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Plastronique, l'électronique en trois dimensions

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Plastronique, l'électronique en trois dimensions

Démonstrateur d'un circuit électronique et de LED surmoulées intégrés dans une pièce plastique.

Au croisement des métiers de la plasturgie et de l’électronique, la plastronique ouvre de nouvelles opportunités pour la miniaturisation et une meilleure intégration des systèmes électroniques aux objets. De nouveaux procédés lui permettent de trouver des applications dans de nombreux secteurs.

Par Sandrine Lebigre et Lionel Tenchine, du centre technique industriel de la plasturgie et des composites (IPC), et Gaël Moguedet de Smart Plastic Products (S2P)

Si la plastronique, c’est-à-dire l’alliance entre la mise en œuvre des matières plastiques et l’électronique, remonte à une trentaine d’années, ce n’est que récemment qu’elle a acquis ses lettres de noblesse. Elle trouve désormais des applications dans des secteurs variés, tels que les biens de consommation, l’informatique, la téléphonie, les transports, le médical, la sécurité, la défense.

Contrairement aux technologies reposant sur l’assemblage de fonctions connexes, les nouveaux procédés plastroniques permettent d’insérer directement sur l’objet en 3D des fonctions électroniques et logicielles. La liberté de design ainsi offerte ouvre de nouvelles opportunités en termes de miniaturisation et d’ergonomie des produits plastiques. La plastronique regroupe un ensemble de procédés pour l’ajout localisé de matériaux fonctionnels.

1. Concept - L’intégration des fonctions en 3D

La multiplication des dispositifs électroniques embarqués dans l’aéronautique, l’automobile ou le médical, et plus largement l’internet des objets (IoT), encourage le développement de nouvelles solutions d’intégration d’électronique. À ce titre, les pièces plastroniques (appelées encore 3D-MID,pour mechatronic integrated devices) se caractérisent par l’association des propriétés des plastiques – l’allégement ou la flexibilité de design, par exemple – à des fonctionnalités électroniques, se présentant sous la forme de capteurs, d’actionneurs, d’antennes ou de routage.

Contrairement à l’électronique traditionnelle qui ne met en œuvre que des substrats plans, appelés PCB (printed circuit board), les technologies plastroniques offrent une liberté de design importante permettant la fonctionnalisation de pièces à géométrie complexe. Cette combinaison des fonctions électroniques et mécaniques dans le même sous-ensemble rend les produits finaux plus compacts, mais leur apporte aussi de nouvelles fonctionnalités et augmente la fiabilité du système, tout en réduisant son coût, notamment en minimisant les étapes d’assemblage.

Ainsi, les produits plastiques intelligents permettent de répondre à de nombreux défis sociétaux, environnementaux et économiques dans divers domaines : antennes pour les télécommunications, capteurs de pression pour l’automobile, dispositifs d’éclairage pour le médical, boîtiers anti-intrusion pour la cybersécurité…

On compte une quinzaine de procédés plastroniques, avec divers degrés de maturité. Le plus ancien est le surmoulage d’inserts ou de pistes métalliques (fig. 1). Il consiste à découper, plier et surmouler des inserts métalliques qui vont permettre le passage de courant électrique dans des volumes réduits, tout en conservant une étanchéité du boîtier. Il est couramment utilisé dans l’industrie automobile (capteurs, connecteurs, bobines, actuateurs…).



Fig. 1. Surmoulage d'insert. La matière plastique est injectée autour d’un élément métallique. Celui-ci forme le circuit électronique intégré dans la pièce.

Parmi le large panel de procédés plastroniques existants, deux technologies se démarquent : l’activation laser, ou laser direct structuring (LDS), et le surmoulage de film, ou in-mold electronics (IME). Le premier procédé permet de produire des pistes conductrices sur des pièces injectées complexes. Le second consiste à intégrer des composants électroniques imprimés par les procédés de thermoformage et de surmoulage.

D’autres technologies sont en cours de développement, comme l’impression 3D hybride ou l’impression directe, mais d’importants verrous technologiques limitent encore leur industrialisation. Le design du produit, la complexité géométrique, le volume de production, les fonctions électroniques (transmission de signal ou de puissance) sont autant de critères qui permettent de sélectionner le procédé le plus adapté.

2. La technologie LDS - La flexibilité du design électronique

La technologie de l’activation laser a été développée à la fin des années 1990, puis commercialisée par la société LPKF, en Allemagne. Avec l’essor de la téléphonie mobile, les connecticiens et antennistes ont été les premiers à s’y intéresser afin de répondre à un besoin croissant de fonctions dans un volume toujours plus réduit. Son concept est relativement simple et se déroule en quatre étapes : l’injection du substrat, l’activation par laser, la métallisation, et le report des composants (fig. 2).

La première étape consiste à mettre en forme le substrat, généralement par injection-moulage de thermoplastiques. Les matières LDS contiennent toutes un additif à base d’oxyde de cuivre. Celui-ci, ajouté dans des proportions comprises entre 1 et 5 % selon les matières, est un matériau isolant. Avec cet ajout, la pièce plastique produite selon le procédé d’injection n’est donc pas conductrice. La mise en œuvre de ces matières ne présente pas de difficultés particulières, si ce n’est que les pièces sont un peu plus rigides, à la suite de l’ajout de la charge métallique.



Fig. 2. Procédé d’activation par laser. Après injection du substrat polymère, un laser active la surface de la pièce selon le dessin du circuit. Plusieurs bains de métallisation permettent de rendre ce tracé conducteur. Après traitement, des composants électroniques peuvent être montés sur le circuit.

L’utilisation d’agent démoulant à base de silicone dans le moule est à proscrire, car il empêcherait l’adhésion des pistes électroniques au cours des étapes suivantes. Il existe environ 105 matières compatibles pour le LDS, commercialisées par de grands chimistes et distributeurs : des matériaux de commodités comme l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS) ou plus techniques tels que le polycarbonate, jusqu’aux matières les plus performantes comme les polymères à cristaux liquides (LCP) ou encore le polyéther-éthercétone (PEEK), qui présentent de hautes propriétés mécaniques et thermiques pour des applications en environnements sévères.

Pour les petites séries, il est également possible de créer des blocs de matières compatibles LDS, et de les usiner ensuite. Plus récemment, on voit arriver des matériaux thermodurcissables comme des résines phénoliques et polyesters. Elles ont été développées pour les marchés du packaging de puces électroniques.

Lors de la deuxième étape, l’activation par laser, un faisceau vient balayer les surfaces de la pièce plastique selon le plan du circuit électronique. Au passage du laser, deux phénomènes interviennent. D’une part, l’énergie apportée à la surface « casse » l’oxyde de cuivre contenu dans la matière, révélant des atomes de cuivre en surface. La pièce n’est toujours pas conductrice, mais elle est activée. D’autre part, le laser va ablater sur quelques microns la surface de la pièce, créant ainsi une rugosité essentielle pour obtenir par la suite une bonne adhésion, par accroche mécanique du métal sur le polymère.

À chaque matière correspond un jeu de réglage du laser (vitesse, fréquence, puissance, recouvrements…) et surtout une stratégie d’activation en fonction des formes et pistes à réaliser. Il existe plusieurs types de lasers selon les applications (prototypage, grandes séries, micro-pistes…).

La troisième étape consiste à rendre la surface conductrice. Une fois activées, les pièces sont nettoyées pour enlever les éventuels débris. Elles sont ensuite placées sur des racks ou dans des tonneaux pour suivre un procédé de métallisation par voie chimique, ou traitement de surface. Le premier bain utilisé est un bain de cuivre dit chimique : il contient des ions de cuivre qui vont réagir sur les sites catalytiques précédemment activés au laser, et le cuivre va progressivement se déposer sur ces surfaces, jusqu’à obtenir généralement une épaisseur de 6 à 8 µm.

Si le design l’accepte (alimentation par des électrodes), une croissance électrolytique permet d’augmenter cette épaisseur de cuivre pour des applications de puissance. Pour prévenir l’oxydation des pistes de cuivre, des couches de finition nickel, or ou argent, également utilisées dans l’industrie des cartes électroniques (PCB), peuvent ensuite être appliquées.

Enfin, la dernière étape consiste à reporter les composants électroniques sur le circuit. Si la métallisation sélective des pièces plastiques peut dans certains cas s’avérer fonctionnelle à elle seule, notamment pour la réalisation d’antennes, l’intégration de fonctions plus complexes nécessite le report de composants électroniques en surface des pièces métallisées. La stabilité en température de certains thermoplastiques ou des résines thermodurcissables permet de supporter une soudure RoHS[…]

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