L Electronique Organique Imprimée? Diversification ou Substitution aux technologies actuelles d assemblages des circuits électroniques? Patrick Perochaud Accelonix / 2C++ Mars 2015
Cette présentation aborde Les filières l Electronique Organique et de l Electronique Organique Imprimée, Des exemples d applications La chaine de valeur avec ces équipements de dépôt Les verrous technologiques identifiés Conclusions
ACCELONIX Activités / Compétences Equipements et lignes CMS Equipements Micro Electronique Back end DISTRIBUTION SERVICE 70 pers en EU 25 en Fr 20M CA Equipements de TEST Equipements et lignes Génération d énergie Solaire - PV Cœur de piles à Combustible Equipements et lignes Stockage d énergie Batteries Lithium Ion Supercapacitors Equipements Pour l Electronique Imprimée
Electronique Imprimée s identifie à ces produits Tissu intelligent Smart systems Objets connectés APPLICATIONS SECTORIELLES RFID Next generation Capteurs Grandes dim Films solaires flexibles et batteries imprimées OLED SURFACIQUE 3D Flexible Eclairage Automobile Source: Konarka
Les 2 filières de l Electronique Organique 1 Electronique Organique +15 ans -- stade Fab to Market Substrats :Verre, verre souple, Plastique en Sheet2Sheet Par Evaporation CVD- MOCVD et Spin coating avec donc de faibles taux de transfert et des Coûts élevés Plus soustractive qu additive, dépôts typiques 100nm Basse Température Techno déjà dans votre poche v Ecrans OLED v AMOLED Haute résolution v Solaire rigide v Transistors CMOS,OFET 2 Electronique Org Imprimée R&D 2005 -- Stade Lab to Fab Substrats : Plastiques, textiles, papiers en Sheet2sheet et Roll2Roll Moyens type additifs : offrant des forts taux de transfert dépôts typique 10µm Grands formats / très grd formats Basse Température OLED Eclairage & Automobile Grd D v OLED Ecrans Grd dimensions v Capteurs low cost; grd formats v RFID low cost Dans votre poche demain v Film Solaire flexible en R2R, low cost v Nouvelles applications
1 Electronique organique chimie des polymères conjugués Développée il y a +15 ans, chimie organique basée sur des matériaux semiconducteurs : des molécules de faible masse molaires, des nano-cristaux et surtout des polymères avec des molécules dites conjuguées une conjugaison due à l alternance de simple et doubles liaisons Carbone / Carbone avec 4 électrons de valence dans ces atomes de carbone, et répartis entre différentes orbitales. Encres conductrices, résistives, etc existent déjà Substrats rigides: verre (mais également des PET) mais toujours en Process : Sheet 2 Sheet Molécules de faible masse molaire sont déposées par évaporation sous vide secondaire 10-6 à 10-7 mbar Les polymères sont déposés par voie humide en spin coating, avec des taux de transfert faibles de 25% Shadow masking 10µm /10 µm Limité en Dimensions Ecran OLED offre 2 fois + de résolution qu un LCD
2 Electronique Imprimée, progrès de la chimie Organique Basée sur de nouveaux matériaux polymères développés à partir de molécules semi-conductrices conjuguées mais composées d atomes de carbones, d hydrogène et d azote associées à des colorants, et sous forme d encres organiques Imprimables; qui donnent naissance en 2005 à cette Technologie de rupture : L Electronique Imprimée, Dépôts sélectifs additifs (100nm et qq µm) offrant de forts taux de transfert parce qu utilisant les mêmes procédés de dépôt que ceux de l imprimerie : SERIGRAPHIE, HELIOGRAPHIE, OFFSET, Jet d encre, etc Sur des grands / très grands substrats : Plastique / polyester, papiers, textiles,(verre) etc Production en Sheet2Sheet et Roll2Roll pour un objectifs bas coûts -30 à -50% Moins d étapes de Process : 5/6 Faible empreinte carbone, Process basse Température, rapide, nanomatériaux compatibles: faire + avec -
LES DRIVERS de l Electronique Imprimée Pour de fortes perspectives de croissances sectorielles dès 2015 TECHNOLOGY PUSH MARKET PULL ex 4.0 et services q q Transparente, mince, mais résistante q Nouvelles applications q Afficheurs / Capteurs de T Grd dim q Tissus intelligents, q Objets connectés, q Papier intelligent q Grandes dimensions et q Grd Créativité des designers q Eclairage OLED Automobile q Basse Température, simple q Eclairage OLED habitation q Réduction de coûts q Affichage mural q Usage limité dans le temps q Amélioration du Bilan Carbone, ex : energy pay back time OPV
l Electronique Organique imprimée flexible Exemple Photodiode Organique élément de base des Photo détecteurs / capteurs d images de grandes dimensions Une réalisation en 5 / 6 étapes comparé à l inorganique 1. Substrat feuille PET polymère type polyéthylène + métallisation transparente ITO Anode ( aujourd hui réalisé par CVD et nano cristaux imprimés demain) 2. Structuration Anode - Eximer Laser - gravure directe ablation -Préparation surface par Plasma 3. Dépôt sélectif (sérigraphie - jet d encre) d 1 polymère : PEDOT PSS, HIL (Hole Injection Layer) 4. Dépôt sélectif (sérigraphie - jet d encre) du polymère actif, une hétérojonction HIL HTL 5. Dépôt de la cathode: (CVD shadow mask - nano particules Cond imprimées demain) 6. Encapsulation par lamination / couches barrières par ALD (Atomic Layer Deposition) 7. Découpe Laser /packaging hétérojonction PEDOT-PSS ITO PET Cathode métallique
Electronique Organique perspectives de répartition sectorielle en 2020 Marché de 4B$ en 2015; une perspective de 60B$ en 2020 5% Eclairage OLED 15 % larges Afficheurs OLED 8% capteurs 5% RFID en R2R Imprimé & Flexible 33% Flexible 11% 6 % Eclairage OLED 3 % Afficheurs OLED 2 % PV solaire Techno en R2R Imprimés 56% 89% de ces produits réalisés en Electronique imprimée 22% Eclairage OLED 28% larges Afficheurs OLED
Exemple des Capteurs Très fortes perspective de croissance de 2015 à 2020 Forte demande du marché, pour : de l intelligence embarquée (ex:indus 4.0, services) Fab to Prod. Mass prod en 2020, estimation 6B$ Taux de croissance 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% C a p a c i t f P ie z o r e s i s t i f F o r c e G A S P ie z o e l e c t r i q u e B i o c a p t e u r s T e m p e r a t u r e P h o t o d e t e c t e u r s H u m i d i t é Capacitf Piezo resistif Force GAS Piezo electrique Bio capteurs Photo detecteurs Temperature Humidité Excepté glucose Sensors 2B$ en 2015
Capteurs imprimés QUELLES EXEMPLES DE CAPTEURS ORGANIQUES IMPRIMES Capteur d image grand format Sur matrice de Transistors organiques BIOMETRIE large Capteur d image dans le spectre des rayons X, visible et IR Capteur T organique flexible associé à HP piézo, une cellule solaire SANTE large et conformable
Electronique Organique Imprimée QUELLES EXEMPLES DE CAPTEURS ORGANIQUES IMPRIMES Tatouage Bio sensor Interface tactile à échelle humaine Capteurs grande surface reconnaissance de mouvements
Electronique Organique Imprimée QUELLES EXEMPLES D ECRANS IMPRIMES et ECLAIRAGE OLED surfacique Frigo connecté et son écran interface Réalité augmentée dans une cabine avion Micro écrans type google glasses Eclairage OLED bibliothèque de Séoul
Electronique imprimée - La Chaîne de valeur Sheet 2 Sheet ----- Roll 2 Roll Operations en salle blanche PRODUCT FLOW Feuille ou film PET avec dépôt d ITO transparent Handling Dépôt ITO (nm) CVD, MOCVD PVD PRE-PROCESS Nettoyage Rouleaux Elastomère Soufflage Ionisation Traitements Plasma Corona DEPOTS additifs & sélectifs avec des moyens d Imprimerie Handling SERIGRAPHIE SLOT DIE HELIOGRAPHE Flexographie Offset Jet d encre Aérosol Jet Spray POST- PROCESS Handling Séchage IR UV LED Flash lamp Recuit T > Tg PET Four UV Four sous vide CONTRÔLE Handling Dimensionnel Elipsomètre Profilomètre Reflexomètre Interférométre Inspection Optique AOI (Rayon X) Tests Fonctionnels Packaging Handling Lamination Découpe etc Assemblage dans un system / System on Foil DEPOTS soustractifs GRAVURE Laser Eximer Chimie
Performances de ces différents procédés de Dépôts Résolution lignes / espaces Yield Through put 5. Ink jetting.. Sans outillage..sans contact 4 Aérosol Spray.. Sans outillage..sans contact 3. Heliography.. Développement outillage 7. Slit Coating R2R non sélectif 6. Emulsion Screen Printing & Stencil Printing Sheet 2 sheet.. Avec outillage / écran - Eximer laser writing- ablation 2. Ultrasonic Spraying non sélectif 1. µlithography Soustractif Layer thickness 1µ 10µ 25µ 50µ 80µm 100µ 200µ 300µ 400µ Résolution lignes / espaces des moyens de dépôt
Sérigraphie additive 80% Ecran de sérigraphie Sheet2Sheet ou R2R Compatible avec toutes les encres; conductrices, semi-conductrices, etc, viscosité : 500-50 000cp/mpas Bonne fiabilité et répétatibilté +/-12µm Cout de l écran émulsion (ou pochoir) faible Dépôts Pattern 70 µ / 70 µm et (30µ/30µ développement) * Epaisseurs des dépôts 1 à 100 µm, typique qq µm Des solutions existent pour des Conducteurs fort courant, en superposant les dépôts sérigraphiés
SLOT DIE additif Fonctionne sur le principe d une tête en 2 parties avec une fente calibrée, l encre est injectée pour créer un film Process sans contact Compatible avec toutes les encres, conductrices, semi-conductrices, etc, viscosité de 500-10 000 cp Process Sheet 2 sheet et Roll 2 Roll Dépôts d aplats ordre de qq cm Epaisseur 100nm à 150µm uniformité dépôt +/-4%
Jet d Encre Piezo. écriture directe Grande fiabilité et répétatibilté +/-3µm Permet la 3D,sans contact Limité à des encres de faibles viscosité : 5-20 Cp, compatibles nano particules, viscosité difficile à obtenir pour les encres polymères Dépôts Pattern 50 µ / 50 µm, en fonction de la viscosité des encres et de l interaction avec la surface, surface +/- hydrophile, rugosité, etc Epaisseur de 50nm à qq µm Process qui reste lent, mais les équipements multi têtes peuvent en associer JA 1000. Sensible à l état des buses : obturation, dégradation, etc
Aérosol Jet / spray Ecriture directe Précision répétabilité +/- 25 µm Permet la 3D, standoff 1-5 mm 60 µm Ag lines ds une tranchée 500µ Large gamme de viscosités de 5-2500 Cp, conductrice Ligne jusqu à 15 / 20 µm Epaisseur de 50nm à qq µm Process qui reste lent, mais peut disposer de plusieurs têtes; 40 et plus
HELIOGRAPHIE / Flexo Gravure Gravure Printing écriture directe par transfert Développement du cylindre gravé en creux, dédié à l impression des motifs spécifiques à réaliser. Temps et coût de développent du cylindre. Se justifie pour de forts Volumes Viscosité des encres : 50-500 cp Grande fiabilité et répétatibilté +/-25µm Dépôts 25 µ / 25 µm Epaisseurs des dépôts 100 nm à 20 µm, typique qqµm
System on foil Les composants; les sous ensembles organiques comme des capteurs, doivent encore s interfacer avec l électronique conventionnelle : CMS, etc, créant ainsi un system on foil. Consiste à faire coexister sur le même substrat flexible PET (Tg 140 C) des CMS, des puces, etc Assemblage par ACF, Anisotropic Conductive Films type Flex to RIGIDE est un process maitrisé. System of Foil, Electronique imprimé sur PET associant des CMS pour le traitement du signal Colles conductrice AG flexibles, sérigraphiables,? Crème à braser SnBi très basses T 140 C?
Electronique Imprimée Il reste quelques verrous technologiques.. Les encres : Améliorer: la rhéologie, les dispersions des Nanoparticules Développer : encres nano-cristaux d ITO / fils d Ag, encres émettrices polymères / nano-cristaux de couleur, encres conductrices métalliques nano roadmap 3/5 ans Les faibles vitesses des porteurs pénalisent les performances Elles sont environ 1 000 fois moins rapides que dans l électronique inorganique Si. Type N (accepteurs d électrons HIL-HTL) 2 cm2/v-s -- 30Khz Type P (donneurs d électrons ETL-EIL) 1,5 cm2/v-s Les consommations en courant, encore élevées, La réalisation des vias indispensables à de nombreuses applications, Les alignements pour la superposition des 5/6 couches difficiles dû notamment au stretch des substrats PET génération de capacités parasites, Packaging: solutions encore trop sensibles à l environnement, T, H, etc, Méthodes de caractérisation et de tests au cours du process restent difficiles,
EN CONCLUSION La plupart des problématiques de l Electronique Organique Imprimée Flexible ont été abordées, il reste des verrous technologiques avec les matériaux : propriétés, rhéologie et avec les moyens industriels: précision dépôt, correction du stretch, process R2R; roadmap 3/5 ans La transition Lab to Fab est en cours; la Mass Production se fera en 2020, notamment pour les capteurs en S2S, les OLED, les OPV souples en R2R; les marchés étant fortement demandeur avec une perspective de CA de 60B$ en 2020; 6B$ pour les capteurs. Cette technologie de rupture, avec une chaine de valeur simplifiée, comparée à l Electronique Inorganique, CMS et filières puces ne se substituera cependant NI à l électronique inorganique, NI au CMS, mais s imposera comme une technologie complémentaire aux technologies existantes, pour offrir des produits de grandes dimensions, flexibles, innovants, et créer de nouvelles applications en offrant des réductions de coût de fabrication de -30 à -50%. Les acteurs du CMS et les hybrideurs, peuvent aborder sereinement l Electronique Organique Imprimée puisqu ils auront à intégrer / à hybrider des composants / des sousensembles, réalisés en Electronique Organique Imprimée, avec des CMS; des puces dans des Systems on Foil entrant ainsi dans l ère de la POLYTRONIC. Patrick Perochaud Accelonix / 2C++ Mars 2015
Les acteurs de l Electronique Organique imprimée en France ACTEURS de la R&D.. de gros investissements des acteurs publics CEA DTNM Département des Technologies et des Nanomatériaux du LITEN Grenoble Labo PICTIC 650 m2 Salle Blanche, process Sheet 2 Sheet Université / CNRS plateforme Equipex ELORPrintTec, Bordeaux Plateforme CANOE Bordeaux Université IMP2NP de Marseille CTP le Centre Technique du Papier de Grenoble INP Pagora LGP2 de Grenoble La Société Botest GmbH La Société GenesInk encres nano matériaux ACTEURS INDUSTRIELS Une vingtaine environ en France Roadmap : Validations de démonstrateurs Dans la phase Fab to Lab CLUSTER Français Electronique Imprimée AFELIM MANIFESTATIONS en EU 5eme rencontres de L électronique Imprimée organisées par AFELIM, le 25 mars dernier Printed Electronics Europe 28 & 29 avril à Berlin.
Merci de votre attention L électronique Organique Imprimée Flexible : une Diversification et une Complémentarité des technologies actuelles d assemblages des circuits électroniques! Merci pour vos questions Patrick Perochaud Accelonix / 2C++ Mars 2015