Thomas GUERIN a soutenu sa thèse le 13/11/2024.
Lieu : amphithéâtre AE2, département Génie Electrique, INSA Lyon, 8 rue de la Physique, 69621 Villeurbanne
Jury :
Rapporteurs :
Mme. Nadège REVERDY-BRUAS, Professeure, Grenoble INP -Pagora
M. Vincent NOEL, Professeur, Université Paris Cité
Examinateurs :
Mme. Nadine ALLANIC, Professeur des Universités, IUT de Nantes
Encadrement :
M. Bruno ALLARD, Professeur des Universités, directeur de thèse
M. Michel CABRERA, Chargé de recherche, Ampère, CNRS, co-directeur de thèse
M. Jean-Yves CHARMEAU, Professeur des Universités, Ampère, INSA, co-directeur de thèse
Résumé :
Cette thèse explore le domaine émergent de la plastronique 3D, qui fusionne l’électronique et la plasturgie pour intégrer des circuits électroniques sur des substrats 3D en polymère. Le travail se concentre sur le développement d’encres conductrices pour le procédé In-Mold Electronics (IME), une technique prometteuse pour la production en grand volume de dispositifs plastroniques, en particulier pour les interfaces homme-machine (IHM).
Le processus IME comprend plusieurs étapes : l’impression de pistes conductrices sur un film mince de polycarbonate à l’aide d’encre conductrice, le transfert des composants électroniques sur le film et leur connexion au circuit par collage, le thermoformage du film en 3D et le surmoulage 3D par injection de thermoplastique.
Après une revue de la littérature sur la plastronique et l’IME, la thèse propose l’étude de différentes formulations d’encres conductrices, en se concentrant sur celles composées d’une matrice polymérique organique contenant des charges d’argent micrométriques. Une méthodologie a été mise en place pour caractériser les encres à chaque étape du processus, en termes de résistivité électrique, d’adhésion, d’étirement et de cisaillement sous contraintes lors des étapes d’impression, de thermoformage et de surmoulage. Le polycarbonate a été utilisé comme matériau de référence pour le film et la matière de surmoulage. Plusieurs encres conductrices ont été élaborées à partir de matériaux organiques issus de la pétrochimie ou de matériaux biosourcés. À partir de matériaux pétrosourcés, nous avons obtenu des encres peu résistives (26 µΩ.cm) et avec une grande capacité de déformation par thermoformage.
À partir de matériaux biosourcés, de nouvelles matrices organiques ont été formulées pour obtenir des encres plus responsables. Les encres -bio- se distinguent par leur respect de l’environnement grâce à un liant biodégradable, un solvant vert biosourcé et l’argent recyclable. Les performances atteignent une faible résistivité de 20 µΩ.cm et avec une grande capacité de déformation par thermoformage. Une encre -bio- a été surmoulée avec du polycarbonate, et un démonstrateur IME a été réalisé.
Cependant, certaines difficultés persistent et limitent le potentiel d’application de ces formulations. Parmi elles, des cas critiques de délamination et de rupture des pistes conductrices lors du thermoformage. Également, de possible délavage des encres et le détachement des composants électroniques lors de l’étape d’injection peuvent survenir. Ces limitations sont liées aux contraintes géométriques engendrées par le 3D et ont été étudiées. Cependant, par contrainte de temps, toutes les encres n’ont pas pu être testées jusqu’à la réalisation d’un démonstrateur.
Mots-clés : In-Mold Electronics, encre, sérigraphie, thermoformage, injection, plastronique, encre conductrice