conductrices telles que des antennes RFID avec une résolution et des dimensions minimales jusqu’alors jamais atteintes par une technique digitale. Ces travaux ont été valorisés auprès des pôles de compétitivité OPTITEC et SCS. Ils se poursuivent dans le cadre du projet 3DNanoLIFT, financé par AMIDEX, pour atteindre des dimensions submicrométriques.

D’un point de vue scientifique les résultats obtenus ont permis de comprendre les mécanismes physiques sous-jacents à l’impression par laser de métal en phase liquide. Ils ont débouché sur trois publications et la mise en œuvre des nouveaux travaux sur la nano-impression. Cependant, les performances électriques des structures imprimées à grande vitesse ne permettent pas d’envisager une application industrielle du procédé dans ce domaine d’application.

Les travaux menés dans le cadre de ce projet correspondent à la première étude scientifique sur le transfert par laser de métal liquide. Ils ont fait l’objet plusieurs publications dans des revues internationales, notamment pour expliquer la dynamique d’éjection (‘Dynamics of double pulse laser printing of copper microstructures’, Applied Surface Science 471, p. 627-632 (2019)), présenter l’impression de structures 3D (‘Jetting regimes of double-pulse laser-induced forward transfer’, Optical Materials Express 9 (8), p. 3476-3486 (2019)) ou faire une review des techniques d’impression par laser (‘Digital laser micro- and nanoprinting’, Review article, Nanophotonics 8 (1), p. 27-44 (2019))

Le potentiel d’applications de l’électronique imprimée est extrêmement important et a suscité un intérêt toujours grandissant de la communauté industrielle. Les principaux domaines d’applications sont la santé, les services individualisés, la domotique, le transport, et la distribution … Bien qu’en plein essor, cette industrie a du mal à prendre l’ampleur correspondant à son potentiel. Le développement de l’électronique imprimée, et de l’électronique sur support souple, passe notamment par la mise au point de dispositifs d’impression numérique fiables permettant d’imprimer des structures 2D avec une résolution compatible avec les applications ciblées, et dans un environnement industriel.

Le but de ce projet est de concevoir et de réaliser un prototype d’impression digitale par laser répondant aux exigences de l’électronique imprimée. La validation de ce dispositif se fera par la réalisation d’interconnexions en cuivre. La principale technologie aujourd’hui utilisée pour imprimer ce type de lignes conductrices est le transfert d’encre à nanoparticules d’argent ou de cuivre par jet d’encre. Ce procédé a permis d’obtenir des résultats intéressants mais il présente certains défauts qui limitent son utilisation dans un contexte industriel. Ces limitations sont principalement liées à l’obligation d’utiliser des encres à nanoparticules métalliques très couteuses et de faible viscosité, et nécessitant une étape de recuit pour obtenir une bonne conductivité. Elles empêchent l’impression de lignes épaisses, pour les applications à fort courant, ou de largeur inférieure à une trentaine de micromètres, voir une cinquantaine en conditions industrielles. De plus, l’étape de recuit ne permet pas encore l’utilisation de substrats bas coût.

Le laboratoire LP3 a développé un procédé d’impression par laser qu’il a utilisé pour imprimer des matériaux en phase solide et liquide, et réaliser des composants tels que des transistors organiques en films minces. Certains inconvénients ont été identifiés pour l’impression en phase solide et de très bons résultats ont été obtenus pour le transfert en phase liquide. Notamment, l’impression d’encres à nanoparticules d’argent a permis de réaliser des lignes conductrices de 20 µm de largeur à une vitesse de 17m/s. Cette approche ne supprime cependant pas l’étape de recuit et requière toujours l'utilisation d'encre à nanoparticules métalliques.

Dans ce projet nous allons développer une approche permettant d’imprimer du cuivre en phase liquide en partant d’un film mince de cuivre solide. Ce procédé permettra d’imprimer des matériaux bas coût, en comparaison des encres, de supprimer les étapes de recuit, d’imprimer des lignes épaisses pour conduire de plus forts courants, et de garder la résolution obtenue par l’impression en phase liquide. L’innovation qui permet le développement de cette technique repose sur un dispositif d’irradiation laser original et le contrôle du changement de phase du film de cuivre.

Les différentes étapes de ce projet seront : 1. Le contrôle et l’optimisation des mécanismes d’éjection du cuivre en phase liquide induits par irradiation laser 2. La réalisation et l’optimisation d’un prototype d’impression par laser; 3. La réalisation et la caractérisation de structures conductrices en cuivre; 4. L’impression de circuits tests pour valider le procédé avec un utilisateur final industriel.

Ce projet regroupe trois partenaires ayant des expertises bien spécifiques et indispensables à sa réalisation: le laboratoire LP3 pour le développement du procédé, ARMINES-CMP qui effectuera les caractérisations chimiques, électriques et mécaniques des matériaux et des structures imprimés, et l’entreprise GEMALTO pour la définition des objectifs techniques à atteindre par rapport à ses applications et qui validera le procédé par la réalisation et le test de circuits imprimés.