Cartes de circuits imprimés intégrés multicouches étirables

Circuit imprimé

Cartes de circuits imprimés intégrés multicouches étirables ouvrant la voie à une matrice active déformable

Les systèmes électroniques rigides conventionnels utilisent un certain nombre de couches de métallisation pour acheminer toutes les connexions nécessaires vers et depuis des dispositifs isolés montés en surface, en utilisant une technologie de circuit imprimé bien établie. En revanche, les solutions actuelles pour préparer les systèmes électroniques extensibles se limitent généralement à une seule couche de métallisation extensible. Les croisements et les accès verticaux aux interconnexions restent difficiles ; par conséquent, aucune méthode fiable de carte de circuit imprimé extensible (SPCB) n’a été établie. Cet article présente une méthode de fabrication de SPCB compatible avec l’industrie qui permet des croisements multicouches et des accès d’interconnexion verticaux pour interconnecter des dispositifs isolés dans une matrice élastomère. En guise de démonstration, une matrice active étirable (260%) avec des dispositifs électroniques et optoélectroniques intégrés montés en surface est présentée, qui peut se déformer de manière réversible en diverses formes 3D, y compris hémisphérique, conique ou pyramidale.

Une augmentation spectaculaire des activités de recherche a été perçue au cours de la dernière décennie pour permettre la mise au point de dispositifs électroniques fonctionnels mécaniquement extensibles et déformables. En conséquence, un grand nombre de dispositifs extensibles ont été réalisés, démontrant un large éventail d’applications diverses qui comprennent la robotique douce, les actionneurs , les caméras électroniques à œil , l’électronique épidermique, l’électronique portable, l’électronique métamorphique, l’électronique alimentaire , l’acoustoélectronique, les dispositifs de surveillance de la santé, les textiles intelligents pour ne citer que quelques exemples. La plupart de ces démonstrateurs utilisent souvent des technologies hautement spécialisées et des matériaux non conventionnels qui rendent ces technologies plus intéressantes pour la recherche, mais moins favorables à la production industrielle de masse. Jusqu’à aujourd’hui, il n’existe pas de méthodes de fabrication fiables pouvant être généralisées sous la forme de la technologie des cartes de circuits imprimés extensibles (SPCB).

Les cartes de circuits imprimés rigides (PCB) conventionnelles sont généralement constituées de plusieurs couches de métallisation pour acheminer les pistes métalliques afin d’interconnecter les dispositifs de montage en surface (CMS) à l’aide de méthodes de fabrication bien établies, ce qui est l’une des principales raisons du succès primordial de cette technologie. D’autre part, l’électronique extensible reste généralement limitée à une seule couche active avec une intégration moins complexe des dispositifs, ce qui est principalement dû au manque de méthodes de fabrication fiables. Bien qu’il existe quelques prototypes de laboratoire de dispositifs extensibles démontrant des systèmes électroniques multicouches avec différentes fonctionnalités, les matériaux et les méthodes utilisés pour réaliser ces dispositifs sont non conventionnels et rarement adaptés à la production industrielle. Ce manque de technologie et de matériaux limite la complexité des dispositifs électroniques extensibles démontrés. Par exemple, même la matrice active fonctionnelle la plus simple nécessite au moins deux couches de métallisation.

En outre, des accès d’interconnexion verticale (AIV) sont nécessaires pour assurer l’interconnexion entre les différentes couches actives des cartes de circuits imprimés, ce qui n’est pas bien établi dans le processus de fabrication des dispositifs électroniques extensibles. Bien que quelques approches aient été signalées pour réaliser des IVA dans des substrats extensibles en utilisant des alliages liquides ou des matériaux en phase solide, là encore, les méthodes et les matériaux sont incompatibles avec le traitement conventionnel. Ainsi, un traitement compatible avec l’industrie des pistes métalliques multicouches et des IVA fiables, qui sont deux éléments importants pour réaliser une technologie SPCB, reste un défi majeur.

Récemment, nous avons fait la démonstration d’une méthode SPCB monocouche qui a permis une fabrication « sur support dur » en utilisant des techniques conventionnelles de microfabrication planaire qui retardent l’utilisation du substrat élastomère jusqu’à la fin. La méthode présentée a permis un traitement à haute température, un alignement et un enregistrement élevés, et a permis les méthodes conventionnelles d’assemblage de puces sur un support rigide. Toutefois, les méthodes précédemment démontrées n’utilisaient qu’une seule couche active sans routage complexe des pistes métalliques, ce qui limitait la complexité du circuit et du dispositif. Dans cet article, nous avons mis au point une méthode similaire pour réaliser des SPCB multicouches intégrées et démontrer une autre évolution vers la réalisation d’électronique extensible avec des capacités de densité d’intégration plus élevées en introduisant des IVA stables par l’interconnexion entre différentes couches de métallisation. La méthode utilisée dans cet article est compatible avec les procédés de microfabrication conventionnels et utilise des CMS vierges disponibles dans le commerce.

Nous présentons ici une méthode SPCB qui remplace le substrat isolant rigide du PCB conventionnel par un élastomère de silicone hautement étirable (EcoFlex). La méthode de fabrication démontrée pour réaliser le SPCB peut être divisée en deux étapes. La première étape utilise une méthode de fabrication à support dur qui est entièrement compatible avec les techniques de microfabrication planaire conventionnelles, la seconde étape introduit un substrat élastomère et aucune fabrication active n’est nécessaire pendant cette dernière. Cette méthode présente plusieurs avantages par rapport à d’autres méthodes éprouvées dans le domaine de l’électronique extensible puisqu’elle retarde l’introduction du substrat en caoutchouc, ce qui permet un traitement à haute température, une plus grande précision de repérage et d’alignement, et permet d’utiliser la robotique conventionnelle ou l’auto-assemblage avancé de matrices CMS. En outre, la méthode permet de tester la fonctionnalité du dispositif sur un support dur, ce qui est bénéfique puisqu’elle permet d’identifier les modes de défaillance du circuit et de la couche du dispositif avant et après avoir détaché, plié ou étiré la structure. En outre, comme la technologie classique des circuits imprimés, cette méthode permet d’utiliser directement les puces CMS. Pour réaliser des IVA dans le SPCB, on utilise ici une méthode similaire à la technologie conventionnelle des PCB. Une conception intégrée de SPCB multicouches hautement étirable (allongée jusqu’à 260% de la longueur d’origine) est discutée. Pour démontrer l’applicabilité, une matrice active LED entièrement adressable a été réalisée. L’écran LED intégré peut être déformé en diverses formes géométriques tridimensionnelles (3D) pour morpher l’hémisphère, le cône et la pyramide.

Résultats
Sur la fabrication des supports durs

Il est montré la conception et la première partie de la méthode de fabrication des SPCB multicouches sur un support dur. À titre d’exemple, un segment d’affichage LED à matrice active est réalisé. Comme mentionné, un réseau de LED à matrice active nécessite au moins deux couches de métallisation, des IVA, et l’intégration de transistors et de LED dans un type de réseau. Du point de vue des matériaux et du traitement, plusieurs éléments sont importants pour y parvenir. Il est présenté schématiquement les éléments de la première étape du processus de fabrication des SPCB sur support dur. La méthode représentée utilise une plaquette rigide de Si (500 µm d’épaisseur, MicroChemicals, Ulm, Allemagne) comme substrat porteur et les traitements ultérieurs sont effectués sur ce substrat rigide. Les détails du traitement sont ajoutés dans les méthodes et les méthodes supplémentaires.

 

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