Électronique hybride flexible : stratégies pour des substrats moins coûteux.
Imaginez une carte de circuit imprimé flexible (FPCB) : vous visualiserez presque inévitablement une feuille de plastique orange/brun, probablement avec quelques gravures de cuivre et peut-être quelques composants soudés. Ce plastique est du PI (polyimide/Kapton), et son omniprésence est principalement due à sa résistance à la température et à sa durabilité générale. En fait, il est si durable et insensible à la température que le PI est couramment utilisé dans les fours de laboratoire, les cryostats et (lorsqu'il est laminé avec de l'aluminium) pour envelopper les satellites.
Inconvénients du polyimide :
Ses propriétés en font un matériau apparemment idéal pour les applications électroniques flexibles, mais il présente certains inconvénients. Tout d’abord, son prix est environ 100 fois supérieur à celui du PET (polyéthylène téréphtalate), un plastique transparent couramment utilisé pour les bouteilles de boissons. Cela n’a pas d’importance si le film plastique est destiné à un laboratoire ou à l’espace autour d’un satellite, mais constitue un inconvénient majeur pour une utilisation comme substrat de circuit dans des emballages intelligents jetables ou d’autres applications à faible coût.
Deuxièmement, et cela paraît évident, sa couleur orange empêche son utilisation dans des applications optiques, comme les feuilles recouvertes de LED. Troisièmement, sa durabilité a pour contrepartie son inélasticité, ce qui complique son utilisation dans les patchs cutanés portables ou les textiles électroniques.
Tout cela signifie que le passage à des substrats transparents moins chers mais plus fragiles thermiquement, tels que le PET, le PEN (polyéthylène naphtolate) et le TPU extensible (polyuréthane thermoplastique), constitue une tendance majeure dans l'industrie de l'électronique flexible. Cependant, cela implique une évolution technologique importante dans la manière dont les composants électroniques sont fixés au substrat. Cette fixation de composants conventionnels à des substrats flexibles par des interconnexions imprimées (plutôt que gravées) est appelée électronique hybride flexible (EHF).
Le nouveau rapport d'IDTechEx, intitulé « Électronique hybride flexible 2020-2030 : Applications, défis, innovations et prévisions », analyse les technologies et les innovations nécessaires à la fabrication de composants électroniques sur des substrats à faible coût. Il s'appuie sur une étude de terrain approfondie, comprenant des entretiens et des visites d'entreprises à travers le monde, et est cité à plusieurs reprises dans cet article.
L'électronique hybride flexible nécessite des substrats à faible coût.
L'électronique hybride flexible (EHF) promet de combiner la fonctionnalité de l'électronique rigide conventionnelle avec la flexibilité de l'électronique imprimée. Le schéma illustre un prototype de circuit EHF, dans lequel un circuit intégré est associé à de nombreux autres éléments, tels que des capteurs imprimés, une antenne, une batterie à couche mince et même des cellules photovoltaïques à couche mince. Pour qu'un circuit soit qualifié d'EHF, il n'est pas nécessaire que tous les composants soient présents, ni même imprimés, mais il doit au moins inclure les fonctionnalités imprimées et déposées.
Sur un circuit imprimé rigide classique, ou même sur un circuit imprimé flexible (FPCB), l'assemblage des composants est réalisé par brasage, une technique essentielle souvent négligée. Le brasage présente de multiples avantages : la tension superficielle facilite l'alignement des composants, réduisant ainsi les exigences de précision ; les erreurs peuvent être corrigées manuellement ; et surtout, il assure d'excellentes connexions électriques et mécaniques. Malheureusement pour les fabricants souhaitant utiliser des substrats alternatifs moins chers et thermiquement fragiles, le brasage SnAgCu (SAC) classique requiert des températures de refusion d'environ 250 °C, ce qui ne pose pas de problème pour le PI, mais provoque la fusion et la dégradation de la plupart des autres substrats plastiques.
Adhésifs conducteurs anisotropes.
À ce jour, ce problème a été résolu grâce aux adhésifs conducteurs anisotropes (ACA), polymérisables thermiquement à des températures appropriées. Cependant, IDTechEx estime qu'ils ne constituent qu'une solution provisoire pour de nombreuses applications, notamment celles exigeant une grande durabilité : leur coût est 3 à 10 fois supérieur à celui du brasage et, surtout, ils n'offrent aucun avantage. De ce fait, des efforts considérables ont été consacrés au développement du brasage à basse température ou du frittage photonique, qui permettent la refusion de la soudure sans endommager le substrat. Laquelle de ces approches sera la plus largement adoptée reste une question ouverte, mais le développement de méthodes de fixation de composants compatibles avec le PET représente sans aucun doute une étape cruciale pour favoriser l'adoption de l'électronique hybride flexible et économique.
Ces matériaux de fixation de composants, ainsi que des études de cas d'approches innovantes telles que la soudure superrefroidie contenant des nanoparticules et l'ACA alignée sur le champ, sont évalués en détail dans le nouveau rapport IDTechEx.
Feuille de route pour l'adoption des substrats :
Compte tenu des exigences en matière de développement technologique et de méthodes de fabrication pour les substrats à bas coût, IDTechEx prévoit que leur adoption sera plus probable dans les applications à grand volume et à coût élevé. IDTechEx suggère que les substrats papier deviendront progressivement dominants pour les étiquettes RFID et les emballages intelligents. On observera également un abandon progressif de l'IP au profit de substrats moins chers et thermiquement plus fragiles, tels que le PET, sous l'impulsion d'applications aux exigences de durabilité moindres. La feuille de route d'IDTechEx pour l'adoption des substrats, spécifique à chaque application, est présentée schématiquement ci-dessous.
Ce schéma illustre l'évolution du choix des substrats pour diverses applications FHE. Les applications sensibles aux coûts, comme les emballages intelligents, devraient connaître la plus forte transition du PI vers le PET. Le papier reste une option pour les substrats d'emballage intelligent si les équipements de fabrication électronique peuvent être intégrés aux lignes d'emballage existantes.
Vue d'ensemble complète de l'électronique hybride flexible (FHE) :
Le nouveau rapport d'IDTechEx, « Électronique hybride flexible 2020-2030 : Applications, défis, innovations et prévisions », propose une analyse exhaustive de ce secteur technologique émergent. IDTechEx évalue et suit les technologies et les marchés de l'électronique imprimée depuis plus de dix ans. Ce rapport s'appuie sur une étude primaire inédite, comprenant des entretiens et des visites d'entreprises auprès des principaux acteurs mondiaux. Il identifie et examine les principales tendances d'innovation en matière de matériaux et de systèmes de production, notamment les matériaux de fixation, les substrats et la métallisation, ainsi que les techniques de production, telles que le placement à haut débit et diverses techniques d'impression S2S et R2R. Ce rapport établit une feuille de route des applications, illustrant la complexité croissante de la FHE, des simples étiquettes RFID actuelles aux dispositifs hybrides flexibles complexes de demain, ouvrant la voie à des applications dans les domaines de l'emballage intelligent, de la surveillance industrielle, des objets connectés et bien plus encore. Il offre une analyse détaillée du calendrier des applications, des défis à relever et des opportunités d'innovation. En outre, elle prévoit la croissance de cette technologie habilitante, démontrant que le marché peut atteindre X d'ici Y, le point d'inflexion où se produit une adoption rapide étant susceptible d'arriver en 2025.
Prévisions de revenus du marché pour l'adoption de l'assemblage à chaud (FHE) dans diverses applications. Ces prévisions reposent sur une analyse détaillée de plus de 20 sous-catégories, des avantages offerts par le FHE dans chaque catégorie et des prévisions de prix pour les composants et les méthodes d'assemblage spécifiques à chaque application.
