Depuis de nombreuses années maintenant, la miniaturisation a été le principal moteur de l'industrie électronique. Cela est particulièrement vrai pour les circuits imprimés à base de céramique, qui ont des propriétés qui les rendent particulièrement adaptés aux circuits haute fréquence. Des exigences techniques de plus en plus exigeantes ont exposé les limites des technologies classiques à couche épaisse utilisées pour la production de conducteurs de circuits imprimés. Maintenant, cependant, une nouvelle génération de pâtes en couches épaisses et leur structuration photolithographique permettent la fabrication de structures en couches épaisses de très haute résolution nécessaires aux applications 5G. De plus, ce procédé est adapté à la production de masse et aux applications industrielles tout en maintenant de faibles coûts d'investissement et en ne prolongeant que très peu les délais de production. Des chercheurs du Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS exposent les nouvelles pâtes au salon Productronica de Munich du 12 au 15 novembre (Hall B2, Stand 228).

La prochaine génération d'Internet mobile et de téléphonie mobile est sur le point d'arriver :la cinquième génération, ou 5G, pour faire court. Corée du Sud, La Suisse et plusieurs villes américaines utilisent déjà la 5G. En Allemagne, les licences de cette norme ont été mises aux enchères en juin 2019. La nouvelle technologie signifie également que l'électronique utilisée pour transmettre et recevoir des signaux devra être beaucoup plus finement structurée qu'elle ne l'est actuellement. Ceci s'applique également aux antennes, qui fonctionnera dans un premier temps à une fréquence de 3,6 GHz, avant de passer à des fréquences plus élevées. En termes de miniaturisation, la technologie des couches épaisses actuellement utilisée pour réaliser ce circuit a maintenant atteint ses limites. En ce qui concerne les applications industrielles, une résolution d'environ 50 micromètres est la limite absolue pour cette méthode. En termes clairs, cela signifie que les structures électriques uniques, comme les conducteurs, ont une largeur minimale de 50 micromètres. La norme 5G, cependant, nécessite des circuits aussi fins que 20 micromètres et moins.

Structures avec une résolution ne dépassant pas 20 micromètres

Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer des technologies et systèmes céramiques IKTS de Dresde, en coopération avec la société britannique MOZAIK, ont maintenant été en mesure de résoudre ce problème. Un accord de licence correspondant a été signé en juin 2019. « Nous pouvons produire des conducteurs avec une résolution de 20 micromètres ou moins, " explique le Dr Kathrin Reinhardt, associé de recherche à Fraunhofer IKTS. « Le procédé est adapté à la production de masse et aux applications industrielles, et les coûts d'investissement sont faibles." Le procédé est basé sur la technologie de sérigraphie, la méthode standard de l'industrie, les entreprises pourront donc continuer à utiliser leur équipement actuel. La sérigraphie fonctionne comme suit :une sérigraphie avec le motif d'impression souhaité est placée sur un substrat, et une pâte à film épais est pressée à travers les ouvertures de l'écran, appliquant ainsi le motif au substrat. A l'étape suivante, la couche sur le substrat est séchée puis frittée à haute température, qui crée les caractéristiques fonctionnelles. Cependant, les fils d'acier inoxydable utilisés pour créer l'écran ne peuvent pas être produits plus minces qu'à une certaine épaisseur minimale. Ainsi, la sérigraphie ne peut être utilisée que pour créer des structures avec une résolution minimale de 50 micromètres.

Pâtes de photo-imagerie — 15 à 30 secondes supplémentaires au maximum

La technologie dite de photo-imagerie (PI) ajoute deux étapes supplémentaires au processus standard. "Une fois que les structures en couches épaisses ont séché sur le substrat, on positionne ensuite un photomasque avec la structure finale au dessus du substrat, " explique Reinhardt. L'ensemble du substrat est ensuite éclairé avec de la lumière UV. Un motif d'ouvertures dans le photomasque permet à la lumière UV de traverser la couche épaisse du substrat, où il durcit les polymères contenus dans la pâte. Les parties du substrat sous les zones du photomasque sans aucune ouverture ne sont pas touchées par la lumière UV, ce qui signifie que les polymères y restent non durcis. L'étape supplémentaire suivante implique un processus de développement chimique humide utilisant de l'eau. Cette étape élimine les parties de la couche dans lesquelles les polymères ne sont pas durcis, c'est-à-dire les zones qui étaient couvertes par le photomasque, laissant toutes les autres parties attachées au substrat. Par conséquent, les structures précédemment larges de 50 micromètres peuvent être réduites aux 20 micromètres souhaités par ce procédé, la structure finale étant déterminée par le photomasque. Le processus rejoint maintenant la procédure normale, moyennant quoi le substrat est fritté. Bien que tout cela semble assez élaboré, l'ensemble du processus est très simple. "Dans tout, les deux étapes ne prennent qu'entre 15 et 30 secondes chacune, " dit Reinhardt. " Et ils peuvent être facilement intégrés dans le processus de production. "

PI pastes already available for users

PI technology involves the use of customized thick-film pastes that cure reliably when exposed to UV light but remain unaffected by daylight. En d'autres termes, a costly yellow room is not required. The PI know-how comprises the precise tuning of the paste composition. Par exemple, metalizing pastes are made up of metals in powder form (silver, gold or alloys), which will form the structures, along with a UV-cured polymer and various other additives. If there is too much metal in the paste, the layer exposed to UV light will be insufficiently cured, with the result that it will get washed off the substrate during the development process. Si, au contraire, there is too much polymer, the metal structures become porous and can no longer fulfill their function. "We had to take into account two additional parameters while developing the pastes:not just functionality but also the steps of illumination and development, " says Reinhardt. Fraunhofer IKTS researchers have already achieved this with pastes containing silver or gold. Now they are working on platinum and resistor pastes. This research is to be unveiled for the first time at the Productronica trade fair in Munich from November 12–15 (Hall B2, Booth 228).

The Italian company Aurel is developing suitable production plants exactly tailored to the new PI pastes from Fraunhofer IKTS. These will also be on show at Productronica (Hall A2, Booth 481). "This extremely promising technology is easily integrated in standard thick-film processes—a field in which Aurel has over 50 years of experience, " explains Fabio Pagnotta, sales and marketing manager at Aurel. "We have therefore opted to launch a high-performance unit, featuring LED illumination and spray jet systems, for use in both small-scale and mass production. The Aurel systems can be used as a standalone unit or as a module incorporated in a fully automated production line, where it will keep pace with the typical cycle times of a standard thick-film production line. Fine lines and combined structures represent a cost-effective alternative to thin-film and solid-state designs for applications such as HF and microwave modules, capteurs, chip components, 3-D stack interposers and fan-out substrates."