Patrick Perochaud Accelonix / 2C++ Mars 2015

L’Electronique Organique Imprimée

? Diversification ou Substitution aux technologies actuelles d’assemblages des circuits électroniques ?

Cette présentation aborde

n Les filières l’Electronique Organique et de l’Electronique Organique Imprimée,

n Des exemples d’ applications

n La chaine de valeur avec ces équipements de dépôt

n Les verrous technologiques identifiés

n Conclusions

Equipements et lignes CMS

EquipementsPour l’Electronique

ImpriméeEquipements et lignesStockage d’énergie

Batteries Lithium IonSupercapacitors

Equipements Micro Electronique Back end

Equipements et lignes Génération d’énergie

Solaire - PVCœur de piles à Combustible

ACCELONIX… Activités / Compétences

Equipements de TESTDISTRIBUTIONSERVICE

70 pers en EU 25 en Fr 20M€ CA

Electronique Imprimée s’identifie à ces produits

RFID Next generation

CapteursGrandes dim

Source: Konarka

Eclairage Automobile

OLED SURFACIQUE 3D Flexible

Tissu intelligentSmart systemsObjets connectés

APPLICATIONSSECTORIELLES

Films solaires flexibles et batteries impriméesEx : Eight19 un des leaders de l’OPV annonce 10% Y

ECRANS OLED, AMOLED flexibles 3D et Afficheurs flexibles

Les 2 filières de l’Electronique Organique

1 Electronique Organique +15 ans -- stade Fab to Marketn Substrats :Verre, verre

souple, Plastique en Sheet2Sheet

n Par Evaporation CVD- MOCVD et Spin coating avec donc de faibles taux de transfert et des Coûts élevés

n Plus soustractive qu’additive, dépôts typiques 100nm

n Basse Température

v Ecrans OLEDv AMOLED Haute résolutionv Solaire ‘’rigide’’v Transistors CMOS,OFET

2 Electronique Org ImpriméeR&D 2005 -- Stade Lab to Fab

n Substrats : Plastiques, textiles, papiers en Sheet2sheet et Roll2Roll

n Moyens type additifs : offrant des forts taux de transfert dépôts typique 10µm

n Grands formats / très grd formatsn Basse Température

n OLED Eclairage & Automobile Grd Dv OLED Ecrans Grd dimensionsv Capteurs low cost; grd formatsv RFID low costv Film Solaire flexible en R2R, low cost

v Nouvelles applications

Techno déjà dans votre poche

Dans votre poche demain

1 Electronique organique chimie des polymères conjugués

n Développée il y a +15 ans, chimie organique basée sur des matériaux semi-conducteurs : des molécules de faible masse molaires, des nano-cristaux et surtout des polymères avec des molécules dites ‘’conjuguées’’…… une conjugaison due à l’alternance de simple et doubles liaisons Carbone / Carbone avec 4 électrons de valence dans ces atomes de carbone, et répartis entre différentes orbitales .

n Encres conductrices, résistives, etc existent déjàn Substrats rigides: verre (mais également des PET) mais toujours en Process : Sheet 2 Sheet

Shadow masking 10µm /10 µmLimité en Dimensions

Ecran OLED offre 2 fois + de résolution qu’un LCD

§ Molécules de faible masse molaire sont déposées par évaporation sous vide secondaire 10-6 à 10-7 mbar

§ Les polymères sont déposés par voie humide en spin coating, avec des taux de transfert faibles de 25%

2 Electronique Imprimée, progrès de la chimie Organique

n Basée sur de nouveaux matériaux polymères développés à partir de moléculessemi-conductrices conjuguées mais composées d’atomes de carbones, d’hydrogène et d’azote associées à des colorants, et sous forme d’encres organiques Imprimables; qui donnent naissance en 2005 à cette Technologie de rupture : L’Electronique Imprimée,

§ Dépôts sélectifs additifs (100nm et qq µm) offrant de forts taux de transfert parce qu’utilisant les mêmes procédés de dépôt que ceux de l’imprimerie : SERIGRAPHIE, HELIOGRAPHIE, OFFSET, Jet d’encre, etcn Sur des grands / très grands substrats : Plastique / polyester, papiers, textiles,(Verre) etc

n Production en Sheet2Sheet et Roll2Roll pour un objectifs bas coûts -30 à -50%

n Moins d’étapes de Process : 5/6

n Faible empreinte carbone, Process basse Température, rapide, nanomatériaux compatibles: faire + avec -

LES DRIVERS de l’Electronique ImpriméePour de fortes perspectives de croissances sectorielles dès 2015

q

q Transparente, mince, mais résistante

q Grandes dimensions

q Basse Température, simple

q Nouvelles applicationsq Afficheurs / Capteurs de T Grd dimq Tissus intelligents, q Objets connectés,

q Papier intelligent

q Grd Créativité des designersq Eclairage OLED Automobile

q Eclairage OLED habitation

q Réduction de coûtsq Affichage muralq Usage limité dans le temps

q Amélioration du Bilan Carbone, ex : ‘’energy pay back time’’ OPV

TECHNOLOGY PUSH MARKET PULL ex 4.0 et services

et

1. Substrat feuille PET polymère type polyéthylène + métallisation transparente ITO Anode ( aujourd’hui réalisé par CVD et nano cristaux imprimés demain)

2. Structuration Anode - Eximer Laser - gravure directe ablation -Préparation surface par Plasma

3. Dépôt sélectif (sérigraphie - jet d’encre) d’1 polymère : PEDOT PSS, HIL (Hole Injection Layer)

4. Dépôt sélectif (sérigraphie - jet d’encre) du polymère actif, une hétérojonction HIL–HTL

5. Dépôt de la cathode: (CVD shadow mask - nano particules Cond imprimées demain)

6. Encapsulation par lamination / couches barrières par ALD (Atomic Layer Deposition)

7. Découpe Laser /packaging

Exemple Photodiode Organique élément de base des Photo détecteurs/ capteurs d’images de grandes dimensionsUne réalisation en 5 / 6 étapes – comparé à l’inorganique

l’Electronique Organique imprimée flexible

PETITOPEDOT-PSS

hétérojonction Cathode métallique

Electronique Organique perspectives de répartition sectorielle en 2020

Marché de 4B$ en 2015; une perspective de 60B$ en 2020

Imprimé & Flexible

33%

Flexible11%

Imprimés56%

22% Eclairage OLED28% larges Afficheurs OLED

6 % Eclairage OLED3 % Afficheurs OLED2 % PV solaire Techno en R2R

5% Eclairage OLED15 % larges Afficheurs OLED8% capteurs5% RFID en R2R

89% de ces produits réalisés en Electronique imprimée

Exemple des Capteurs

0%10%20%30%40%50%60%70%80%

Ca

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CapacitfPiezo resistif ForceGASPiezo electriqueBio capteursPhoto detecteursTemperatureHumidité

Très fortes perspective de croissance de 2015 à 2020Forte demande du marché, pour : de l‘intelligence embarquée (ex:Indus 4.0, services)

Fab to Prod ……. Mass prod en 2020, estimation 6B$

Excepté glucose Sensors 2B$en 2015Ta

uxde

cro

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nce

Capteurs imprimésQUELLES EXEMPLES DE CAPTEURS ORGANIQUES IMPRIMES

Capteur d’image dans le spectre des rayons

X, visible et IR

Capteur d’image grand formatSur matrice de Transistors organiques

Capteur T° organique flexibleassocié à HP piézo, une cellule

solaire

BIOMETRIE large

SANTE large et conformable

QUELLES EXEMPLES DE CAPTEURS ORGANIQUES IMPRIMES

Tatouage Bio sensor

Electronique Organique Imprimée

Capteurs grande surface reconnaissance de mouvements

Interface tactile à échelle humaine

Electronique Organique ImpriméeQUELLES EXEMPLES D’ECRANS IMPRIMES et ECLAIRAGE OLED surfacique

Frigo connecté et son écran interface

Réalité augmentée dans une cabine avion

Eclairage OLED bibliothèque de SéoulMicro écrans type google glasses

Electronique imprimée - La Chaîne de valeur

PRE-PROCESS

• Nettoyage• Rouleaux Elastomère• Soufflage• Ionisation•

• Traitements• Plasma• Corona

DEPOTS additifs & sélectifs avec

des moyens d’Imprimerie

• Handling

•SERIGRAPHIE• SLOT DIE• HELIOGRAPHE• Flexographie• Offset

• Jet d’encre• Aérosol Jet Spray

DEPOTS soustractifsGRAVURE

• Laser Eximer• Chimie

POST- PROCESS

• Handling

• Séchage • IR• UV LED• Flash lamp

• Recuit T° > Tg PET• Four UV• Four sous vide•

CONTRÔLE

• Handling

• Dimensionnel• Elipsomètre• Profilomètre• Reflexomètre• Interférométre

• Inspection• Optique AOI• (Rayon X)

• Tests Fonctionnels

Feuille ou film PET avec dépôt d’ITO transparent

•Handling

Dépôt ITO (nm)

•CVD, MOCVD•PVD

Sheet 2 Sheet ----- Roll 2 RollOperations en salle blanche

PRODUCT FLOW

Packaging

•Handling

•Lamination• Découpe• etc

Assemblage dans un system /System on Foil

Performances de ces différents procédés de DépôtsRésolution lignes / espaces

1µ 10µ 25µ 50µ 80µm 100µ 200µ 300µ 400µ

Résolution lignes / espaces des moyens de dépôt

1. µlithography Soustractif

- Eximer laser writing- ablation

5. Ink jetting .. Sans outillage..sans contact

Yiel

d –

Thro

ugh

put

2. Ultrasonic Spraying non sélectif

7. Slit Coating R2R non sélectif

Layer thickness

6. Emulsion Screen Printing & StencilPrinting Sheet 2 sheet .. Avec outillage / écran

4 Aérosol Spray .. Sans outillage ..sans contact

3. Heliography.. Développement outillage

Sérigraphie additive 80%

n Compatible avec toutes les encres; conductrices, semi-conductrices, etc, viscosité : 500-50 000cp/mpas

n Bonne fiabilité et répétatibilté +/-12µm

n Cout de l’écran émulsion (ou pochoir) faiblen Dépôts Pattern 70 µ / 70 µm et (30µ/30µ développement) *n Epaisseurs des dépôts 1 à 100 µm, typique qq µm

n Des solutions existent pour des Conducteurs fort courant, en superposant les dépôts sérigraphiés

n Ecran de sérigraphieSheet2Sheet ou R2R

SLOT DIE additif

n Process Sheet 2 sheet et Roll 2 Roll

n Dépôts d’aplats ordre de qq cm

n Epaisseur 100nm à 150µm uniformité dépôt +/-4%

n Fonctionne sur le principe d’une tête en 2 parties avec une fente calibrée, l’encre est injectée pour créer un film

n Process sans contact

n Compatible avec toutes les encres, conductrices, semi-conductrices, etc, viscosité de 500 - 10 000 cp

Jet d’Encre Piezo …. écriture directe

n Grande fiabilité et répétatibilté +/-3µm

n Permet la 3D,sans contactn Limité à des encres de faibles viscosité : 5 - 20 Cp, compatibles nano

particules, viscosité difficile à obtenir pour les encres polymères

n Dépôts Pattern 50 µ / 50 µm, en fonction de la viscosité des encres et de l’interaction avec la surface, surface +/- hydrophile, rugosité, etc

n Epaisseur de 50nm à qq µm

n Process qui reste ‘’lent’’, mais les équipements multi têtes peuvent en associer JA 1000.

n Sensible à l’état des buses : obturation, dégradation, etc

Aérosol Jet / spray…

n Précision répétabilité +/- 25 µm

n Permet la 3D, standoff 1-5 mm

n Large gamme de viscosités de 5 - 2500 Cp, conductrice

n Ligne jusqu’à 15 / 20 µm

n Epaisseur de 50nm à qq µmn Process qui reste lent, mais peut disposer de plusieurs têtes; 40 et plus

60 µm Ag lines ds une tranchée 500µ

Ecriture directe

HELIOGRAPHIE / Flexo Gravure

n Développement du cylindre gravé en creux, dédiéà l’impression des motifs spécifiques à réaliser.

n Temps et coût de développent du cylindre. Se justifie pour de forts Volumes

n Viscosité des encres : 50 - 500 cp

n Grande fiabilité et répétatibilté +/-25µm

n Dépôts 25 µ / 25 µm

n Epaisseurs des dépôts 100 nm à 20 µm, typique qqµm

Gravure Printing… écriture directe par transfert

System on foil

n Consiste à faire coexister sur le même substrat flexible PET (Tg 140°C) des CMS, des puces, etc

¨ Assemblage par ACF, Anisotropic Conductive Films type Flex to RIGIDE est un process maitrisé.

¨ Colles conductrice AG flexibles, sérigraphiables,

¨ ? Crème à braser SnBi très basses T° 140°C ?

System of Foil , Electronique imprimé sur PET associant des CMS pour le traitement du signal

Les composants; les sous ensembles organiques comme des capteurs, doivent encore s’interfacer avec l’électronique conventionnelle : CMS, etc, créant ainsi un ‘’system on foil ‘.

Electronique ImpriméeIl reste quelques ‘’verrous’’ technologiques……..n Les encres : Améliorer: la rhéologie, les dispersions des Nanoparticules

Développer : encres nano-cristaux d’ITO / fils d’Ag, encres émettrices polymères / nano-cristaux de couleur, encres conductrices métalliques nano roadmap 3/5 ans

n Les faibles vitesses des porteurs pénalisent les performances Elles sont environ 1 000 fois moins rapides que dans l’électronique inorganique Si.

¨ Type N (accepteurs d’électrons HIL-HTL) 2 cm2/V-s -- 30Khz

¨ Type P (donneurs d’électrons ETL-EIL) 1,5 cm2/V-s

n Les consommations en courant, encore élevées,

n La réalisation des vias indispensables à de nombreuses applications,n Les alignements pour la superposition des 5/6 couches difficiles dû

notamment au stretch des substrats PET– génération de capacités parasites,

n Packaging: solutions encore trop sensibles à l’environnement, T°, H, etc,

n Méthodes de caractérisation et de tests au cours du process restent difficiles,

EN CONCLUSION

La plupart des problématiques de l’Electronique Organique Imprimée Flexible ont étéabordées, il reste des ‘’verrous technologiques’’ avec les matériaux : propriétés, rhéologie et avec les moyens industriels: précision dépôt, correction du stretch, process R2R;roadmap 3/5 ans

La transition ‘’Lab to Fab’’ est en cours; la Mass Production se fera en 2020, notammentpour les capteurs en S2S, les OLED, les OPV souples en R2R; les marchés étant fortement demandeur avec une perspective de CA de 60B$ en 2020; 6B$ pour les capteurs.

Cette technologie de rupture, avec une chaine de valeur ‘’simplifiée’’, comparée à l’Electronique Inorganique, CMS et filières puces ne se substituera cependant NI à l’électronique inorganique, NI au CMS, mais s’imposera comme une technologie complémentaire aux technologies existantes, pour offrir des produits de grandes dimensions, flexibles, innovants, et créer de nouvelles applications en offrant des réductions de coût de fabrication de -30 à -50% .

Les acteurs du CMS et les hybrideurs, peuvent aborder sereinement l’Electronique Organique Imprimée puisqu’ils auront à intégrer / à hybrider des composants / des sous-ensembles, réalisés en Electronique Organique Imprimée, avec des CMS; des puces dans des ‘’Systems on Foil ‘’ entrant ainsi dans l’ère de la POLYTRONIC.

Patrick Perochaud Accelonix / 2C++ Mars 2015

Les acteurs de l’Electronique Organique imprimée en France

ACTEURS de la R&D.. de gros investissements des acteurs publicsØ CEA DTNM Département des Technologies et des Nanomatériaux du LITEN Grenoble

Labo PICTIC … 650 m2 Salle Blanche , process Sheet 2 SheetØ Université / CNRS plateforme Equipex ELORPrintTec, BordeauxØ Plateforme CANOE BordeauxØ Université IMP2NP de MarseilleØ CTP le Centre Technique du Papier de GrenobleØ INP Pagora LGP2 de Grenoble

Ø La Société Botest GmbHØ La Société GenesInk encres nano matériaux

ACTEURS INDUSTRIELSØ Une vingtaine environ en

France

Roadmap :Validations de démonstrateurs Dans la phase Fab to Lab

CLUSTER Français Electronique ImpriméeØ AFELIM

MANIFESTATIONS en EUØ 5eme rencontres de L’électronique Imprimée organisées par AFELIM, le 25 mars dernier

Ø Printed Electronics Europe 28 & 29 avril à Berlin.

Merci pour vos questions

Merci de votre attention

L’électronique Organique Imprimée Flexible : une Diversification et une Complémentarité des technologies actuelles

d’assemblages des circuits électroniques !

Patrick Perochaud Accelonix / 2C++ Mars 2015