Brevet FR3064151A1 — publié le 20180921

Procédé de fabrication de circuits électriques, circuit électrique et composant électronique [0011 L'invention concerne le domaine des procédés de fabrication de circuits électriques, des circuits électriques et des composants électroniques. [002] L'invention vise à réaliser de manière simple et économique des circuits électriques pouvant être utilisés de manière plus intégrée notamment dans des dispositifs ayant des propriétés remarquables. A cet effet, il est proposé un procédé de fabrication d'un circuit électrique dans lequel [003] - on fournit un matériau diélectrique sous forme d'une bande en rouleau, cette bande ayant deux faces principales, et [4] - on réalise sur chacune des deux faces principales du matériau diélectrique au moins une zone d'un matériau électriquement conducteur. [5] Selon ce procédé, le matériau diélectrique est formé, préalablement à la réalisation de la ou des zones de matériau électriquement conducteur, en mélangeant une résine polymère sous forme liquide ou visqueuse, avec des particules d'au moins un matériau ayant au moins l'une des propriétés choisies parmi des propriétés piézoélectriques, ferroélectriques, pyroélectriques et diélectriques. [6] Ainsi, le procédé selon l'invention permet d'intégrer directement dans la matrice diélectrique d'un circuit électronique des particules qui vont conférer à cette matrice des propriétés remarquables telles que des propriétés piézoélectriques, ferroélectriques, pyroélectriques et diélectriques, ou plusieurs de ces propriétés. La tension ou la variation de tension générée par la matrice soumise à une contrainte mécanique, électrique, de température, etc. (ou une variation d'au moins l'une de ces contraintes) peut être détectée ou mesurée entre les deux zones de matériau conducteur placées chacune respectivement sur l'une des faces principales du matériau diélectrique chargé de ces particules à propriétés remarquables. Le fait que le matériau diélectrique soit conditionné, à au moins une étape du procédé, sous forme d'une bobine ou d'un rouleau, permet son utilisation dans des étapes de bobine à bobine (« reel-toreel » ou « roll-to-roll » selon la terminologie anglo-saxonne). De plus, le produit résultant du procédé selon l'invention peut être introduit directement dans un procédé de fabrication de composants électroniques pour y subir des étapes bien connues (par exemple : 3064151 2 photolithographie, gravure physique ou chimique, dépôts de couches métalliques, etc.), de transformation en composants électroniques plus ou moins finis. [007] Le procédé selon l'invention comporte éventuellement, l'une ou l'autre des caractéristiques suivantes, considérée isolément ou en combinaison d'une ou plusieurs autres : 5 [008] - une trame de fibres tissées ou non-tissées est incorporée au mélange comprenant la résine polymère et les particules à propriétés remarquables ; [009] - un agent dispersant ayant pour propriété de réduire la sédimentation des particules à propriétés remarquables au sein de la résine polymère sous forme liquide ou visqueuse, et/ou de réduire la viscosité totale du mélange, est mélangé avec au moins la résine polymère sous forme 10 liquide ou visqueuse ; [00101 - le matériau électriquement conducteur est déposé sur au moins une face principale du matériau diélectrique ; [00111 - le matériau électriquement conducteur est déposé sur au moins une face principale du matériau diélectrique, alors que la résine polymère n'est pas complètement polymérisée ; 15 [00121 - le matériau électriquement conducteur est laminé sur au moins une face principale du matériau diélectrique ; [0013] - des particules électriquement conductrices sont mélangées avec au moins la résine polymère sous forme liquide ou visqueuse ; [0014] - la concentration en poids des particules du matériau à propriétés remarquables dans 20 le mélange avec la résine polymère sous forme liquide ou visqueuse, est comprise entre 10 et 70%; [0015] - le matériau à propriétés remarquables comprend du titanate de baryum ; [0016] - le mélange comprenant la résine polymère sous forme liquide ou visqueuse et les particules de matériau à propriétés remarquables est étalé sur un support avant d'être laminé. 25 [0017] Selon un autre aspect, l'invention est un circuit électrique, éventuellement réalisé selon le procédé mentionné ci-dessus, comprenant un matériau diélectrique comprenant une résine polymère et ayant une première et une deuxième faces principales et un matériau électriquement conducteur recouvrant au moins partiellement chacune de ces deux faces principales. Des particules à propriétés remarquables sont incorporées dans le matériau diélectrique. 30 [0018] Le circuit électrique selon l'invention comporte éventuellement, l'une ou l'autre des caractéristiques suivantes, considérée isolément ou en combinaison d'une ou plusieurs autres ; 3064151 3 [0019] - il comprend une trame de fibres tissées ou non-tissées incorporée au sein du matériau diélectrique ; [00201 - il comporte des plots de connexion électrique réalisés, sur chacune des faces principales, à partir du matériau électriquement conducteur ; 5 [0021] - il comprend des particules électriquement conductrices dispersées dans le matériau diélectrique ; [00221 - les particules de matériau à propriétés remarquables comprennent du titanate de baryum ; [0023] - les particules de matériau à propriétés remarquables ont un diamètre moyen compris 10 entre 600 et 800nm ; et [0024] - le matériau diélectrique a une épaisseur entre ses deux faces principales, comprise entre 50 et 1501.1. [0025] Selon encore un autre aspect, l'invention est un composant électronique comprenant un circuit électrique tel que mentionné ci-dessus, avec au moins deux plots de connexion 15 réalisés, à partir du matériau électriquement conducteur, chacun respectivement, sur chacune des faces principales. [0026] Selon encore un autre aspect, l'invention consiste à exposer un circuit électrique tel que mentionné ci-dessus à des projectiles ou projections et à l'utiliser pour détecter des impacts qu'il subit de la part de ceux-ci. 20 [0027] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, ainsi que sur les dessins annexés. Sur ces dessins : la figure 1 représente schématiquement en perspective les différentes étapes d'un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; la figure 2 représente une coupe au microscope d'un exemple de structure 25 sandwich entrant dans la constitution d'un circuit électrique obtenu par la mise en oeuvre du procédé illustré par la figure 1; la figure 3 représente, schématiquement des électrodes pour la réalisation d'un capteur comprenant un circuit électrique obtenu par la mise en oeuvre du procédé illustré par la figure 1; et 30 la figure 4 représente un exemple de mesure de l'effet piézoélectrique obtenu sur une circuit électrique obtenu par la mise en oeuvre du procédé illustré par la figure 1. 3064151 4 [00281 Selon l'exemple de mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention représenté sur la figure 1, celui comporte les étapes suivantes : [0029] - Etape 100 : fourniture d'une résine polymère sous forme liquide ou visqueuse ; [0030] - Etape 200: mélange de la résine polymère avec, d'une part, des particules de 5 propriétés piézoélectriques et, d'autre part, un agent dispersant ; [0031] - Etape 300 : enduction d'un support 3 avec le mélange 1 obtenu à l'étape 200; [0032] - Etape 400 : dépôt d'une trame de fibres tissées 2 sur la couche de mélange 1 déposée sur le support 3 à l'étape 300; [0033] - Etape 500 : enduction de la surface libre de la trame de fibres tissées 2 avec le mélange 10 1 obtenu à l'étape 200; [0034] - Etape 600 : dépôt d'un autre support 4 sur l'ensemble multicouche résultant des étapes précédentes pour former d'une structure en sandwich, avec le composite comprenant la résine polymère, la trame de fibres tissées et les particules à propriétés piézoélectriques, entre les deux supports 3, 4; 15 [0035] - Etape 700: lamination de la structure en sandwich résultant de la mise en oeuvre de l'étape 600 ; et [0036] - Etape 800 : réalisation de zones 10, 11, 12, 13 en matériau conducteur sur chaque face de la couche composite comprenant la résine polymère, la trame de fibres tissées 2 et les particules à propriétés piézoélectriques. 20 [0037] La résine polymère fournie à l'étape 100 est par exemple une résine époxy. Elle est mélangée à l'étape 200 avec un agent dispersant et des particules à propriétés piézoélectriques, telles que par exemple des particules de titanate de baryum (BaTiO3). L'agent dispersant est par exemple mélangé à la résine polymère avec une concentration de 0,1 à 2% en poids. Les particules de titanate de baryum ont par exemple un diamètre moyen compris entre 600 et 800 25 nanomètres. Plus préférentiellement, ce diamètre moyen est voisin ou égal à 700 nm. La concentration des particules à propriétés piézoélectriques dans la résine polymère est par exemple comprise entre 20 et 80% en poids. Plus avantageusement, cette concentration est comprise entre 50 et 65% en poids. Avec des particules de titanate de baryum, d'environ 700nm de diamètre une concentration de 65% permet d'obtenir un mélange homogène. 30 [0038] Le mélange chargé de particules à propriétés piézoélectriques obtenu à l'étape 200 est déposé sur un support inférieur 3. Ce support inférieur 3 est, par exemple, un film antiadhésif. Un film antiadhésif, par exemple de papier ou de PET siliconé, de 10 à 1001.1m d'épaisseur peut 3064151 5 être utilisé à cet effet. Le mélange chargé de particules à propriétés piézoélectriques est déposé sur le support inférieur 3 par exemple par revêtement à travers une filière à fente (« slot die coating » selon l'expression anglo-saxonne), par dépôt en rouleau (« roller coating » selon l'expression anglo-saxonne), par application par voile (« curtain coating » selon l'expression 5 anglo-saxonne), ou tout autre procédé compatible avec un procédé industriel et notamment un procédé de bobine-à-bobine. L'épaisseur de mélange chargé de particules à propriétés piézoélectriques déposé sur le support inférieur 3 est comprise entre 10 et 701.1m. Elle est par exemple, préférentiellement, de 501.1m. [0039] La trame de fibres tissées 2 utilisée pour l'étape 400 est par exemple une trame de fibres 10 de verre de type 106, 1080, 1086, 2116 ou 3313. Son épaisseur est par exemple de 601.1m. [0040] Après application, à l'étape 400, de la trame de fibres de verre 2 sur la couche de résine polymère chargée de particules à propriétés piézoélectriques, une nouvelle couche de résine polymère chargée de particules à propriétés piézoélectriques est déposée par enduction, sur la surface libre de la trame de fibres tissées 2, par exemple par revêtement à travers une filière à 15 fente (« slot die coating » selon l'expression anglo-saxonne), par dépôt en rouleau (« roller coating » selon l'expression anglo-saxonne), par application par voile (« curtain coating » selon l'expression anglo-saxonne), ou tout autre procédé compatible avec un procédé industriel et notamment un procédé de bobine-à-bobine. Au cours de cette étape 500, l'épaisseur de mélange chargé de particules à propriétés piézoélectriques déposé sur le support est comprise entre 10 et 20 701.1m. Elle est par exemple, préférentiellement, de 501.1m. [0041] Un nouveau support, ou support supérieur 4, est ensuite appliqué par calandrage au cours de l'étape 600 sur le composite multicouche résultant des étapes précédentes. Ce support supérieur 4 est, par exemple, comme précédemment, un film antiadhésif Un film antiadhésif, par exemple de papier ou de PET silicone, de 10 à 1001.1m d'épaisseur, peut être utilisé à cet 25 effet. A l'issue de cette étape 600, on obtient une structure en sandwich avec la résine chargée de particules à propriétés piézoélectriques et renforcée par la trame de fibres tissées, formant une couche 20 au centre de deux feuillets formant les supports inférieur 3 et supérieur 4. [0042] Eventuellement, une étape de réticulation au moins partielle peut être réalisée avant et/ou après application du support supérieur 4 afin d'amener la résine dans un état semi-réticulé 30 (dit « Etat B »), voire dans un état de réticulation plus complète (voire complète), afin d'augmenter la viscosité de la résine polymère chargée et réduire son fluage pendant l'étape suivante de pressage. 3064151 6 [0043] Au cours de l'étape 700, cette structure sandwich est pressée à chaud et sous pression entre des plaques d'acier. Par exemple, la température de pressage est choisie entre 100 et 200°C, et est préférentiellement voisine ou égale à 180°C. La pression est comprise entre 2 et 5 bars, et est préférentiellement voisine ou égale à 2,5 bars, pour un temps de pressage de 10 à 30 5 mn et par exemple égal ou voisin de 20mn. A l'issue de cette étape, la résine polymère est polymérisée et solide. Alternativement, la structure sandwich pourrait être pressée à chaud et sous pression entre des rouleaux. En fonction de l'état de polymérisation de la résine polymère chargée, après cette étape 700, une étape de réticulation finale est éventuellement réalisée. [0044] Un exemple de structure sandwich obtenue à l'issue de cette étape est représenté sur la 10 figure 2. On peut y voir la couche de résine 1, chargée de particules de titanate de baryum (quasiment invisibles du fait de leur dispersion homogène dans la résine 1) et renforcée d'une trame de fibre de verre 2 (vues en coupe transversale, fibres 2a, et en coupe longitudinale, fibres 2b). Cette couche de résine 1 est prise en sandwich entre un support inférieur 3 et un support supérieur 4. 15 [0045] A l'étape 800, les supports inférieur 3 et supérieur 4 sont retirés et des zones conductrices 10, 11, 12, 13 sont réalisées directement au contact de chacune des faces principales de la couche de résine polymère 20 solidifiée à l'étape précédente. [0046] Par exemple, les zones ou motifs 10 conducteurs sont déposés par dépôt en phase vapeur, par pulvérisation cathodique, etc. ou par toute autre méthode permettant de réaliser des 20 zones conductrices avec une adhérence et une résistance de contact appropriées, à la surface de la couche de résine polymère chargée et solidifiée 20. [0047] Un exemple de motif 10 est représenté sur la figure 3. Celui-ci comprend deux électrodes 11 (sur la figure 3 seule l'électrode supérieure est visible car elle cache l'électrode inférieure située juste en dessous). Une électrode 11 est placée sur chaque face de la couche de 25 résine polymère chargée et solidifiée 20. Chaque électrode 11 est reliée à un plot de connexion 12 par une piste conductrice 13. Les pistes conductrices 13 sont décalées l'une par rapport à l'autre (elles ne sont pas en vis-à-vis contrairement aux électrodes 11, pour ne pas interférer dans les mesures). La tension générée, lorsque la couche de résine polymère chargée et solidifiée 20 située entre les électrodes est soumise à une contrainte, est mesurée entre les plots de 30 connexion 12. On peut ainsi obtenir un composant électronique tel qu'un capteur piézoélectrique. 3064151 7 [0048] Par ailleurs, pour caractériser les propriétés piézoélectriques de la couche de résine polymère chargée 20, on peut utiliser les plots de connexion 12 pour faire des mesures ou appliquer une tension ou un champ de polarisation. Par exemple, les particules de matériau à propriété piézoélectrique sont polarisées à une température comprise entre 110°C et 130°C, sous 5 un champ électrique compris entre 5 et 20 V/i.tm et pendant 30s à 5 mn (par exemple 2mn). [0049] Ainsi, un exemple de la mesure du coefficient piézoélectrique d33, en fonction du champ de polarisation appliqué, pendant 5 mn, sous une température de 100°C, entre les plots de connexion 13 est illustré par la figure 4. Sur cet exemple, on constate que l'on peut obtenir un coefficient piézoélectrique de 1,8 pC/N. 10 [0050] L'exemple de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention décrit ci-dessus peut comporter des variantes. Par exemple, l'utilisation d'une trame tissée ou non-tissée ou l'utilisation d'un agent dispersant est facultative. Notamment, la nécessité de sa présence, ainsi que sa nature, peuvent dépendre de la résine polymère et de la nature des particules utilisées. Par ailleurs, des particules électriquement conductrices peuvent être mélangées, à l'étape 200, à 15 la résine polymère. Ce sont, par exemple, des nanotubes de carbone monoparoi (« SWCNT » ou « Single-Wall Carbon Nanotube), des particules de noir de carbone, ou des particules métalliques. La concentration de ces particules électriquement conductrices dans la résine est par exemple comprise entre 0,01 et 5% en poids. Ces particules électriquement conductrices permettent d'augmenter la mobilité des électrons. 20 [0051] Au lieu d'utiliser un film antiadhésif pour le support inférieur 3 ou supérieur 4, on peut utiliser un feuillet de matériau conducteur (en cuivre ou l'un de ses alliages), sur l'un, l'autre ou les deux faces principales de la couche de résine polymère chargée 20. Le film antiadhésif peut être appliqué alors que la résine polymère chargée est pas, partiellement ou totalement solidifiée. Le ou les motifs 10 peuvent être alors être réalisés directement, par gravure de zones définies 25 par une résine, à l'aide des techniques de photolithographie industrielle. [0052] Le procédé décrit ci-dessus peut être utilisé pour obtenir d'autres matériaux, avec des propriétés semblables ou différentes de celles conférées par la présence de titanate de baryum dans la résine polymère. Ainsi, des particules d'autres matériaux piézoélectriques que le titanate de baryum peuvent être utilisées, mais on peut également utiliser des particules de matériau(x) 30 ferroélectrique(s), des particules de matériau(x) pyroélectrique(s), ou des particules de matériau(x) diélectrique(s) à constante diélectrique supérieure à 100 fois la constante diélectrique du vide, ou bien encore un mélange de particules de plusieurs de ces matériaux. 3064151 8 De nombreuses applications peuvent être envisagées pour les circuits électriques obtenus par le procédé selon l'invention. Les circuits électriques ainsi fabriqués peuvent être utilisés pour réaliser des capteurs, des détecteurs, des sources de tension, des circuits intégrés, des antennes, etc. Plus particulièrement, ils peuvent être utilisés dans des capteur de pression, des capteurs de 5 pression flexibles, des capteurs de chocs et d'impacts, des capteurs de propriétés mécaniques au sens large, des capteurs pyroélectriques, etc. Ils peuvent être également utilisés en tant que composite à forte capacité diélectrique. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un circuit électrique dans lequel - on fournit un matériau diélectrique sous forme d'une bande en rouleau, cette bande ayant deux faces principales, et - on réalise sur chacune des deux faces principales du matériau diélectrique au moins une zone (10, 11, 12, 13) d'un matériau électriquement conducteur, caractérisé par le fait que le matériau diélectrique est formé, préalablement à la réalisation de la zone (10, 11, 12, 13) de matériau électriquement conducteur, en mélangeant une résine polymère sous forme liquide ou visqueuse avec des particules d'au moins un matériau ayant au moins l'une des propriétés choisies parmi des propriétés piézoélectriques, ferroélectriques, pyroélectriques et diélectriques. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel une trame (2) de fibres tissées ou non- tissées est incorporée au mélange comprenant la résine polymère et les particules ayant au moins l'une des propriétés choisies parmi des propriétés piézoélectriques, ferroélectriques, pyroélectriques et diélectriques. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel un agent dispersant ayant pour propriété de réduire la sédimentation des particules ayant au moins l'une des propriétés choisies parmi des propriétés piézoélectriques, ferroélectriques, pyroélectriques et diélectriques au sein de la résine polymère sous forme liquide ou visqueuse, et de réduire la viscosité totale du mélange, est mélangé avec au moins la résine polymère sous forme liquide ou visqueuse. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau électriquement conducteur est déposé sur au moins une face principale du matériau diélectrique. 3064151 10 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le matériau électriquement conducteur est déposé sur au moins une face principale du matériau diélectrique, alors que la résine polymère n'est pas complètement polymérisée. 5 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau électriquement conducteur est laminé sur au moins une face principale du matériau diélectrique. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel des particules 10 électriquement conductrices sont mélangées avec au moins la résine polymère sous forme liquide ou visqueuse. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la concentration en poids des particules ayant au moins l'une des propriétés choisies parmi des propriétés 15 piézoélectriques, ferroélectriques, pyroélectriques et diélectriques, dans le mélange avec la résine polymère sous forme liquide ou visqueuse, est comprise entre 10 et 70%. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau ayant au moins l'une des propriétés choisies parmi des propriétés piézoélectriques, 20 ferroélectriques, pyroélectriques et diélectriques, comprend du titanate de baryum. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le mélange comprenant la résine polymère sous forme liquide ou visqueuse et les particules de matériau ayant au moins l'une des propriétés choisies parmi des propriétés piézoélectriques, 25 ferroélectriques, pyroélectriques et diélectriques, est étalé sur un support avant d'être laminé. 11. Circuit électrique comprenant un matériau diélectrique comprenant une résine polymère et ayant une première et une deuxième faces principales et un matériau électriquement 30 conducteur recouvrant au moins partiellement chacune de ces deux faces principales, 3064151 11 caractérisé par le fait que des particules d'au moins un matériau ayant au moins l'une des propriétés choisies parmi des propriétés piézoélectriques, ferroélectriques, pyroélectriques et diélectriques sont incorporées dans le matériau diélectrique. 5 12. Circuit électrique selon la revendication 11, comprenant en outre une trame (2) de fibres tissées ou non-tissées incorporée au sein du matériau diélectrique. 13. Circuit électrique selon la revendication 11 ou 12, comportant des plots de connexion électrique (12) réalisés, sur chacune des faces principales, à partir du matériau 10 électriquement conducteur. 14. Circuit électrique selon l'une des revendications 11 à 13, comprenant des particules électriquement conductrices dispersées dans le matériau diélectrique. 15 15. Circuit électrique selon l'une des revendications 11 à 14, dans lequel les particules de matériau ayant au moins l'une des propriétés choisies parmi des propriétés piézoélectriques, ferroélectriques, pyroélectriques et diélectriques, comprennent du titanate de baryum. 20 16. Circuit électrique selon l'une des revendications 11 à 15, dans lequel les particules de matériau ayant au moins l'une des propriétés choisies parmi des propriétés piézoélectriques, ferroélectriques, pyroélectriques et diélectriques, ont un diamètre moyen compris entre 600 et 800nm. 25 17. Circuit électrique selon l'une des revendications 11 à 16, dans lequel le matériau diélectrique a une épaisseur entre ses deux faces principales, comprise entre 50 et 15011. 18. Composant électronique comprenant un circuit électrique selon l'une des revendications 11 à 17 avec au moins deux plots de connexion (12) réalisés, chacun respectivement, sur 30 chacune des faces principales, à partir du matériau électriquement conducteur. 3064151 12 19. Utilisation d'un composant selon la revendication 18 pour la détection d'impact sur une surface, le circuit électrique selon l'une des revendications 11 à 17, étant exposé à des impacts. 5