Brevet FR2820656A1 — publié le 20020816

De nombreux procédés industriels contiennent des phases de dépôt d'un ou plusieurs composés pâteux ou fluides afin de réaliser des couches, des motifs, des structures. Pour réaliser ce type de dépôt, les domaines de l'électronique, des dispositifs de visualisation et plus généralement tous les domaines nécessitant des dépôts sur un substrat plan emploient fréquemment les techniques de sérigraphie, de spray, de dépôt au rouleau, etc... Parmi toutes les méthodes utilisées, peu sont capables de réaliser des motifs, c'est-à-dire une forme géométrique donnée avec des motifs assez fins, par exemple des traits de l'ordre de 100 à 300 um de large. Or cette gamme de largeur de trait est très fréquente dans les domaines cités ci-dessus. On trouve par exemple des traits de 120 à 200 um de large pour réaliser les électrodes des dalles arrières des panneaux à plasma et des traits de 250 à 350 um de large pour le dépôt des luminophores dans les mêmes écrans. Si, de plus, on veut déposer ce type de motif sur une surface localement non plane, par exemple le dépôt des luminophores sur la structure des barrières dans les panneaux à plasma, alors même la technique de sérigraphie est mal adaptée. Il ne reste généralement que la solution de réaliser le dépôt du composé pâteux sur la totalité de la surface puis d'opérer une phase de photolithographie pour éliminer le dépôt là où il n'est pas désiré. Cet enchaînement d'opération est long et coûteux et n'est pas applicable dans tous les cas. Une autre technique connue est le jet d'encre. L'application de cette méthode est cependant très limitée pour les deux raisons suivantes. Par jet d'encre, on ne peut pas déposer une solution contenant des grains plus gros que quelques dixièmes de micron (par exemple on ne peut pas déposer les luminophores dans les écrans à plasma car les dits luminophores se présentent sous forme de grains de matière de 1 à 5 um de diamètre, dimensions tout à fait incompatibles avec la technique de jet d'encre). La seconde raison est que la solution doit être très liquide. Des viscosités inférieures à 100 cps environ sont nécessaires. Or tous les produits ne sont pas compatibles de telles viscosités, et en particulier la stabilité des solutions pose problème en raison de la décantation très rapide qui se produit dans les solutions de faible viscosité. Une dernière technique consiste en un dispenseur constitué d'une seringue au travers de laquelle on extrude une pâte. Les pressions de travail, c'est-à-dire la pression appliquée sur la pâte à l'entrée de la seringue, est de quelques bars, 5 à 6 bars au maximum. Si l'on veut extruder un flux de matière important, cette relativement faible pression impose d'utiliser des seringues avec des aiguilles de gros diamètre, supérieur à 0.5 mm. L'avantage est que ces faibles pressions sont aisément fournies par un réseau d'air comprimé ou par une pompe classique. Les inconvénients sont premièrement le faible flux de matière extrudée (donc une faible vitesse de dépôt), deuxièmement les contraintes importantes sur la viscosités des pâtes qui doivent rester assez fluides pour passer à travers l'aiguille et suffisamment visqueuses pour garder la structure du dépôt et enfin troisièmement, la difficulté à reproduire un motif fin. Ce type de dépôt est utilisé dans la réalisation des panneaux à plasma ou des tubes à rayons cathodiques pour le dépôt de la pâte destinée à former le joint de scellement. Le cordon déposé est épais de 200 à 500 um et large de quelques millimètres. La vitesse de dépôt est de l'ordre de quelques mètres par minute. Il est aussi utilisé pour déposer les gouttes de colle sur les circuits imprimés, les motifs sont alors des disques de 300 à 400 microns de diamètre. Donc si on veut déposer une pâte selon un motif fin, par exemple tel que des traits de 250 um de large pour le dépôt des luminophores entre les barrières dans les panneaux à plasma, que la surface n'est pas localement plane et que le dépôt ait plus de 5-10 u. m d'épaisseur après séchage, alors les méthodes actuelles sont souvent toutes mises en échec. La présente invention consiste en l'utilisation de buses proches des injecteurs employés dans les moteurs thermiques de type diesel et d'une alimentation à haute pression pour réaliser un dispositif de dépôt d'un composé pâteux ou fluide capable de réaliser des motifs de très faible largeur et épais. Le dispositif autorise l'utilisation de pâtes contenant des grains jusqu'à plus de 10 nm de diamètre et se satisfait d'une large gamme de viscosités. De plus, il permet des vitesses de dépôt très élevées, compatibles avec les cadences de dépôt des fabrications de masse. L'invention concerne également les substrats sur lesquels certains niveaux technologiques ont été réalisé avec un tel dispositif Dans une première variante de l'invention, le dispositif décrit sur la figure 1 utilise une buse proche d'un injecteur employé dans les moteurs diesel et constituée d'un corps [1] percé d'un canal [2] dont le diamètre est très inférieur à la longueur. Le diamètre du canal, compris entre 15 à 300 um, dépend de l'application, c'est-à-dire de la finesse du motif à reproduire, du flux de matière nécessaire pour déposer la masse nécessaire ainsi que de la viscosité de la pâte. L'entrée du canal peut être fermée par un piston [3] afin de moduler le flux de matière à travers le canal. Le piston est commandé par un dispositif [4] électrique, mécanique, pneumatique ou hydraulique. La caractéristique principale de ce dispositif est de forcer le passage d'un fluide ou d'une pâte [5] à travers le canal, le fluide ou la pâte étant soumis à une pression de plusieurs centaines de bars. La pression est fournie par une pompe [6], qui peut être par exemple une pompe volumétrique. Les pressions peuvent évoluer entre 200 et plus de 3000 bars, plus typiquement entre 800 et 2000 bars mais peuvent atteindre plus de 3000 bars pour des fluides particuliers ou des canaux très fins de 15 à 50 um de diamètre afin de réaliser le dépôt de motifs très fins. Le canal [2] percé dans le corps [1] peut être cylindrique, comme indiqué sur la figure 2, ou non. La figure 3 montre un exemple de canal conique [2] percé dans le corps [1]. Le canal peut aussi être parabolique. Pour certaines applications, comme indiqué sur la figure 4 le diamètre du canal [2] percé dans le corps [1] est de l'ordre de grandeur de la longueur de ce canal. Afin de réaliser, selon l'invention, des traits longs, des traits courts, des points, etc... le mouvement appliqué au piston est contrôlé par un signal de commande dont la fréquence peut aller du continu à plusieurs centaines d'Hertz, les durées d'impulsion pouvant être aussi courtes que une milliseconde. Le déplacement de la buse par rapport au substrat est réalisé soit en déplaçant la buse sur un, deux ou trois axes, soit en déplaçant le substrat par un dispositif tel qu'une table à déplacement selon un, deux ou trois axes, soit encore en déplaçant la buse et le substrat selon un, deux ou trois axes. La viscosité des fluides ou des pâtes qui peuvent être utilisées par le dispositif peut être choisie dans une gamme très large. Le dispositif peut accepter des fluides de moins de 100 centipoises comme des pâtes de plus de 500 000 centipoises. Ceci constitue l'un des avantages importants apportés par l'invention. En effet, la capacité du dispositif à utiliser des pâtes de fortes viscosités permet de vaincre la difficulté liée à la sédimentation rapide dans les solutions de faible viscosité. Des pâtes contenant des grains très denses doivent être assez visqueuses pour éviter toute sédimentation dans un temps raisonnable. Par exemple une poudre d'argent ou une poudre d'un composé oxyde doivent être préparées en solution très visqueuse, de 20 000 centipoises à 500 000 centipoises pour éviter toute sédimentation dans une durée allant de 1 heure à plusieurs jours. Ces pâtes très visqueuses contenant des poudres de matériaux denses pourront être déposées par le dispositif décrit. Un second avantage apporté par l'invention réside dans la grande gamme utilisable pour le choix du diamètre du canal et qui permet de déposer des motifs très fins, dont la largeur peut être aussi réduite que 15 à 30 um. On pourra également choisir de déposer un motif très épais en utilisant une pâte très visqueuse. On pourra alors user des moyens traditionnels pour stabiliser le matériau déposé dans la géométrie existante juste après le dépôt ou après une phase de nappage. Par exemple l'utilisation d'une résine polymérisable sous insolation aux rayons ultra-violets permettra de figer la géométrie dans la seconde suivant le dépôt. Cette résine peut être ajoutée à la pâte en une proportion à définir par l'utilisation. Un troisième avantage important apporté par l'invention consiste dans le débit élevé que l'on peut obtenir, même pour une pâte visqueuse. Ce débit élevé autorise des vitesses d'écriture très grandes. Un trait de largeur 100 um et d'épaisseur 10 à 20 um peut être écrit à la vitesse de plusieurs mètres par seconde. Dans une seconde variante de l'invention schématisée en figure 5, le piston pouvant obturer le canal [2] percé dans le corps [1] est absent. Le passage du fluide ou de la pâte à travers la buse est modulé par la pression appliquée sur le fluide ou la pâte dans la canalisation [5]. Cette pression fournie par une pompe [6] et appliquée au fluide ou à la pâte peut être continue ou pulsée, avec une fréquence allant du continu à plusieurs centaines d'Hertz et une durée d'impulsion pouvant être aussi courte que une milliseconde. Cette variante de l'invention permet également de déposer la pâte de façon continue ou discontinue, en réalisant des traits longs, des traits courts, des points, etc... Une troisième variante de l'invention consiste en la juxtaposition de canaux sur une même tête. Cela permet de multiplier par un facteur important la vitesse de dépôt d'un motif donné. Dans le cas où le flux traversant chaque canal doit être contrôlé individuellement pour la réalisation du motif souhaité, la juxtaposition de quelques dizaines de canaux, chacun commandé par un piston indépendant des autres, est possible. La figure 6 montre une vue de dessus d'une tête formée d'un corps [1] percée de quatre canaux [2], chacun commandé par un piston [3] activé par un dispositif [4]. Le dispositif d'amenée de la pâte n'est pas représenté sur la figure 6 pour ne pas surcharger le dessin. Dans le cas où les canaux sont commandés avec le même signal, plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de canaux peuvent être juxtaposés. L'ensemble des canaux [2] percés dans le corps [1] est alors commandé par un piston commun [3] qui module la pression issue de la pompe [6], comme indiqué sur la figure 7 pour quatre canaux. Une chambre de répartition [7] permet d'uniformiser la pression sur les canaux. L'ensemble des canaux peut aussi être commandé par une modulation de la pression de la pâte en amont dans la canalisation d'amenée. L'invention permet également de grouper un certain nombre de canaux [2] percés dans le corps [1] et de commander chaque groupe de canaux par un piston commun [3] commandé par un dispositif [4], une chambre de répartition [7] permettant pour chaque groupe de canaux de régulariser la pression, comme indiqué sur la figure 8 pour deux groupes de deux canaux. Plusieurs de ces groupes peuvent être placés sur une même tête avec une canalisation d'amenée de pâte commune à tous les groupes. Après dépôt, la pâte est généralement séchée ou durcie par polymérisation pour conserver l'image du motif déposé, puis elle est éventuellement cuite. Ce type d'équipement peut par exemple être appliqué au dépôt de pistes conductrices sur des surfaces planes ou non, au dépôt de pigments ou luminophores selon des motifs continus ou non, à la réalisation de structures hautes par rapport à leur largeur, au remplissage de zones en creux dans des structures, sans que ces applications soient limitatives des champs d'application de l'invention. Un premier exemple d'application de l'invention consiste en la réalisation du réseau d'électrodes d'un panneau à plasma. Un panneau à plasma, qu'il soit de type matriciel ou coplanaire, est un dispositif de visualisation qui fonctionne selon le principe de décharge électroluminescente dans un gaz. Généralement la décharge dans un gaz contenant du xénon produit des rayons ultra-violet qui excitent des luminophores déposés sur des surfaces en regard de la décharge. L'allumage des décharges, leur extinction et leur entretien fait intervenir des réseaux d'électrodes dont la fonction est d'apporter le courant à l'emplacement de la décharge. Ces électrodes sont réalisées en matériau conducteur électrique. On les réalise souvent par dépôt, séchage et cuisson d'une pâte d'argent, c'est- à-dire d'une poudre d'argent dans un médium composé d'un solvant et d'une résine. La poudre d'argent a un diamètre moyen compris entre 0.1 à 10 u. m et est dispersée dans le médium. D'autres métaux que l'argent peuvent être utilisés, comme l'aluminium, le nickel, le cuivre ou les métaux précieux. Le motif est généralement constitué de lignes parallèles, de largeur 70 um par exemple pour la dalle avant, et être espacées de 0. 5 mm environ. La largeur de la zone de dépôt est compris entre 300 mm et 800 mm selon la dimension de l'écran. Le nombre d'électrodes peut varier de quelques centaines à plus de 2000 pour un panneau coplanaire de définition 1024 x 1280. Pour réaliser un réseau de 1536 électrodes de largeur 70 p. m au pas de 400 nm selon l'invention, on réalise une tête comportant 256 canaux d'un diamètre de 30 um espacés de 2400 um Un piston unique commande, sur la canalisation commune aux 256 canaux, le flux de pâte fourni par la pompe sous une pression de 1800 bars. On prépare une pâte avec une viscosité de 70 000 cps à base de poudre d'argent avec une granulométrie moyenne de 0.8 ! lm et d'un liant à base de terpinéol et d'éthylcellulose. Le substrat est placé sur une table XY à deux axes perpendiculaires. La vitesse de déplacement du substrat par rapport à la tête et parallèlement à la direction des électrodes est de 200 mm par seconde. Cinq secondes sont ainsi suffisantes pour parcourir la longueur des électrodes qui est d'environ un mètre. La distance entre la tête et le substrat est maintenue constante et est contrôlée par un dispositif optique. L'ensemble du motif est réalisé par six passages de la tête, chaque passage étant décalé par rapport au précédent de 400 um. Compte-tenu des durées d'alignement, la durée totale du dépôt est de trente secondes. L'épaisseur des électrodes est de 9 um avant séchage et de 6 um après séchage. Un second exemple consiste en le dépôt des barrières d'un panneau à plasma. Dans un tel panneau, une structure de barrières permet de séparer les cellules dans au moins une direction. Ces barrières au pas de 360 um ont une largeur d'environ 100 um à la base et 80 um au sommet, une hauteur de 100 à 120 um et ont une longueur égale à la longueur des électrodes colonnes du panneau, soit environ 600 mm pour un panneau de 1 mètre de diagonale. Comme indiqué sur la figure 9, ces barrières [10] réalisées sur le substrat [11] recouvert d'un réseau d'électrodes [12] et d'une couche diélectrique [13], ont de préférence des flancs légèrement inclinés. On prépare une pâte à une viscosité de 80 000 cps contenant un verre à bas point de fusion, une céramique, un solvant à base de propanediol et d'une résine polymérisable sous UV. On réalise une tête de dépôt ayant 256 canaux d'un diamètre de 70 um au pas de 360 um. Une pompe volumétrique comprime la pâte à 1500 bars dans la canalisation commune aux 256 canaux. Le substrat est placé sur une table se déplaçant dans un axe parallèle à l'axe des barrières et la tête de dépose est placée sur un axe se déplaçant dans la direction perpendiculaire à celle du substrat. La vitesse de déplacement du substrat par rapport à la tête est de 160 mm par seconde. La distance entre la tête et le substrat est maintenue constante par un dispositif pneumatique. Une source UV liée au déplacement de la tête permet de polymériser la pâte quatre secondes après son dépôt. Ceci autorise un fluage de la pâte qui s'étale légèrement jusqu'à former une ligne de 90 um de large et de 55 um de haut. Un second passage de la tête de dépose mais avec une durée de fluage avant polymérisation réduite à deux secondes permet de superposer une seconde couche sur celle déposée précédemment. La largeur de ce second dépôt est limité à 75 um et porte la hauteur totale à 120 um. La figure 10 montre une section de la barrière obtenue. Un troisième exemple consiste en le dépôt des luminophores dans un panneau à plasma. Après formation des barrières, on doit déposer, entre les barrières [10], les trois luminophores rouge [14], vert [15] et bleu [16] selon une structure alternée comme indiqué par la figure 11. Selon l'invention, on prépare, pour chaque couleur, une pâte à une viscosité de 12 000 cps contenant la poudre luminophore d'une granulométrie moyenne de 3 um et un solvant à base de butanediol. On réalise aussi une tête de dépôt ayant 64 canaux d'un diamètre de 180 um au pas de 1080 um. Une pompe volumétrique comprime la pâte à 300 bars dans la canalisation commune aux 64 canaux. Le substrat est placé sur une table se déplaçant dans un axe parallèle à l'axe des barrières et la tête de dépose est placée sur un axe se déplaçant dans la direction perpendiculaire à celle des barrières. La vitesse de déplacement du substrat par rapport à la tête est de 100 mm par seconde. La distance entre la tête et le substrat est maintenue constante et est contrôlée par un dispositif optique. Après nappage et séchage, on obtient un dépôt de 20 um d'épaisseur entre les barrières et d'environ 12 um sur les flancs des barrières. Un quatrième exemple consiste en le dépôt des luminophores sur la surface d'un écran de tube à rayons cathodiques. Dans ce type d'écran, les luminophores sont déposés selon un motif oblong d'environ 80 um de large au pas de 280 um et de 0.5 mm de long, chaque pavé d'un luminophore d'une couleur donnée étant disjoint des pavés voisins du luminophore de la même couleur. Pour réaliser ce motif selon l'invention, on prépare, pour chaque couleur, une pâte à une viscosité de 20 000 cps contenant la poudre luminophore d'une granulométrie moyenne de 6 um et un solvant à base de d'éthanol et d'une gélatine. On réalise également une tête de dépôt ayant 20 canaux d'un diamètre de 60 um au pas de 2800 um. Les canaux sont groupés par quatre, chaque groupe est contrôlé par un piston commandé indépendamment des autres groupes. Une pompe volumétrique comprime la pâte à 600 bars dans la canalisation commune aux 20 canaux. La position de la tête est asservie selon les trois axes X, Y et Z. La vitesse de déplacement de la tête par rapport au substrat dans le sens de la longueur des pavés à réaliser est de 80 mm par seconde. La distance entre la tête et le substrat (axe Z) est contrôlée par un dispositif optique. Le substrat est maintenu à la température de 30 C pour que l'évaporation de l'alcool stabilise en quelques secondes la forme du motif déposé. Un dépôt a une épaisseur d'environ 20 um. Un cinquième exemple consiste en le dépôt de plots de colle pour les circuits imprimés électroniques. On procède comme précédemment mais avec une tête de 10 canaux espacés de 10 mm et contrôlés indépendamment les uns des autres. Chaque canal est donc commandé par un piston. La colle a une viscosité élevée, environ 100 000 cps, et le volume à déposer est important. Le diamètre des canaux est de 160 um. Une pompe volumétrique comprime la pâte à 1500 bars dans la canalisation commune aux 10 canaux. La position de la tête est asservie selon les trois axes X, Y et Z. Un sixième exemple consiste en le dépôt de conducteurs très fins pour le dégivrage des pare-brise automobiles. Il s'agit de réaliser des lignes de 100 um de large au pas de quelques millimètres. Pour réaliser ces conducteurs selon l'invention, on réalise une tête comportant 600 canaux d'un diamètre de 40 um espacés de 1.12 um avec un piston commandant le flux de pâte sur la canalisation commune aux 600 canaux. Le flux de pâte est fourni par la pompe sous une pression de 1800 bars. Pour un substrat de 700 mm de large, un seul passage de la tête dans la longueur du substrat permettra de réaliser l'ensemble du motif On prépare une pâte avec une viscosité de 40 000 cps à base de poudre d'argent avec une granulométrie moyenne de 1 um et d'un liant à base de terpinéol, d'éthylcellulose et d'éthanol. Le substrat est placé sur une table à deux axes perpendiculaires et la tête est maintenue à distance constante du substrat par un dispositif pneumatique. La vitesse de déplacement du substrat par rapport à la tête et parallèlement à la direction des électrodes est de 160 mm par seconde. Huit secondes sont ainsi suffisantes pour parcourir la longueur des électrodes proche de 130 centimètres. L'épaisseur des électrodes est de 12 um avant séchage et de 7 pu après séchage. Au début et à la fin du dépôt, c'est-à-dire de chaque côté du substrat, le déplacement de la tête selon l'axe perpendiculaire aux électrodes combiné avec un léger déplacement (environ 3mm) dans l'axe parallèle aux électrodes permet de réaliser le court-circuit des électrodes et le conducteur d'amenée de courant. Revendications : 1) Un dispositif de dépôt d'un fluide ou d'une pâte sur un substrat plan ou non caractérisé en ce qu'il utilise une buse et que le fluide ou la pâte sont comprimés à plus de 200 bars. 2) Un dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la buse est constituée d'un corps percé d'un canal et que le diamètre du canal est compris entre 15 et 300 um et dont la longueur du canal est du même ordre de grandeur que le diamètre ou plus grande que le diamètre d'un ou plusieurs ordres de grandeur. 3) Un dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la pression d'alimentation de la buse est comprise entre 200 et 3000 bars. 4) Un dispositif selon les revendications 1 à 2 caractérisé en ce que la pression d'alimentation de la buse est plus typiquement comprise entre 800 et 2000 bars. 5) Un dispositif selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le canal est cylindrique, conique ou parabolique. 6) Un dispositif selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la viscosité des fluides ou des pâtes utilisées par le dispositif peut aller de moins de 100 centipoises à 500 000 centipoises. 7) Un dispositif selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que une ou plusieurs buses peuvent être placées sur une même tête de dépôt, le nombre de buses pouvant aller jusqu'à plusieurs milliers. 8) Un dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'entrée du canal de chaque buse est commandée par un piston asservi par un dispositif électrique, mécanique, pneumatique ou hydraulique. 9) Un dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'un piston peut commander plusieurs buses par l'intermédiaire d'une chambre de répartition. 10) Un dispositif selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le passage du fluide ou de la pâte à travers le canal est modulé par l'ouverture ou la fermeture d'un piston qui module la pression appliquée sur le fluide ou la pâte dans la canalisation d'amenée de ce fluide ou de cette pâte. 11) Un dispositif selon les revendications 1 à 3 et l'une quelconque des revendications 8 à 10 caractérisé en ce que le mouvement appliqué à chaque piston est contrôlé par un signal de commande dont la fréquence peut varier du continu à plusieurs centaines d'Hertz et les durées d'impulsion peuvent être aussi courtes que une milliseconde. 12) Un dispositif selon les revendications 1 à 3 et l'une quelconque des revendications 8 à 10 caractérisé en ce que le déplacement de la buse par rapport au substrat sur lequel est réalisé le dépôt est obtenu en déplaçant soit le substrat sur un, deux ou trois axes, soit la buse sur un, deux ou trois axes, soit la buse et le substrat selon un deux ou trois axes. 13) Un substrat sur lequel a été réalisé un motif caractérisé en ce que l'application de la matière constituant le motif est déposée par un dispositif selon les revendications 1 à 3. 14) Un substrat selon la revendication 13 caractérisé en ce que le motif est un réseau d'électrodes pour un écran de visualisation de type panneau à plasma 15) Un substrat selon la revendication 13 caractérisé en ce que le motif est un réseau de barrières pour un écran de visualisation de type panneau à plasma 16) Un substrat selon la revendication 13 caractérisé en ce que le motif est un réseau de luminophores pour un écran de visualisation de type panneau à plasma 17) Un substrat selon la revendication 13 caractérisé en ce que le motif est un réseau de pavés de luminophores pour un écran de visualisation de type tube à rayons cathodiques 18) Un substrat selon la revendication 13 caractérisé en ce que le motif est un réseau d'électrodes pour un pare-brise automobile