# Électronique Structurelle Surmoulée sur acide PolyLActique (PLA)

Caroline Goument, Tony Gerges, Philippe Lombard, Valernst Gilmus, Hayet Lakhdar, Murat Arli, Simon A. Lambert, Bruno Allard, J-y Charmeau,

Michel Cabrera

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Caroline Goument, Tony Gerges, Philippe Lombard, Valernst Gilmus, Hayet Lakhdar, et al.. Électronique Structurelle Surmoulée sur acide PolyLActique (PLA). 9ème édition du Colloque LN2, Jul 2022, Annecy, France. hal-04069768

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Submitted on 14 Apr 2023

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Caroline Goument<fnref n="1" />*, Tony Gerges<fnref n="1" />, Philippe Lombard<fnref n="1" />, Valernst Gilmus<fnref n="1" />, Hayet Lakhdar<fnref n="2" />, Murat Arli<fnref n="2" />, Simon Auguste Lambert<fnref n="1" />,
Bruno Allard<fnref n="1" />, Jean-Yves Charmeau<fnref n="2" />, Michel Cabrera<fnref n="1" />

*Contact : caroline.goument@insa-lyon.fr

## Principe de l'électronique structurelle surmoulée

* Technologie plastronique 3D associant le domaine de la plasturgie à celui de l'électronique.

* En anglais, In Mold Electronics (IME).

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

<figure><img src="image_2.png" /></figure>

* Procédé en trois étapes principales :

(a) sérigraphie (dépôt d'encre sur un film polymère) + collage des CMS

(b) thermoformage (mise en forme du substrat de la 2D à la 3D par chauffe)

(c) surmoulage par injection.

## Caractérisation des substrats polymères

* Polymère choisi : acide polylactique (PLA 300 µm)

* Biosourcé et biodégradable pour fabrication de dispositifs IME plus durables

* Applications en électronique de signal

<table><thead><tr><th>Propriété</th><th>PLA1</th><th>PLA2</th></tr></thead><tbody><tr><td>Tg (°C)</td><td>55</td><td>59</td></tr><tr><td>Tf (°C)</td><td>151</td><td>171</td></tr><tr><td>Td (°C)</td><td>310</td><td>310</td></tr><tr><td>Allongement rupture (%)</td><td>3,9</td><td>/</td></tr><tr><td>Résistance impact (kJ/m<fnref n="2" />)</td><td>/</td><td>1,7 (entaillé)</td></tr><tr><td>Rugosité Sa (µm)</td><td>0,37</td><td>/</td></tr><tr><td>Energie surface (mN/m)</td><td>38</td><td>45</td></tr></tbody></table>

* Faible Tg (60°C) → nécessité d'optimiser le procédé et le choix d'application à cette contrainte.

* Faible allongement à la rupture (moins de 5%) et résistance aux chocs (à peine 2 kJ/m<fnref n="2" />) plutôt défavorables à l'IME en l'état.

* Rugosité faible et énergie surfacique autour de 40 mN/m : la mouillabilité du polymère peut avoir un impact sur l'adhésion de l'encre conductrice et des composants électroniques en sérigraphie. → conditions favorables.

## Caractérisation pour le circuit électronique

### Adhésion de l'encre conductrice ME603

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

* Test d'arrachement normalisé (ISO 2409, scotch test).

* Très bonne adhésion sur PLA
Classification 0 = Coins découpe propres et aucun carré de matrice décollé.

Séchage ME603 et ME902 sur PLA : 55°C – 2h30

### Adhésion des CMS

* Colle ME902 + cyanoacrylate d'éthyle

* Essais de cisaillement des CMS sur pistes ME603

<table><thead><tr><th></th><th>Séchage</th><th>Force de cisaillement (N/mm<fnref n="2" />)</th></tr></thead><tbody><tr><td>ME902 on PC (référence)</td><td>120°C – 20 min</td><td>7,68</td></tr><tr><td>ME902 sur PLA</td><td>55°C – 2h30</td><td>1,80</td></tr><tr><td>ME902 + superglue sur PLA</td><td>55°C – 2h30</td><td>9,10</td></tr></tbody></table>

* Faciès rupture = dans couche ME902 et superglue

* Diminution adhésion avec diminution température séchage

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

### Résistivité de l'encre ME603

* Mesure de résistance par la méthode 4 pointes

* Section S de ligne conductrice avec sonde confocale

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

<table><thead><tr><th></th><th>ME603 sur PC (120°C – 20 min)</th><th>ME603 sur PLA (55°C – 2h30)</th></tr></thead><tbody><tr><td>Résistivité (µΩ.cm)</td><td>31 – 54</td><td>290 – 300</td></tr></tbody></table>



* Résistivité plus élevée sur PLA que sur PC (55°C vs. 120°C) → Perte de conductivité sur PLA

* ➤ Suffisant pour fonctionnement d'un circuit électronique simple

### Le démonstrateur

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

NE555 IC timer
3 résistances
1 condensateur
1 LED

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Après sérigraphie + collage CMS</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Après thermoformage</figcaption></figure>

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Après surmoulage par injection</figcaption></figure>

### Conclusion

* La faisabilité de l'ESS sur PLA est démontrée : le circuit électronique est encapsulé par le PLA et fonctionne (la LED s'allume et clignote).

* ✓ Les performances des encres conductrices sont suffisantes pour nos applications (électronique de signal) et l'adhésion de l'encre et des CMS est excellente.

### Perspectives

* Vers le démantèlement des dispositifs plastroniques

* ✓ PLA biodégradable

* Séparer l'électronique du polymère

* Recycler les matériaux

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

Laboratoire Ampère
UMR CNRS 5005

Génie Électrique, Automatique, Bioingénierie

<figure><img src="image_13.png" /></figure>

<figure><img src="image_14.png" /></figure>

UNIVERSITÉ
DE LYON

INSA

INSTITUT NATIONAL
DES SCIENCES
APPLIQUÉES
LYON

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

ÉCOLE
CENTRALE LYON

<figure><img src="image_16.png" /></figure>

Lyon 1

<footnote n="1">¹Univ Lyon, INSA Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, Ecole Centrale de Lyon, CNRS, Ampère, UMR 5005, 69621 Villeurbanne, France</footnote>

<footnote n="2">² Univ Lyon, INSA Lyon, IMP, UMR 5223, 01100 Bellignat, France</footnote>