# Développement de la plastronique 3D vers une utilisation de polymères biosourcés et/ou biodégradables pour l'IME

Caroline Goument, Tony Gerges, Hayet Lakhdar, Philippe Lombard, Bruno Allard, Jean-Yves Charmeau, Michel Cabrera

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Caroline Goument, Tony Gerges, Hayet Lakhdar, Philippe Lombard, Bruno Allard, et al.. Développement de la plastronique 3D vers une utilisation de polymères biosourcés et/ou biodégradables pour l'IME. 49ème Colloque National du Groupe Français des Polymères (GFP), Nov 2021, Lyon ( en ligne ), France. hal-04069753

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Submitted on 14 Apr 2023

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Public Domain
Caroline Goument¹, Tony Gerges¹, Hayet Lakhdar², Philippe Lombard¹, Bruno Allard¹, Jean-Yves Charmeau³, Michel Cabrera¹

¹Univ Lyon, INSA Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, Ecole Centrale de Lyon, CNRS, Ampère, UMR 5005, 69621 Villeurbanne, France

²INSA Lyon, département GM Site d'Oyonnax, 85 rue Becquerel, 01100 Bellignat, France

³Univ Lyon, INSA Lyon, IMP, UMR 5223, 69621 Villeurbanne, France

## Introduction

* Ce poster présente les caractérisations thermique, physico-chimique et mécanique de semi-produits d'acide polylactique (PLA) obtenus par extrusion (PLA 1) et par impression 3D (PLA 2), comparés avec le polycarbonate (PC).

* L'adhésion d'encre conductrice sur PLA est vérifiée et des essais de thermoformage ont été réalisés (aide de la simulation).

## Principe de l'In-Mold Electronics (IME)

* Technologie plastronique 3D[1] associant le domaine de la plasturgie à celui de l'électronique.

Serigraphy step: Patterning
of a PC sheet with
conductive ink and soldering
of electronics SMT devices

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

(a)

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

(b)

Thermoformed part

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

(d)

(e)

* Ce procédé comporte quatre étapes : (a) sérigraphie (dépôt d'encre sur un film polymère), (b) thermoformage (mise en forme du substrat de la 2D à la 3D par chauffe), (c) détourage et (d) surmoulage par injection.

* Le substrat polymère référence en IME est le PolyCarbonate (PC 375 µm).

## Caractérisations thermique, physico-chimique et mécanique

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

Propriétés thermiques obtenues par DSC ($T_g$ et $T_f$) à une vitesse de 10°C/min.

* PC amorphe et PLA semi-cristallin.

* $T_g$ PLA (60°C) très faible : problématique de l'adaptation du procédé IME à cette contrainte ($T_g$ PC référence à 150°C).

* Pas de cristallisation en refroidissement mais petite variation exothermique vers 120°C avant la fusion → PLA polymorphe : transition $\alpha'$ (ou $\delta$) vers $\alpha$ et vitesse de cristallisation du PLA extrêmement lente.

<table><thead><tr><th></th><th>Energie de surface (mN/m)</th><th>Polaire (mN/m)</th><th>Résistance à la rupture (MPa)</th><th>Allongement à la rupture (%)</th></tr></thead><tbody><tr><td>PLA 1</td><td>37,81 ± 6,32</td><td>5,42 ± 2,14</td><td>58,93 ± 2,84</td><td>3,94 ± 0,23</td></tr><tr><td>PLA 2</td><td>43,26 ± 4,21</td><td>7,06 ± 2,14</td><td>59,76 ± 1,20</td><td>5,76 ± 0,22</td></tr><tr><td>PC</td><td>45,83 ± 0,86</td><td>1,54 ± 0,72</td><td>65,32 ± 1,64</td><td>128,67 ± 16,70</td></tr></tbody></table>

Mouillabilité des polymères / Traction selon la norme ISO 527-3.

* Mêmes ordres de grandeur d'énergie de surface (44 mN/m) et de résistance à la rupture (60 MPa) entre PC et PLA.

* La mouillabilité du film polymère peut avoir un impact sur l'adhésion de l'encre conductrice et des composants électroniques en sérigraphie.

* Faible allongement à la rupture des PLA (moins de 10% contre 130% pour le PC) plutôt défavorables à l'IME mais résistance à la rupture proche du PC.

## Adhésion d'encre de sérigraphie sur PLA

* Test d'arrachement standardisé à l'aide d'une bande adhésive spécifique (scotch 2525) et d'un outil coupant.

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

Images obtenues au microscope optique.

* Adhésion démontrée quelle que soit la méthode de mise en forme du substrat et sa rugosité surfacique initiale (photos non présentées ici).

## Thermoformage

* Utilisation de moules de forme bouton et cône et d'une grille sérigraphiée sur toute la surface du film polymère pour observer les déformations au cours du thermoformage.

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

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

PC thermoformé et simulation T-SIM avec semi-produit PC : zones bleues = épaisseur la plus grande, zones rouges = épaisseur la plus fine.

<figure><img src="image_8.png" /></figure>

PLA 1 thermoformé selon la même méthode que le PC ci-dessus.

* Bonne mise en forme du PLA au cours du thermoformage : pas de déchirures du substrat.

* Grilles : grandes déformations, cohérence avec la simulation du PC.

## Conclusion

* Bonne adhésion de l'encre conductrice sur le PLA.

* Premiers résultats encourageants pour l'utilisation de PLA en IME.

* L'optimisation des paramètres du procédé IME est essentielle pour favoriser l'utilisation du PLA. Une difficulté reste que la $T_g$ du PLA est très inférieure à la température de recuit des encres utilisées en IME. Le recuit à une certaine température est nécessaire pour avoir une bonne conductivité électrique.

## Travaux futurs

* Impact des traitements thermiques sur la cristallinité du PLA et leurs conséquences sur les propriétés mécaniques du polymère.

* Optimisation des protocoles de recuit des encres de sérigraphie.

* L'étape finale de surmoulage par injection sera prochainement réalisée, avec l'appui de la simulation.

<footnote>[1] J. Franke, Three-dimensional molded interconnect devices (3D-MID): materials, manufacturing, assembly, and applications for injection molded circuit carriers. Munich : Cincinnati, OH: Hanser Publishers ; Hanser Publications, **2014**.</footnote>