SUR PLASTIQUE > MICROSYSTEMES

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1 DOSSIER DU MOIS #16 > MICROSYSTEMES SUR PLASTIQUE fotolia.com ÉMERGENCE DE PRODUITS ENCORE PLUS INTELLIGENTS DOMINIQUE APPERT, CFP / Le marché des produits plastiques intelligents connait aujourd hui un essor considérable, lié en particulier aux dernières innovations issues du rapprochement des domaines de la plasturgie et de l électronique. Si les matériaux polymères ont été longtemps limités aux seules fonctions de packaging de composants électroniques, leur mise en œuvre actuelle les associe davantage à des fonctions électroniques elles-mêmes. Partie intégrante de ces dernières, on peut aujourd hui parler de microsystèmes sur plastique. Un évènement Innov Day s est déroulé le 12 décembre 2013 à Bellignat Oyonnax sur la thématique des microsystèmes sur plastique, avec 8 conférences pour présenter les technologies et les domaines d application de ces produits plastiques intelligents, conférences complétées par des expositions et des démonstrations sur les plateformes technologiques du PEP. << Les microsystèmes Un microsystème est de taille micrométrique. Il comprend un ou plusieurs éléments mécaniques et utilise l électricité comme source d énergie en vue de réaliser une fonction de capteur ou d actionneur. Le capteur va transformer une information en un signal électrique qui sera traité (capteur d accélération, de pression, de flux, etc.). L actionneur transforme un signal électrique pour réaliser une fonction. Dans un téléphone mobile, il y a plusieurs micro-actionneurs : accord de fréquence, haut-parleur, micro, positionnement spatial, écran tactile, etc. Traditionnellement les microsystèmes électromécaniques (MEMS) sont issus des process de la microélectronique et sont fabriqués sur du silicium : gravure du silicium, dépôts métalliques, Mais la technologie du silicium présente certaines limites : les coûts du matériau et des procédés de fabrication sont élevés, et le design est limité (technologie 2D). Dans les équipements électroniques, les matières plastiques assurent des fonctions

2 #17 << Fonctionnalisation de pièces plastiques par micro et nanostructuration La maîtrise de la dimension et des tolérances des pièces plastiques injectées permet de rendre compatible l utilisation de ces pièces avec les besoins de l électronique et permet d apporter des fonctions (propriétés optiques, de surfaces, d adhésion, d anti-contrefaçon, ) grâce à la création de micro et nanostructures contrôlées. Deux applications ont été présentées à l Innov day, l une dans le but de pouvoir authentifier les pièces et l autre concernant la micro fluidique. fid Microsystème support, packaging, ergonomie, étanchéité. Mais plus encore, les matières plastiques s intègrent à l électronique pour la miniaturisation des systèmes, l intégration ergonomique des fonctions en 3D, la fiabilisation et la performance des produits, le tout en réduisant les coûts de fabrication et en limitant les phases d assemblage. Les atouts des matières plastiques se situent dans les possibilités de design 3D, les propriétés spécifiques (transparence, souplesse, hydrophobie, ), l intérêt économique. Les conférences qui se sont déroulées lors de l Innov day du 12 décembre 2013 ont permis d illustrer les avancements de la plastronique dans 3 types de domaine : - La mise en forme de pièces plastiques à l échelle micro et nano pour apporter des fonctions, - La réalisation de circuits conducteurs sur pièce plastique, - Le capotage et le packaging des composants électroniques. Procédé innovant d anti-contrefaçon sur les pièces plastiques La Société Mimotec, basée en Suisse, est spécialisée dans la fabrication de composants pour l horlogerie par une technologie combinant la photolithographie et la croissance galvanique. La précision dimensionnelle des composants obtenue est de + ou 2 microns. Actuellement dans le monde, de plus en plus de montres sont copiées et les copies sont de plus en plus difficiles à détecter. L idée est d intégrer sur un des composants de la montre une nanostructuration qu il suffit de pointer en surface à l aide d un rayon laser pour diffracter un logo, un numéro de série, voire plusieurs motifs sur le même composant, et ainsi authentifier le produit. La solution est rendue i nfalsifiable par la succession de technologies utilisées pour réaliser ces motifs : calcul de la transformée de Fourrier C est sur cette base que le PEP Centre Technique de la Plasturgie et des Composites mène des travaux de développement en plastronique. La plastronique est le terme issu de la combinaison de la plasturgie et de l électronique. La plastronique consiste à mettre de l électronique dans les pièces plastiques pour les doter «d intelligence». La plastronique reste toutefois complémentaire à la technologie du silicium qui garde un avantage dans la réalisation par exemple, des fonctions de haut niveau, rapides, avec faible consommation, et pour des éléments miniatures. MIMOTEC - Authentification par lecture à l aide d un rayon laser

3 DOSSIER DU MOIS #18 SONY DADC Champ d applications inverse, UV-liga photo lithographie et gravure silicium DRIE. Cette solution est transférable à la réalisation d une surface codifiée dans les empreintes de moule qui sera répliquée lors de l injection sur les pièces plastiques. La réplication optimale des micro et nanostructures implique le remplissage complet de la forme et l absence de sa détérioration lors de l éjection de la pièce. Pour répliquer de façon la plus parfaite possible la surface de moules, le PEP a développé plusieurs technologies : - Le vide dans l empreinte : suppression de l air dans l empreinte avant injection pour permettre le remplissage des micro / nanostructures et éviter les phénomènes de brûlure (effet «diesel»). - L injection / compression : fermeture de l outillage en fin d injection pour améliorer le remplissage des structures, pour modifier l orientation des chaines et pour améliorer la planéité de la pièce finale (maintien homogène). - Le chaud / froid rapide : contrôle précis de la thermique de l outillage pour faciliter l écoulement du polymère dans l empreinte et pour réduire les pressions d injection. La précision du silicium avec les plastiques La société Sony DADC BioSciences a également développé des techniques pour réaliser des micro et nano structurations en surface d empreintes de moules pour réplication sur les pièces plastiques destinées à des applications en micro-fluidique (laboratoires sur puces, micro-filtres capables de filtrer des particules de 7 microns dans un fluide). Les technologies employées concernent la micromécanique, la lithographie, l électroformage. << La réalisation de circuits conducteurs sur pièce plastique Il existe plusieurs procédés pour réaliser un circuit conducteur sur une pièce plastique. Le surmoulage sur bande métallique découpée, la méthode jet d encre avec une encre conductrice et la technique de pulvérisation de métal par un jet localisé ont été les trois technologies évoquées lors du l Innov day. Le surmoulage sur bande Le procédé consiste à mettre en forme des pistes par découpe d une feuille métallique et à venir surmouler un thermoplastique sur ces pistes. Novapack est une société qui fournit les grands fabricants de puces. Elle utilise entre-autres la technologie d injection pour surmouler une bande métallique qui se déroule par pas au-dessus d une presse à injecter (procédé «reel to reel»). Dans les applications de la société Novapack, la matière choisie est de la famille des polymères à cristaux liquides (LCP) qui présentent de bons avantages pour l électronique : imperméabilité à l humidité et aux Novapack Moulage «reel to reel» gaz, constante diélectrique faible, stabilité thermique, tenue thermomécanique élevée (les soudures dans la filière électronique se faisant à 270 C), conformité réglementaire ROHS. Mais les LCP adhèrent mal au métal et les lignes de soudure sont particulièrement visibles, défauts que Novapack solutionnent en modifiant le polymère par extrusion réactive et en utilisant un procédé d injection en chaud / froid (cavité du moule supérieure à 250 C en phase injection). Les opérations de découpe et de pliage de la bande métallique se font à l aide d outils en carbure de haute précision pour répondre aux spécifications dimensionnelles et géométriques (co-planéité des pates < 50 microns, précision de découpe de 3 microns). La technique de pulvérisation de métal par plasma atmosphérique Le procédé consiste à appliquer sur la surface polymère une laque non adhérente. Puis un masque représentant le circuit à réaliser est placé à la surface de la pièce laquée. Par l intermédiaire d un rayon laser, on vient détruire la laque dans sa partie accessible par le laser. Un dépôt de métal est ensuite réalisé sur la surface par plasma atmosphérique. On obtient une pièce plastique dotée d un circuit métallique après nettoyage de la pièce permettant d éliminer la laque résiduelle. Il existe une grande diversité de plasmas en fonction de différents paramètres : type de source électrique, pression de travail, configuration des électrodes, magnétisation des particules dans le plasma. Une des problématiques des plasmas atmosphériques est d obtenir des dépôts contrôlés et reproductibles.

4 #19 capteurs biochimiques ou biomédicaux, des fonctions logiques (connectique, antenne, filtrage), des transistors, des mémoires, des OLED pour la petite signalétique, des batteries flexibles et du photovoltaïque pour alimenter les composants. L avantage du procédé est son faible coût et la versatilité de l impression qui permet une adaptabilité et une customisation du produit. Plasma Innovations - Pièce bimatière (polymère de haute conductivité thermique recouverte d une couche de polymère isolant) + laque (pointillé vert) Plasma Innovations - Dépôt de cuivre par plasma 3D dans les zones non protégées par la laque << Le capotage et le packaging des composants électroniques Dans l application précédente de l électronique imprimée, il est nécessaire d aller plus loin dans l élaboration du produit pour réaliser les interfaces homme / produit. Différentes technologies peuvent être envisagées : le procédé IML (In Mold Labelling) ou le surmoulage par une matière plastique pour réaliser le packaging du système. La société Plasma Innovations est spécialisée dans la fabrication d équipements pour les secteurs de l automobile et de l électroménager basés sur des systèmes de plasma atmosphérique. Une des applications concernent le marché des LED et les nouvelles LED 3D. Le savoir-faire de l entreprise concerne la métallisation 3D en couche épaisse par dépôt plasma. La méthode jet d encre avec une encre conductrice Cette technologie est particulièrement adaptée aux grandes surfaces, aux écrans, aux interfaces homme / produit : éclairage de surface O-LED, photovoltaïque, display Il s agit d utiliser un procédé d impression (faible investissement) pour réaliser sur un substrat (papier, film plastique, métal) des fonctions grâce à des encres conductrices, semi-conductrices ou diélectriques. On obtient une surface sensible captive ou CEA-LITEN L électronique flexible imprimée active grâce à la distribution de fonctions sur une grande surface flexible et robuste. Le CEA a mis au point un procédé d impression et travaille avec des partenaires chimistes qui élaborent les encres à base de polymères conducteurs, des partenaires imprimeurs et des électroniciens. En complément à l électronique imprimée, le CEA envisage d intégrer sur la surface flexible des ships silicium amincis à 40 microns pour être flexibles eux aussi. Ces systèmes vont devoir ensuite être connectés, alimentés et les signaux devront être traités, Tout ceci se fera en relation avec des partenaires industriels qui développent les applications. Parmi les applications de ces surfaces intelligentes, on peut citer les matrices de capteurs de température ou de pression, de photodiodes, de capteurs de gaz, de Le packaging de films en électronique imprimée Le PEP travaille sur la mise au point et la fiabilisation d une technologie de packaging des composants électroniques imprimés directement par surmoulage de matière plastique. La problématique est de mettre en forme 2D/3D le film sans dégradation des fonctions et de pouvoir interconnecter les composants avec l extérieur. Une plateforme technologique PICTIC a été mise en place pour développer notamment des nouvelles technologies d intégration de l électronique imprimée avec le plastique, tenant compte de différents paramètres : nature du film, technologies d impression utilisées pour le composant, applications visées, complexité du produit final (2D/3D). Le but de la plateforme est d accélérer l industrialisation des technologies de l électronique imprimée issue des laboratoires français, de stabiliser les procédés d impression, de transférer les savoirfaire sur des lignes pilotes industrielles. La plateforme est aussi un outil qui sera mis à disposition des industriels pour le développement de leurs propres produits

5 DOSSIER DU MOIS #20 CEA-LITEN / PEP plateforme PICTIC intelligents (intégration par surmoulage et interconnexion). L interactivité grâce à des films conducteurs transparents Poly-IC est une société du groupe Kurz spécialisée dans la fabrication de films pour les applications d étiquetage et de décoration dans le moule (IML, IMD). POLY-IC Combinaison IMD / IML film La société a développé de nouveaux films conducteurs transparents sur lesquels sont intégrés des fonctions électroniques imprimées pour différentes applications (capteurs, éléments de chauffage, blindage électromagnétique, ). La société a également développé des technologies pour intégrer par IML /IMD ces films en combinaison avec des films décoratifs. Cette combinaison apporte de grandes possibilités d interfaces homme / produit, notamment dans les secteurs de l automobile et des appareils ménagers. Le packaging plastique pour microsystèmes silicium Les matières plastiques permettent de réaliser le packaging de composants électroniques en silicium, et remplacent le silicium là où il n est pas fonctionnel (capot). L intérêt est économique tout en apportant de nouvelles fonctions, comme la forme 3D. Flowdit est un bureau d études qui réalise de la R&D en micro-actionneurs, systèmes qui utilisent des transducteurs pour transformer l énergie électrique en mouvement. Le mouvement va pouvoir générer des actions pour des contrôles de fonctions d écoulement fluidique. Les constructeurs automobiles et aéronautiques, poussés par les normes européennes, visent à réduire la consommation en hydrocarbures des véhicules et avions. Dans le cadre d un projet de recherche CARAVAJE, Flowdit a développé avec l aide de partenaires, un système composé d une batterie de 30 micro-vannes qui éjectent de l air de façon ponctuelle pour modifier l écoulement de l air autour et à l arrière d un véhicule. Ce système a montré qu une réduction de 10 % de la trainée aérodynamique des véhicules était réalisable. Sachant que la consommation actuelle en carburant pour les véhicules en France est de 225 millions de litres par jour, avec un prix moyen à 1,55 euros par litre, une réduction de 10 % de la consommation représente une économie de 35 millions d euros par jour. Les premiers microsystèmes ont été réalisés avec un packaging classique usiné. Il est nécessaire maintenant de concevoir un packaging plastique par surmoulage. Un projet européen Hinmico a démarré pour développer les outils industriels qui permettront de réaliser l intégration des pistes électriques et des arrivées d air avec une grande précision (résolution dimensionnelle des MEMS : +/- 5µm, défaut de planéité inférieur à 10µm sur des éléments de 50 mm au carré). FLOWDIT - Réseau de 4 MEMS : Packaging supérieur

6 #21 La plasturgie comme solution à l intégration de composants électroniques dans les «textiles intelligents» Dans le cas d une fibre textile qui émet de la lumière, l idée est de tisser un écran avec des fibres conductrices d électricité pour piloter l écran, des fibres isolantes entre les couches, des rubans qui comportent les différents pixels composés de LED. Le projet européen PASTA réunissant différents partenaires dont le CEA-LETI, le PEP et HTH, a pour objectif de développer à l échelle industrielle des textiles dans lesquels on aura incorporé de l électronique. Cela nécessite de travailler notamment sur la réalisation de circuits imprimés étirables, sur la technologie qui va permettre de connecter le circuit imprimé aux fils conducteurs du textile, sur une technologie de packaging minimaliste pour intégrer le composant électronique au plus près du textile. Le CEA a travaillé pour fabriquer une LED avec un capot en forme de pointe facilitant l intégration dans le textile, pointe qui est ensuite écrasée pour rendre les LED imperceptibles. La solution plastique en forme de pyramide a été développée par le PEP. Les composants doivent répondre à plusieurs spécifications : insertion facile dans le textile, émission de la lumière à travers le capot, diminution de la visibilité du composant quand la lumière est éteinte, compatibilité avec les procédés du textile (nettoyage, résistance chimique), idéalement compatibilité avec les procédés de la microélectronique. Le matériau retenu est un polyamide transparent. Les micro-pointes sont réalisées par le procédé d injection équipé d un système de vide et d une thermique de moule en chaud / froid afin de pouvoir reproduire parfaitement le rayon de courbure à l extrémité des pointes qui est de 15 à 20 microns. Après injection, les micro-pointes sont alignées sur un support qui permettra ensuite le report des LED et une découpe par les procédés standard de la microélectronique. A ce jour, il reste à relever les challenges de précision des microstructures et de fabrication à grande échelle. << Conclusion Par leurs propriétés physiques et chimiques spécifiques, les matériaux polymères apportent des solutions là où les matériaux standards de la microélectronique montrent leurs limites. Ainsi, leur transparence et leur mise en forme 3D offrent de nouvelles perspectives dans le domaine de l éclairage LED. Par leur fidélité de réplication par injection, ils permettent l émergence de nouveaux produits micro / nano-structurés à bas coût, notamment dans les domaines du médical ou de l anti-contrefaçon. Leur mise en œuvre en tant que brique élémentaire de l électronique imprimée ouvre enfin de nouvelles possibilités pour l intégration de cette électronique du futur dans nos produits de demain. << Remerciements Les organisateurs de l Innovday du 12 décembre 2013 remercient les intervenants et les exposants à cette journée pour leur disponibilité et pour la qualité de leurs présentations, par ordre d intervention à la journée : - Suzanne GOLDBACH et Wil PEELS, PHI- LIPS LIGHTING - Renaud LANGLADE, NOVAPACK TECH- NOLOGIES - Yannick BRETON, HTH - Jean BRUN, CEA LETI - Michael BISGES, PLASMA INNOVATIONS - Christophe EDOUARD, FLOWDIT - Chris MAURACHER, SONY DADC Austria - Martin SCHEWE, POLYIC - Isabelle CHARTIER, CEA LITEN Exposants : OLYMPUS France, ARBURG, BILLION, MIMOTEC, CEA-LITEN. << Contacts / liens utiles PEP - Centre Technique de la Plasturgie et des Composites 2 rue Pierre & Marie Curie BELLIGNAT Tél : +33 (0) Fax : +33 (0) info@poleplasturgie.com - Luc UYTTERHAEGHE Directeur Général luc.uytterhaeghe@poleplasturgie.com - Maël MOGUEDET Responsable BU Plastronique mael.moguedet@poleplasturgie.com - Lionel TENCHINE Responsable Ligne Programme «Microsystèmes sur Plastique» lionel.tenchine@poleplasturgie.com - Fabienne PERRIER Assistante Commerciale fabienne.perrier@poleplasturgie.com