Électronique imprimée en 3D : L'essor de la fabrication additive de circuits

La technologie de l'impression 3D a rapidement évolué ces dernières années, permettant aux fabricants de déposer des matériaux pour former des objets dans la vie réelle à partir de pistes. À l'origine, l'impression 3D était un outil de développement de prototypes pour la fabrication de modèles et de secteurs plastiques et de pièces, mais les chercheurs et les ingénieurs l'utilisent désormais pour des applications complexes telles que le câblage imprimé. Basée sur la fabrication additive connue sous le nom d'impression 3D, l'électronique imprimée ou la superposition de circuits et de composants électroniques pour produire des systèmes électroniques exploitables. Cette nouvelle technique ouvre la voie à de nouvelles solutions de conception dans le domaine de la fabrication électronique qui n'étaient pas possibles avec les techniques précédentes.

Le durcissement et le frittage de matériaux conducteurs et non conducteurs déposés couche par couche selon les motifs exacts permettent d'incorporer toutes les fonctions explorées dans l'impression 3D, qu'il s'agisse de circuits, d'antennes, de capteurs ou de bien d'autres choses encore. L'un des avantages de l'électronique imprimée en 3D est de permettre la personnalisation à la demande d'un produit électronique donné. En ce qui concerne la disposition des circuits imprimés et des dispositifs d'usure, elle réduit le coût de l'intégration de la complexité et peut être rapidement conçue, testée et produite.

Cette capacité de personnalisation de masse ouvre de nouvelles possibilités pour les dispositifs de l'internet des objets, les implants médicaux, l'électronique grand public et d'autres industries où des produits personnalisés ou en faible volume sont nécessaires. Les échafaudages tissulaires de précision, les biocapteurs et les implants médicaux intelligents sont particulièrement bien adaptés aux techniques de circuits additifs.

Plusieurs technologies de matériaux clés ont permis de réaliser des progrès significatifs dans les domaines suivants L'électronique imprimée en 3D. Les encres conductrices à base d'argent, d'or et de nanotubes de carbone permettent de déposer des motifs complexes de voies électriques à l'aide d'imprimantes 3D à haute résolution. Des encres diélectriques et isolantes sont également disponibles pour séparer et encapsuler efficacement les traces conductrices. Associées aux développements des têtes d'impression 3D multi-matériaux et des extrudeuses multi-buses, ces encres facilitent la fabrication couche par couche de circuits et de dispositifs fonctionnels.

L'intégration de composants électroniques montés en surface, tels que des résistances, des condensateurs et des circuits intégrés, directement dans des structures imprimées en 3D, permet à l'électronique imprimée de franchir une étape supplémentaire vers le remplacement total de la fabrication traditionnelle. Grâce à la robotique "pick-and-place", ces composants électroniques passifs et actifs peuvent désormais être positionnés et fixés automatiquement pendant ou après le processus d'impression. Cela ouvre la voie à une véritable impression au niveau du système, avec calcul intégré, détection et connectivité sans fil.

À l'avenir, les chercheurs en électronique imprimée s'efforcent d'améliorer la conductivité, la résolution et le rendement grâce à de nouvelles formulations de matériaux et à des innovations en matière de processus d'impression 3D. La combinaison de l'impression multi-axes, des méthodes de durcissement et du contrôle de qualité en ligne permettra probablement d'obtenir des produits électroniques finis dont les performances seront comparables à celles des circuits fabriqués traditionnellement. Des travaux supplémentaires sur la détection dans la buse, le contrôle du processus en boucle fermée et l'affinement de la manipulation de matériaux multiples promettent d'optimiser les performances de l'impression 3D. impression 3D en résine et la conception de produits intelligents. Les progrès réalisés dans ces domaines signifient que la fabrication numérique de dispositifs électroniques entièrement fonctionnels par le biais de la fabrication additive devient de plus en plus viable.

En résumé, l'électronique imprimée en 3D est un domaine évolutif et prometteur qui brouille les frontières entre la fabrication et la conception. En intégrant la liberté de conception additive à la fabrication de circuits fonctionnels, elle offre des possibilités sans précédent pour des produits électroniques personnalisés adaptés à des applications de niche et à des besoins personnalisés. Les progrès continus en matière de matériaux et de processus conduiront l'électronique imprimée en 3D vers une commercialisation et une adoption générales dans de nombreuses industries au cours des prochaines années.

Électronique multi-matériaux imprimée en 3D

Fabrication de circuits hybrides avec différents matériaux

Les imprimantes 3D multimatériaux modernes permettent le dépôt simultané de matériaux conducteurs et non conducteurs. Cela permet :

• Fabrication de composants électroniques complexes à partir de différents matériaux en une seule impression, tels que les métaux, les polymères conducteurs et les isolants.
• Production de circuits hybrides contenant des pièces électriques et mécaniques intégrées sans étapes d'assemblage supplémentaires.
• Conception de circuits conformes pouvant être intégrés dans des structures 3D non planes.

Électronique embarquée

Des recherches récentes ont mis en évidence des techniques permettant d'intégrer des fils, des puces et d'autres composants électroniques directement dans l'appareil. Thermoplastiques imprimés en 3D pendant le processus de fabrication. Cela permet d'intégrer des circuits fonctionnels dans des géométries 3D complexes.

Méthodes à base de filaments

Les imprimantes 3D à base de filaments déposent d'abord un matériau isolant, puis impriment sélectivement des traces conductrices à l'aide de filaments spécialisés. Les chercheurs ont mis au point de nouveaux filaments polymères conducteurs pour cette approche.

Encres fonctionnelles pour circuits imprimés

Encres à base de nanoparticules d'argent

Les encres à base de nanoparticules d'argent offrent une conductivité et une résolution élevées. Elles sont couramment l'utilisation de l'impression 3D dans l'impression par jet d'aérosol, jet d'encre et extrusion d'électronique flexible et imprimée. Les traces produites par ces encres peuvent rivaliser avec les performances des circuits en cuivre fabriqués traditionnellement.

Encres de graphène/carbone

Les encres de graphène et de carbone produisent des traces conductrices légères et peu coûteuses. Grâce à leur flexibilité mécanique, elles trouvent des applications dans les écrans tactiles pliables, les objets portables et la bioélectronique. Toutefois, leur conductivité est généralement inférieure à celle des encres à l'argent. De nouvelles formulations visent à l'améliorer pour les applications de circuits.

Circuits hybrides

Pour surmonter les limites des approches monomatériaux, les chercheurs intègrent l'impression 3D à la lithographie traditionnelle. Certaines approches consistent à imprimer des traces conductrices sur des substrats 3D personnalisés qui sont ensuite traités à l'aide de techniques lithographiques établies. D'autres intègrent des composants électriques imprimés en 3D en tant que couche dans des circuits hybrides multicouches fabriqués à l'aide de méthodes additives et soustractives. Cela permet d'étendre la complexité des circuits imprimables au-delà de ce qui est actuellement réalisable avec l'impression 3D seule.

Progrès dans la fabrication de circuits en 3D

Impression à plus haute résolution

Les améliorations technologiques ont renforcé les capacités de l'électronique imprimée en 3D. Les imprimantes 3D à plus haute résolution peuvent désormais déposer des traces conductrices plus fines, mesurant moins de 100 microns. Cela permet de concevoir des circuits plus denses et plus sophistiqués.

Électronique embarquée

De nouvelles techniques intègrent des dispositifs actifs tels que des puces, des capteurs et des composants de stockage d'énergie directement dans des substrats thermoplastiques lors de l'impression 3D. Cela permet de produire des systèmes électroniques entièrement fonctionnels sans aucun traitement ultérieur.

Impression multi-buses

Les systèmes d'impression 3D multi-buses peuvent déposer simultanément différents matériaux fonctionnels pour améliorer le repérage entre les composants et augmenter les rendements. Isolants, conducteurs et matériaux actifs Matériaux d'impression 3D peut être placé avec précision.

Conducteurs flexibles et extensibles

Les innovations en matière de traitement permettent de produire des conducteurs extensibles et auto-réparables, ce qui rend l'électronique imprimée en 3D plus souple et plus facile à porter. Les circuits peuvent désormais se plier, s'étirer et éventuellement se rétablir après avoir été endommagés.

Intégration de composants passifs

Des guides d'ondes, des antennes et d'autres composants passifs intégrés et imprimés en 3D permettent de produire de manière additive des circuits sans fil compacts et des appareils pour l'internet des objets. Cela élargit les possibilités de conception de l'électronique imprimée.

Applications et tendances futures

Produits portables et implantables

Les circuits conformes en 3D permettent une intégration transparente de l'électronique dans les vêtements, les prothèses et les dispositifs médicaux implantables grâce à la conception de circuits additifs.

Objets intelligents et IdO

L'intégration de l'intelligence et de la connectivité à l'aide de composants électroniques imprimés en 3D permet de développer de nouvelles générations de produits interactifs, de systèmes domotiques et de capteurs industriels.

Microfluidique et bioélectronique

L'impression 3D permet d'intégrer des composants électroniques à des canaux fluidiques, des vannes et des réacteurs pour des applications dans l'analyse chimique, le développement d'organes sur puce et la médecine personnalisée.

Technologies aéronautiques et spatiales

Les circuits imprimés conformes permettent une grande légèreté, avionique durcieLes systèmes de support au sol et les satellites sont optimisés pour des applications avancées dans les domaines de l'avionique et de l'aérospatiale.

Faire progresser les technologies

La recherche améliore les techniques multi-matériaux, atteint une précision d'impression à l'échelle nanométrique, développe de nouvelles méthodes d'auto-assemblage et explore des approches de fabrication hybrides pour réaliser des systèmes électroniques imprimés en 3D encore plus sophistiqués. Ce domaine est sur le point de révolutionner la fabrication électronique.

Conclusion

L'électronique imprimée en 3D a connu d'énormes progrès ces dernières années et est en passe d'avoir un impact considérable sur diverses industries à l'avenir. Les innovations en matière de matériaux ont permis d'imprimer des conducteurs et des encres diélectriques viables, tandis que l'impression multimatériaux permet désormais d'intégrer couramment des composants électroniques passifs et actifs dans des géométries 3D complexes.

Ces technologies permettent de réaliser des circuits entièrement personnalisés et conformes, impossibles à produire jusqu'à présent. Des appareils médicaux aux produits de consommation en passant par l'ingénierie aérospatiale, toute application impliquant des boîtiers électroniques spécialisés ou des conceptions uniques est un candidat à la fabrication additive numérique. Au fur et à mesure de la maturation des techniques, l'électronique imprimée en 3D continuera à s'intégrer plus étroitement au traitement lithographique traditionnel pour obtenir des solutions au niveau du système.

Les résolutions inférieures à 100 microns dépassent aujourd'hui largement les capacités de fabrication de circuits imprimés conventionnels. L'adoption des circuits imprimés en 3D s'accélérera à mesure que les rendements augmenteront et que les circuits imprimés seront plus faciles à fabriquer. Coût de l'imprimante 3D La fabrication additive permet de réduire la consommation d'énergie grâce à l'amélioration continue des processus. La capacité de personnalisation de masse à des volumes réduits rend la fabrication additive particulièrement intéressante pour l'IdO et la médecine personnalisée. L'expansion des applications dans les domaines de la bioélectronique et de l'électronique flexible entraînera une innovation continue dans les matériaux et les méthodes d'impression.

Au cours de cette décennie, l'électronique imprimée en 3D devrait supplanter les méthodes de production traditionnelles pour de nombreuses applications de circuits compacts et complexes. Au fur et à mesure que les techniques additives multi-matériaux atteindront leur maturité industrielle, la fabrication numérique transformera le développement des produits électroniques et personnalisera les appareils à grande échelle. Les libertés de conception et les fonctionnalités intégrées de l'impression 3D ouvrent la voie aux appareils intelligents en réseau de la prochaine génération.

FAQ

Q : En quoi l'électronique imprimée en 3D diffère-t-elle de la fabrication traditionnelle ?

R : Il utilise des procédés additifs pour fabriquer directement des circuits couche par couche plutôt que de procéder à une gravure et à un assemblage soustractifs. Cela permet de nouvelles conceptions telles que les circuits intégrés/conformes et la facilité de personnalisation.

Q : Quels sont les matériaux couramment utilisés ?

R : Les encres à base d'argent, de carbone et de polymères fournissent des traces conductrices, tandis que les plastiques comme les thermoplastiques agissent comme des isolants diélectriques entre les traces. Les progrès réalisés dans le domaine des nanomatériaux et des encres permettent d'élargir la bibliothèque des produits imprimables.

Q : Quelle est la précision des traces ?

R : Les technologies de pointe permettent d'imprimer des lignes d'une finesse de 50 microns grâce à l'extrusion haute résolution et au jet d'aérosol. L'impression multimatériaux enregistrée augmente encore la densité.

Q : Quand dépassera-t-il les PCB conventionnels ?

R : Les avantages de la personnalisation de masse servent déjà des marchés de niche. Mais les rendements doivent encore s'améliorer pour atteindre la parité coût/performance nécessaire aux applications grand public en grande série d'ici 5 à 10 ans.