Magazine Lundi 24 février 2020 - 17:44

L’impression 3D a une carte à jouer dans l’électronique

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Les innovations en fabrication additive incluent aujourd’hui l’utilisation d’imprimantes 3D spécialisées pour le secteur de l’électronique. Derrière le développement de produits grâce au prototypage rapide, la technologie est utilisée pour la production de composants électroniques fonctionnels. Une nouvelle frontière pour cette industrie qui demande minutie et hybridation des procédés. Explication !

L’électronique imprimée joue un rôle de plus en plus crucial sur le marché de l’électronique, en raison notamment des nombreux avantages offerts par la technologie. L’impression 3D bouleverse en effet les conceptions et les méthodes de fabrication traditionnelles de produits électroniques. Après le prototypage, elle offre de nouvelles opportunités pour la fabrication d’objets complexes aux multiples fonctionnalités, tels que l’électronique flexible ou encore les circuits imprimés (PCB). 

Repousser les frontières de l’électronique

Le marché de l’impression 3D pour l’électronique est encore relativement jeune. Seules quelques sociétés fournissent du matériel dédié spécifiquement à cette industrie, comme Nano Dimension, Optomec ou encore Rize. Les technologies proposées sont très différentes, mais elles offrent toutes des opportunités, du prototypage à la production de composants électroniques. Elles permettent l’impression de pièces comme des antennes, des cartes de circuits imprimés (PCB), des condensateurs ou encore des capteurs.

L’intégration de composants pendant la fabrication

Les innovations dans l’industrie électronique se sont concentrées à la fois sur les méthodes de fabrication, telles que l’utilisation de l’impression 3D, et sur les nouveaux matériaux comme les encres. Les évolutions dans ces deux domaines ont permis l’ajout de nouvelles fonctionnalités aux objets électroniques par l’insertion de composants électroniques / électriques ou de pistes conductrices. Celle-ci a notamment été rendue possible grâce à la fabrication additive qui permet de stopper le procédé le temps d’y ajouter un composant ou une piste conductrice, mais aussi de mélanger les matériaux pendant le processus de conception. Ces nouveaux processus de fabrication ont permis, en plus de l’ajout de fonctionnalités, de limiter la complexité de la pièce et d’éviter les phases d’assemblages en supprimant les interconnexions câblées.

Concevoir des pièces mutli matériaux et multifonctionnelles

La capacité d’intégrer des composants électroniques dans des structures imprimées en 3D est devenue, petit à petit, un enjeu crucial pour les industriels, notamment ceux qui exploitent les technologies de fabrication pour les très petites pièces. La miniaturisation des composants dans les satellites, par exemple, a permis de modifier radicalement la taille des engins spatiaux. Ainsi, la NASA/GRC (National Aeronautics and Space Administration/Glenn Research Center) et l’America Makes, l’Institut américain pour l’innovation dans la fabrication additive, ont travaillé conjointement pour développer un système qui intègre un procédé d’impression 3D par dépôt de matière fondue (FDM), un routeur CNC (commande numérique par ordinateur) pour le micro-usinage et un distributeur de précision pour le dépôt des encres conductrices. Celui-ci permet de concevoir des pièces multi matériaux et multifonctionnelles pour les secteurs aéronautique et spatial, comme le module CubeSat imprimé en 3D. Il offre la possibilité d’intégrer des fils et des composants sur un substrat pour ajouter de nouvelles fonctionnalités mécaniques, électroniques, thermiques ou encore électromagnétiques. Les progrès des techniques de fabrication ont favorisé le développement de pièces électroniques plus petites, plus efficaces et plus complètes. Les frontières de la conception sont repoussées, notamment grâce aux nombreux matériaux.

Une large gamme de matériaux

L’intérêt récent et grandissant d’un grand nombre d’industriels pour des domaines tels que l’électronique portable ou encore la robotique a conduit au développement de l’industrie électronique. Les nouveaux appareils nécessitent de nouvelles solutions de fabrication pour intégrer des matériaux fonctionnels, souples et hétérogènes. L’impression 3D permet d’intégrer des composants électroniques sur ou dans de nombreux supports biocompatibles, extensibles, flexibles, etc. Elle permet aussi d’y intégrer des circuits, quelles que soient les surfaces : courbes, texturées, de cavités ou de vias. Et les matériaux !

Les applications électroniques en céramique

L’industrie électronique n’existerait pas sans la céramique ! Les composants à base de ce matériau sont indispensables dans de nombreux produits tels que les Smartphones, les ordinateurs, les téléviseurs, l’électronique automobile ou encore les appareils médicaux. Bien qu'il soit traditionnellement considéré comme isolant, après la Seconde Guerre mondiale, la recherche en science des matériaux a permis le développement de nouvelles formulations céramiques. Ces produits présentent aujourd’hui des propriétés semi-conductrices, supraconductrices, piézoélectriques et magnétiques. L’univers de la céramique est en plein bouleversement.

Les produits céramiques utilisés comme isolants électriques, tels que les bougies d’allumage, les emballages hermétiques, les tubes à arc en céramique et les pièces de protection pour les fils nus et les lignes électriques, etc., sont principalement employés dans le secteur automobile, le transport maritime, l’aéronautique et le spatial ainsi que la distribution d’électricité. Parmi ces produits, les bougies d’allumage sont les plus anciennes et les plus appréciées. Elles ont été inventées en 1860 pour enflammer le carburant des moteurs à combustion interne. Elles sont encore utilisées à cette fin. Cependant, alors que l’industrie automobile se tourne vers les véhicules électriques et hybrides, la demande de bougies d’allumage en céramique devrait chuter. Les principaux fournisseurs de ces produits orientent leurs recherches vers l’électro-céramique ou d’autres composants tels que les batteries à semi-conducteurs en céramique. Actuellement, sur le marché, les composants passifs connaissent la plus forte demande. Ces derniers sont désignés comme tels car ils ne sont pas en mesure de contrôler le flux d’électrons dans un circuit, contrairement aux composants actifs (également appelés « dispositifs semi-conducteurs »). Les composants passifs ne sont utilisés que pour stocker ou transformer l’énergie. Mais demain ?

La fabrication additive en céramique n’est plus une technologie de demain. Aujourd’hui, elle est appliquée à de nombreux domaines de l’électronique. En voici quelques-uns.

• Électronique de puissance Les principaux composants en céramique dans le domaine de l’électronique de puissance sont les boîtiers pour tubes de commutation sous vide, les diodes et les thyristors ainsi que les traversées électriques très résistantes et les parafoudres. Au fil des années, ces composants ont prouvé leur efficacité. Ils sont largement utilisés en raison de leur grande fiabilité et de leur durée de vie.

• Capteurs électroniques Les capteurs en céramique sont souvent implantés dans des machines et des équipements devant répondre à des exigences de température, de pression, de débit, d’humidité, de concentration en gaz, etc.

• Production de plaquettes Les exigences en matière de technologie de fabrication de plaquettes sont extrêmement élevées, notamment pour respecter la géométrie des pièces.

• Électronique portable Les appareils électroniques dits « intelligents » sont de plus en plus utilisés. Les trackers d’activité sont un bon exemple de l’Internet des objets (IdO), une technologie grandissante. L’électronique portable se retrouve ainsi dans une variété d’applications.

Les applications électroniques en métal et composite

Le développement des procédés de fabrication additive et les besoins industriels croissants dans ce domaine ont alimenté les efforts en recherche et développement (R&D) pour de nouveaux matériaux. Ceux-ci comprennent les polymères, les métaux, les céramiques ainsi que les composites, mais également les matériaux à gradation fonctionnelle (MGF) et les multi matériaux. Les solutions multi matériaux permettent d’introduire des capacités fonctionnelles comme des chemins de conduction thermique définis géométriquement dans des polymères ou des conducteurs électriques. 

De nombreux procédés peuvent être utilisés pour l’intégration des capteurs et des systèmes électroniques. Le choix peut se faire en fonction de la localisation des systèmes dans le composant final. L’intégration de surface est l’approche la plus accessible. Elle peut être réalisée à l’aide d’un processus secondaire d’écriture directe (Direct Writing - DW) pour la fonctionnalisation.

Le marché propose également des systèmes de fabrication additive hybride, qui combinent la fabrication par couches successives comme le jet de matière avec un processus d’écriture directe comme la distribution ou l’impression à jet d’encre. Le processus de fabrication est interrompu ponctuellement afin d’ajouter des éléments fonctionnels. Les capteurs sont ainsi insérés dans la pièce. Cette technique d’insertion peut également être adaptée aux procédés de fusion sur lit de poudre.

L’insertion d’un composant électronique dans une pièce en métal nécessite une isolation électrique. Elle repose sur des systèmes encapsulés construits séparément, qui sont intégrés dans un composant en les plaçant dans une cavité à l’intérieur de la pièce. Cette phase nécessite une interruption du processus de fabrication, puis sa reprise afin d’enfermer complètement le système électronique. Des exemples de ce type ont été rapportés pour la RFID, les capteurs et même les systèmes de capteurs et d’actionneurs.

Outre la prise en charge générale du concept de composants intelligents, la combinaison de la fabrication additive et de l’intégration de capteurs peut également être utilisée pour redéfinir les processus de développement et d’optimisation des produits conventionnels. Pour être économiquement viable, cette approche nécessite un processus de conception automatisé qui peut gérer l’adaptation des produits de manière autonome.

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La start-up TECMOLED a produit ses premiers OLED avec le soutien technique de l’équipe bordelaise d’ElorPrintTec (voir encadré à la fin de l'article).

Une nouvelle manière de produire

L’impression 3D est rapidement devenue l’une des technologies clés qui font progresser la fabrication électronique. Actuellement, elle est largement utilisée pour accélérer le développement de produits grâce au prototypage rapide. Mais la technologie s’est également implantée dans la production de composants électroniques fonctionnels.

Une carte à jouer dans la conception des PCB

Les circuits imprimés (ou PCB, de l’anglais printed circuit board) sont essentiels à la fabrication d’une grande partie des produits électroniques. Ils sont utilisés dans des applications allant de l’Internet des objets (IdO) aux Smartphones, en passant par les dispositifs médicaux, les équipements militaires ou simplement les applications commerciales. Malheureusement, leur conception est complexe et les délais de mise sur le marché extrêmement longs. De plus, leur impact sur l’environnement et les coûts élevés de fabrication incitent les fabricants à externaliser la production dans des pays où les réglementations sont moins strictes qu’en Europe. Pour l’industrie électronique – hautement compétitive –, la fabrication de prototypes de PCB avec les méthodes traditionnelles, à l’étranger, entraîne de nombreux risques. À ceux-ci il faut rajouter les exigences du marché : des circuits plus petits, plus légers…

La production d’un PCB multicouche est un processus complexe comprenant des machines de fraisage, de perçage, de transfert de film et de placage, des bains de gravure de cuivre et une presse. Il faut y rajouter les étapes d’assemblage, ce qui augmente le temps de fabrication et la complexité de la chaîne de production. Ce processus fonctionne pour la production de très grandes séries. Cependant, lors de la fabrication d’une seule carte « prototype », d'une preuve de concept ou d’une commande de petit volume, cette méthode de production est longue et coûteuse. Les industriels du secteur de l’électronique ont besoin de cycles de développement de produits plus courts, plus agiles et si possible plus efficaces. La fabrication additive a alors une carte à jouer !

L’électronique flexible et microfluidique

L’électronique flexible est perçue comme une petite révolution dans ce secteur. Elle a permis l’évolution de nombreux produits comme les cellules solaires, les écrans et les LED, les capteurs et les transistors à couche mince, les écrans flexibles et l’électronique portable. Les conducteurs nano-composites en polymère élastique sont des matériaux couramment utilisés pour les capteurs flexibles. Par exemple, le composite CNT-graphène-uréthane thermoplastique (TPU) est utilisé dans des capteurs en raison de ses propriétés mécaniques. Au vue de ses nombreux avantages (voir encadré), l’impression 3D est de plus en plus appliquée dans le domaine des capteurs flexibles. La fabrication additive a, par exemple, permis de fabriquer l’Octobot, un robot souple et autonome imprimé en 3D. Celui-ci a été conçu grâce à la technique EMB3D (ou « robotique soft »), qui utilise la technologie microfluidique pour contrôler et actionner les mouvements du robot, sans avoir besoins des composants électroniques conventionnels. Il est entièrement fabriqué à partir de matériaux souples à base de silicone, tels que du polydiméthylsiloxane (PDMS) et du Pluronic F127, SE 1700 et Sylgard 184. Ce robot n’est donc pas composé de pièces mécaniques comme des vis, des engrenages ou des leviers, ni d’appareils électroniques qui nécessitent plusieurs processus de fabrication, mais il est alimenté par un circuit logique microfluidique issu d’une réaction de décomposition qui génère du gaz.

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L’Octobot est un robot souple et autonome imprimé en 3D.

Contenu Encadré

L’électronique de demain s’imagine à Bordeaux

En 2017, l’ElorPrintTec, une plateforme de recherche et développement (R&D), dédiée à l’électronique organique flexible et imprimable, s’installait à Talence, sur le campus de l’université de Bordeaux. Dans cette structure de plus de 1 200 m2 dont 800 m2 de salle blanche ISO 6, les chercheurs travaillent et développent des innovations en électronique, en nanotechnologies, en nanosciences et en synthèses de matériaux, dans le but est de construire les objets connectés de demain. Ils y créent des matériaux, des dispositifs et des systèmes électroniques organiques flexibles et imprimables. Le silicium est délaissé au profit de l'électronique organique àbase de carbone.

La réalisation de la plateforme ElorPrintTec a bénéficié du cofinancement de l’État (10 millions d’euros), de la Région Nouvelle-Aquitaine (1,75 millions d’euros) et du Feder (1,4 million d’euros), mais aussi du soutien de l’université de Bordeaux, du CNRS et de la société Arkema. Un budget élevé et une équipe importante pour répondre aux défis de nombreux secteurs tels que l’énergie, l’environnement, le numérique et la santé.

Contenu Encadré

L’impression directe sur puce par jet d’aérosol

Le procédé d’impression par jet d’aérosol (Aerosol Jet Printing) est une technologie permettant de déposer avec précision une grande variété de matériaux (métaux, polymères, céramiques, composites, encres biologiques ou encore des encres électroniques) sur des substrats. Il est adapté aussi bien aux surfaces planes qu’aux surfaces courbes ou texturées, ou au remplissage de cavités. Cette technologie est particulièrement adaptée à l’impression 3D de pièces électroniques. Northrop Grumman mène des travaux sur la technologie Aerosol Jet d’Optomec afin de limiter les problèmes liés à la fiabilité et aux performances des circuits, en raison des propriétés matérielles des conducteurs et des isolants électroniques

imprimés. L’article intitulé « Direct On-Chip 3-D Aerosol Jet Printing With High Reliability » (« Impression directe sur puce par jet d’aérosol 3-D avec une grande fiabilité ») écrit par une équipe de Northrop Grumman et publié dans IEEE Transactions (vol. 7, n° 8), décrit l’impression de couches diélectriques et d’interconnexions en or de type pont sur des circuits intégrés micro-ondes à base de GaAs ou MMIC. Les dispositifs MMIC ont é é soumis à une batterie de tests RF et de tests de fiabilité. Ils ont montré qu’ils ne nuisaient pas aux performances RF, même après avoir subi des chocs thermiques, un cycle thermique et des tests de contrainte de courant approfondis.

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    Contenu Encadré

    Les avantages de la fabrication additive pour le secteur électronique

    • Liberté de conception : formes complexes, allègement de la masse, suppression de l'assemblage, personnalisation, etc.
    • Insertion de nouvelles fonctionnalités ou de composants électroniques.
    • Fabrication de très petites pièces.
    • Impression haute résolution.
    • Fabrication multi-matériaux.
    • Les coûts de développement des produits sont réduits grâce aux fichiers numériques et à la relocalisation de la production.
    • La flexibilité et la qualité de la conception sont considérablement améliorées.
    • Délai de mise sur le marché plus rapide.

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