Caractérisation de l’électronique imprimable au moyen des ondes térahertz

Introduction

À notre époque, les appareils électroniques sont omniprésents dans notre vie. Fabriquer un iPhone coûte environ 400 $ et représente 17 heures de travail d’un employé. Parallèlement, on assiste à la naissance d’une toute nouvelle technologie, appelée électronique imprimable (EI). Cette technologie de fabrication va diviser par dix le prix et le temps de fabrication des dispositifs électroniques. Contrôler la qualité de la conductivité de l’EI se fait généralement manuellement à l’aide d’un multimètre ordinaire. C’est là le principal obstacle au passage de l’EI à l’échelle industrielle. Nous proposons dans ce travail une nouvelle solution faisant appel à la lumière térahertz pour effectuer le contrôle qualité de la conductivité de l’EI.

L’électronique imprimable

L’électronique imprimable (EI) permet la fabrication abordable et la production à grande échelle de dispositifs électroniques personnalisés, soit l’impression de dizaines de kilomètres de dispositifs électroniques à l’heure. Son procédé de production simple en fait une technique de fabrication attrayante pour de nombreuses industries [1].

Le procédé de fabrication comprend trois étapes principales : choix des matériaux, impression et recuit. Tout d’abord, il faut choisir l’encre et le substrat. De nos jours, de nombreuses encres conductrices et semi-conductrices sont offertes sur le marché [1]. De plus, le substrat peut être rigide ou flexible, soit du papier, du verre ou tout type de plastique. Quant à l’étape d’impression, les technologies ont beaucoup progressé ces cinq dernières années. Ces percées ont été fortement motivées par le marché en forte croissance de l’EI et de ses nombreuses applications. À la dernière étape du procédé, il faut un traitement de recuit pour obtenir une structure conductrice à partir de la trace imprimée. Cette étape définit complètement les propriétés de conductivité électrique du dispositif imprimé.

Pour l’instant, la vérification de la conductivité de l’EI se fait généralement par contact, à l’aide d’un multimètre ou d’une sonde à quatre points. Par conséquent, un outil de caractérisation rapide, non destructif et sans contact est très attendu.

Traditionnellement, dans la production de magazines pleine couleur, d’affiches, d’emballages et autres, la qualité d’impression est évaluée au moyen d’une barre de contrôle des couleurs (GATF Standard Offset Color Bar) [2]. Ces barres servent à évaluer la qualité de l’encre imprimée à l’aide d’un densitomètre. En général, les barres de contrôle des couleurs sont imprimées à côté de la zone d’image et sont souvent coupées ou masquées lors de l’assemblage final (Figure 1).

Figure 1 Barres de contrôle qualité pour l’impression graphique et la fabrication de l’électronique imprimée.

En s’inspirant de ce principe, nous avons proposé la création d’une barre de contrôle qualité ou QCB (Quality Control Bar) sur le côté des composants imprimés afin de révéler la conductivité de l’encre lors de la fabrication d’EI, en temps réel (Figure 1). Étant donné que la résolution spatiale des techniques de fabrication typiques d’EI est de l’ordre de dizaines de micromètres, des structures métamatérielles résonantes aux fréquences comprises dans la plage térahertz (entre 100 GHz et 1 THz) sont faciles à imprimer.

Banc d’essai expérimental

Dans cette recherche, nous avons conçu un échantillon imprimé spécial, en deux parties, comme illustré à la figure 2 : (i) un prototype de composant imprimé de forme rectangulaire (l’échantillon de test), et (ii) une QCB. Ces deux modèles ont servi d’outils comparatifs entre les méthodes classiques et la spectroscopie térahertz temporelle, respectivement. Nous avons fabriqué un ensemble d’échantillons à l’aide d’une technique d’EI et modifié la conductivité en variant les paramètres de frittage.

Nous avons créé une QCB sous la forme d’une structure de résonance aux ondes THz. Cette structure crée un faisceau vortex, semblable à une tornade, à une fréquence THz précise. La spectroscopie térahertz temporelle (THz-TDS) a pu démontrer que la « force » de la tornade change en fonction de la conductivité.

Pour nous assurer de la fiabilité de la caractérisation d’EI par THz-TDS, nous avons étudié l’échantillon de test à l’aide de techniques classiques, par ex. 4PP, multimètre et microscopie à force atomique (MFA).

Figure 2 Illustration des mesures utilisées : microscopie à force atomique (MFA), sonde à quatre points (4PP), multimètre, spectroscopie térahertz temporelle (THz-TDS). L’encart à gauche montre la partie centrale d’une barre de contrôle qualité (QCB). L’encart à droite montre une unité de structure résonante par THz. Réimprimé avec la permission de [3].

Spectroscopie térahertz temporelle

La THz-TDS (spectroscopie térahertz temporelle) est un outil puissant pour la caractérisation non destructive de matériaux [3]. Le système THz-TDS a servi à vérifier les propriétés de résonance des QCB en fonction de la conductivité. Après un étalonnage approprié entre la résonance de la structure THz et les mesures de conductivité de l’échantillon test en courant continu, les résultats obtenus ont démontrés que la THz-TDS pouvait servir d’outil d’inspection simple permettant d’obtenir la propriété conductrice de l’encre imprimée sans contact.

Caractérisation d’EI

Comme le montre la figure 3, après un étalonnage approprié, nous avons démontré de façon expérimentale que la réponse à la transmission de la QCB en fonction de la conductivité de l’encre correspond aux mesures classiques de conductivité. De plus, nous avons démontré que le THz-TDS offre une plus grande répétabilité et précision pour suivre la variabilité de la conductivité de l’encre que les méthodes par contact classiques.

Figure 3 Comparaison des valeurs de conductivité avec multimètre à deux microsondes (violet), 4PP (rouge), transmission normalisée de THz-TDS (bleu), en fonction du temps de frittage. Réimprimé avec la permission de [3].

Conclusion

Nos résultats démontrent que la méthode THz-TDS convient à l’évaluation non destructive et sans contact des dispositifs EI et ouvre la voie au contrôle qualité in situ dans le procédé de fabrication (figure 4). La contribution principale de ce travail est alignée sur la devise de l’ÉTS : Le génie pour l’industrie.

Figure 4 Caractérisation du contrôle qualité dans la production industrielle de l’électronique imprimée.

Information supplémentaire

La version complète de cette recherche a été publiée et sélectionnée comme article de page de couverture pour un numéro sur le 3D de Sensors, édition 2019. Pour plus d’information, consulter l’article suivant :  Zhuldybina, M ; Ropagnol, X. ; Trudeau C. ; Bolduc, M. ; Zednik, R.K. ; Blanchard, F. 2019. “Contactless In Situ Electrical Characterization Method of Printed Electronic Devices with Terahertz Spectroscopy”. Sensors. 19(3). 444.