Accueil Recherche | Plan Technique | Liens | Actualités | Formation | Emploi | Forums | Base
logo CERIG NOTE TECHNIQUE Cerig 
Vous êtes ici : Accueil > Technique > Notes > Formulation d’encres conductrices et optimisation des paramètres de sérigraphie pour applications microélectroniques           Révision : 28 août 2012
     
Formulation d’encres conductrices et optimisation des paramètres
de sérigraphie pour applications microélectroniques

Joséphine Bourel
Promotion 2011
Mise en ligne : Août 2012

Résumé du projet de fin d'études encadré par Nadège Reverdy-Bruas
Projet : Multilayer-LGP2
 

Note précédenteListe des notesNote suivante

La Cellulose réunit les anciens élèves de Grenoble INP-Pagora (ingénieurs et diplômés de licence professionnelle). Chaque année, l'association attribue le Prix de La Cellulose à un(e) jeune ingénieur(e) diplômé(e) de l'école qui s'est distingué(e) par son travail tout au long de son parcours scolaire et particulièrement durant sa troisième année d’études, au travers de son projet de fin d’études (PFE). La participation à ce Prix est individuelle, gratuite et ouverte à tous les élèves-ingénieurs de Grenoble INP-Pagora ayant été diplômés l’année en cours.
Le Prix de La Cellulose es remis au (à la) gagnant(e) lors de la cérémonie de remise des diplômes.
Voici le résumé du projet de fin d'études d'une ingénieure diplômée en 2011, candidate au Prix de la Cellulose 2011.

I - Objectifs

Voir aussi

Ce projet de fin d'études s'inscrit dans le cadre du projet européen Multilayer dans lequel dix-neuf partenaires sont impliqués. Le projet est divisé en neuf sous-projets qui ont pour but de trouver une solution pour la production de masse de composants électroniques à base de céramique.

Les objectifs principaux de l'étude sont d'adapter la sérigraphie à des supports en céramique ainsi que de formuler des encres à base d'eau capables de remplacer les encres sérigraphiques à base de solvants irritants et nocifs comme le terpinéol et le toluène.

II - Phase expérimentale

Pour aboutir aux objectifs fixés par le cahier des charges, au démarrage de l'étude, une revue bibliographique de l'état de l'art et des travaux antérieurs est réalisée sur l'électronique imprimée.

Une partie expérimentale basée sur les connaissances acquises dans la revue bibliographique est ensuite effectuée.

    Caractérisation des supports afin de déterminer leurs énergies de surface et la taille de leurs pores de surface.
  Étude de l'impression d'une encre commerciale sur support en céramique à base d'argent ainsi que la caractérisation des lignes imprimées avant et après frittage.
    Formulation d'encres sérigraphiques à base d'eau adaptées aux supports en céramique.  

Ces encres sont caractérisées à l'état fluide afin de déterminer leur comportement rhéologique. Ensuite, elles sont imprimées par sérigraphie sur des supports flexibles et rigides. Les paramètres d'impression – vitesse et pression – sont étudiés afin de déterminer leurs effets sur les propriétés des lignes imprimées (épaisseur et largeur).

Par la suite, les supports imprimés sont frittés et les caractéristiques des lignes (géométrie et propriétés électriques) après frittage sont étudiées. De plus, l'effet de la température sur la résistivité électrique est aussi déterminé.

Pour appliquer cette méthodologie, différentes techniques sont utilisées.

    Exploitation des micrographes acquis par microscopie électronique à balayage (MEB) pour étudier la microstructure des supports et des lignes (MEB environnemental Quanta 200).
  Mesure des angles de contact pour calculer les énergies de surface : méthode OWRK (Owens, Wendt, Rabel and Kaelble).
    Topographie de surface pour mesurer les épaisseurs et les largeurs des lignes (profilomètre 3D Alicona).  
    Formulation d'encres conductrices par dispersion mécanique.  
    Études des modèles rhéologiques en cisaillement (Bingham, Hershel-Bulkley, Casson).  
    Impression par sérigraphie (presse sérigraphique automatique DEK Horizon 03i).  
    Frittage dans un four traditionnel en atmosphère normale (four traditionnel Statop Nagat).  

Les supports céramiques sont imprimés avant frittage (souple - Low Temperature Co-fired Ceramics (LTCC)) ou à l'état fritté (alumine rigide - High Temperature Co-fired Ceramics (HTCC)). L'adhésion de l'encre sur les supports dépend des interactions encre/support. L'étude des propriétés de surface des supports est donc nécessaire afin de formuler des encres compatibles. Le support en alumine fritté est compatible avec l'eau. Cela est dû à l'évaporation du solvant organique et la décomposition des liants polymères au cours du frittage.

Au cours de l'étude microscopique des surfaces des supports, la taille des pores est mesurée et leur fréquence déterminée. La taille des pores de surface de l'alumine s'avère plus petite que celle des supports LTCC non frittés. Cela est dû au frittage qui réduit la taille des pores. Des encres contenant de petites particules d'argent (< 1 µm) pourraient donc être imprimées sur les supports HTCC. Les supports LTCC seraient plutôt imprimés par des encres contenant des particules plus grandes (> 1 µm). Cela éviterait que les particules conductrices passent à travers les pores de surface. Les microparticules d'argent à disposition (diamètre moyen: 2-3 µm) sont donc compatibles avec les supports.

Une fois les supports étudiés, une étude détaillée des encres conductrices à base d'argent déjà commercialisées par la société Hereaus est réalisée. Elle servira de référence aux encres nouvellement formulées. L'étude donne des informations sur la composition de ces encres (taille des particules, éléments chimiques constituant le véhicule de l'encre...) mais aussi leurs propriétés d'imprimabilité, grâce à une étude rhéologique.

Les composants du véhicule de l'encre formulée en laboratoire sont ensuite choisis de manière à n'utiliser que des produits chimiques respectueux de l'environnement. Pour chacune des formulations réalisées, la proportion des composants du véhicule est conservée, seule la proportion de microparticules d'argent varie. Au cours de la formulation, des compromis sont faits entre les propriétés conductrices de l'encre, d'autant plus grande que la proportion de particules d'argent est grande, et l'imprimabilité. En effet, cette encre est imprimée par le procédé sérigraphique au cours duquel l'encre est soumise à de très fortes contraintes de cisaillement. Cinq formulations sont préparées contenant chacune respectivement 72,1%, 73,3%, 76,5%, 78,2% et 81,8% de microparticules d'argent.

Les séries d'impression de ces encres, réalisées dans les conditions optimales d'impression des encres commerciales, mettent en évidence que le meilleur compromis entre conductivité et coûts de fabrication de l'encre sont obtenus avec l'encre contenant 73,3% de microparticules.

Plus la concentration en argent est grande, plus l'encre est visqueuse. L'étude rhéologique des encres met en évidence leur caractère rhéofluidifiant jusqu'à une certaine contrainte avant que l'encre ne se dégrade. Il existe donc une contrainte optimale à appliquer aux encres pour obtenir une encre fluide et traverser les mailles de l'écran de sérigraphie, sans pour autant la dégrader. Au cours de l'impression, la vitesse de déplacement de la racle et la pression appliquée sur le film d'encre sont les deux principaux paramètres agissant sur la contrainte de cisaillement subie par le film d'encre. Les meilleures impressions ont été obtenues pour une vitesse de déplacement de la racle de 100 m.s-l avec une pression de 7 kg.

La capacité conductrice d'un film d'encre composée de particules d'argent repose sur la qualité des contacts entre ces différentes particules d'argent. Pour améliorer la qualité du réseau conducteur, le film d'encre est fritté ou cuit. Le véhicule de l'encre s'évapore alors et les particules d'argent fondent et créent un réseau continu d'argent. La température de cuisson de l'encre influe sur la conductivité électrique de la ligne imprimée. Une résistivité de 2,4.10-8 Ohm.m proche de celle de l'argent pur (1,6.10-8 Ohm.m) est mesurée sur des lignes frittées à 900°C pendant 15 minutes (Faddoul Rita, Reverdy-Bruas Nadège, Bourel Joséphine. Silver content effect on rheological and electrical properties of silver pastes. Journal of materials science, 2012, vol.23, n°7, pp.1415-1426).

La même ligne expérimentale est suivie pour les supports LTCC imprimés avec des encres contenants 73% et 78% de microparticules d'argent. La taille des pores de surface du support LTCC induit une plus faible conductivité avec ce type de support qu'avec un support HTCC.

III - Conclusion

Des encres à base d'eau adaptées pour la sérigraphie sont formulées avec succès. Ces encres peuvent remplacer les encres commerciales contenant des solvants irritants et nocifs. Les lignes sont imprimées sur des supports en céramique frittés et non frittés. Des résistivités (2.10-8 Ohm.m) proches de celles de l'argent pur sont mesurées. Des essais permettant la mesure des propriétés diélectriques ainsi que la capacité des lignes imprimées sur des supports frittées à transmettre les ondes micro-ondes sont en cours d'études à Swerea IVF et Omnysis en Suède.

 
Note précédente Note suivante
Note précédente Liste des notes Page technique  Note suivante
 
Accueil | Technique | Liens | Actualités | Formation | Emploi | Forums | Base
 
Copyright © Cerig/Grenoble INP-Pagora
Mise en page : A. Pandolfi